|
Trefwoorden |
Een multiband
‘trap’ antenne (Eerder gepubliceerd in Electron #12, 2000 en Electron #1, 2001) Inleiding Het is een bekend verhaal. Je haalt je A-machtiging en wilt zo snel mogelijk de lucht in. Je hebt al maanden tevoren in allerlei brochures gekeken naar een redelijk betaalbare, moderne transceiver en koopt uiteindelijk toch een net iets duurdere. Daarna komt onmiddellijk de vraag aan de orde naar een goede antenne voor dit stuk moderne techniek. Je kijkt en vraagt eens om je heen omdat echte kennis over antennes in dit stadium van amateur-schap meestal nog even ontbreekt en omdat een ‘full-size toren-met-multibands-yagi’ net een brug te ver lijkt. Je zoekt eigenlijk een antenne, die met een minimum aan inspanning, een maximum aan HF-banden ‘bedient’ en daarbij een minimum aan plaats inneemt. Hierbij dient de ingebouwde tuner de ‘impedantie-excursies’ van de antenne te kunnen volgen teneinde de dure set te behoeden voor vroegtijdig overlijden. Deze tuners hebben doorgaans maar een beperkt bereik en bij een mis-aanpassing van 1 : 3 à 4 is het meestel wel afgelopen. Verder wil je de antenne het liefst met coax-lijn kunnen voeden omdat de eigenschappen van deze kabel relatief ongevoelig zijn voor ‘externe omstandigheden’ als het weer, metalen obstakels (dakgoot) en de TV en computer van de buren. Onze moderne transceiver is doorgaans ontworpen om
het maximale vermogen af te geven aan een reële impedantie van 50 Ώ. Een
antenne in resonantie vertoont een reële impedantie aan de aansluitklemmen en
onze multi-band antenne zal dus op zoveel mogelijk
banden in resonantie moeten zijn. De amateur banden op 80, 40, 20, 15 en De WARC banden (
Met deze wensen in ons achterhoofd gaan we eens kijken hoe we zo optimaal mogelijk aan al onze verlangens tegelijk kunnen voldoen. Eenvoud is
het kenmerk…… Een van de eenvoudigste antennes is natuurlijk de bekende dipool antenne, die resoneert op de frequentie waarvoor de afmeting precies een halve golflengte lang is en ook op elk veelvoud daarvan. Op elk oneven veelvoud van deze passing vinden we in het midden van de antenne steeds een lage waarde van de aansluit impedantie en hier dienen we dus steeds ‘op te mikken’ i.v.m. aanpassing met door onze beperkte tuner. In de Electron van november 1997 heeft Dick,
PA0SE vijf varianten uitgerekend van
deze dipool antennes, bedoeld voor multi-band
gebruik. De lengtes van zijn modellen liggen tussen de 18 en De comudipool antenne Het coax gevoede, multi-band dipool (comudipool) ontwerp van Dick vertoont eveneens ‘SWR excursies’ buiten het bereik van een eenvoudige tuner en valt om die reden dan ook af. Bovendien treden door deze misaanpassing verliezen op in zijn voedingssyteem (antenne-aanpassing plus kabel) die tot meer dan de helft van het toegevoerde vermogen hierin achterlaat! De
a-symmetrische dipool antenne Een andere variant op de dipool antenne is het Windom type dat a-symmetrisch
wordt gevoed. De FD3 resp. 4 van Fritzel zijn
hiervan goede, hedendaagse voorbeelden. Door deze voedingskeuze kan echter
niet voor alle banden (als boven) een optimale aanpassing worden bereikt; de Samengevat kunnen we daarom stellen dat de ‘eenvoudige dipool’ om bovenstaande redenen daarom wellicht niet zo ‘eenvoudig’ is voor een beginnende amateur. De
meervoudige dipool Meervoudige dipool antennes die per band zijn afgestemd en tezamen op één balun zijn aangesloten zijn een andere variant op het thema ‘eenvoudige antenne’. Dit systeem werkt ook goed hoewel de dipolen wat moeilijk op resonantie zijn af te regelen binnen de bestemde band (en dus op laagste SWR) omdat ze in elkaar's nabijheid-veld liggen; afregelen van de ene, beïnvloedt ook de andere banden. Bovendien is de winst per band niet meer dan ca 6 dBi, terwijl uit het verhaal van Dick valt af te leiden dat er wellicht meer winst valt te halen. Verder is doorgaans een reusachtig ‘spinnenweb’ in de tuin ook geen sierraad voor elke buurt……..
De W3DZZ
trap-antenne Een trap-antenne (zie figuur 1) lijkt een goed
compromis tussen eenvoud en bruikbaarheid en ik begon dus met een gekochte
W3DZZ antenne om snel van start te kunnen. Al gauw bleek dat mijn
(ingebouwde, automatische) antennetuner overwegende problemen had op de 20,
15 en Omdat de kennis over antennes bij mij intussen wat was toegenomen en er nu bovendien rekenprogramma’s beschikbaar zijn waarmee tevoren al een indruk verkregen kan worden of buiten-exercities op basis van wilde ideeën eigenlijk wel zin hebben, ben ik eens achter de computer gaan zitten. Voor de berekeningen maak ik steeds gebruik van het programma EZNEC van Roy Lewallen, W7EL, dat voor ca fl. 100,- te koop is. Er zijn tegenwoordig meerdere, goed bruikbare programma’s beschikbaar, maar elke vraagt een zekere inwerk tijd om er vertrouwd mee te raken en om de (rekenmodel-)grenzen en beperkingen te leren kennen. Voor alle berekeningen in dit verhaal gebruik ik steeds het antenne-model van figuur 1, omdat alle symmetrische multi-band antennes-met-trap er in wezen steeds zo uit zien:
Bij het modelleren van alle antennes heb ik de trap steeds laten bestaan uit een parallelschakeling van een ideale, verlies vrije spoel en dito condensator. In het navolgende verhaal zal ik steeds de notatie van dit antennemodel aanhouden Om te beginnen ben ik eens gaan kijken wat ik van de W3DZZ eigenlijk kon verwachten. Het ARRL Antenna Handbook vindt dat een (halve) W3DZZ bestaat uit L2 van Rothammel vindt echter
dat de W3DZZ bestaat uit L2 van Ook PA0SE heeft een W3DZZ verhaal in het al eerder
genoemde Electron artikel en beschrijft daar een Rothammel-variant
met een trap op 7 MHz (7.05 MHz zegt Rothammel en
de waarden narekenend kom ik op 7.13 MHz). Dick modelleert de antenne op Ik ben daarom begonnen eens zelf de beschrijving
van de W3DZZ antenne uit het ARRL-Antenne Handbook
(zie boven) te modelleren omdat het ontwerp, zoals zijn naam zegt uit de
Verenigde Staten afkomstig is en al jaren deel uit maakt van de inhoud van
dit Handbook. Ik modelleerde het systeem op freq. reson.
R X
SWR winst opstr. band freq. (Ohm)
(Ohm) (re 50)
(dBi) hoek 80 3.531 35.7 0 1.4 6.2 38.5* mid.band 3.7 45.8 144.7 11.1 40 7.271 83.3 0 1.7 6.1 25.5* mid.band 7.05 65.5 -102 5.1 20 15.35 257 0 5.1 7.2 27 mid.band 14.175 264.1 -553.3 28.6 15 22.363 115.7 0 2.3 8.9 18.5 mid.band 21.225 134.1 -484 38 10 32.525 150 0 3.0 10.9 13 mid.band 28.85 931.7 -1491 65.8 Tabel 1: De W3DZZ uit het ARRL Antenna Handbook. Straalt de antenne recht omhoog dan geeft een
asterix het –3dB punten aan (de opgegeven winst is hier het maximum omhoog).
Op Bij het bekijken van tabel 1 valt onmiddellijk op dat de antenne veelal buiten de banden resoneert, zelfs voor Amerikaanse begrippen. Kijken we naar het gedrag op de band-middens dan wordt duidelijk waarom de ingebouwde, automatische tuner uit het begin van dit verhaal een probleem had op de drie hoogste banden; de SWR wordt veel te hoog! Ook is duidelijk dat, hoewel mijn aanpassings-probleem werd opgelost met de parallel dipolen, ik hiervoor betaalde met een lagere versterking op die banden; de dipolen geven een maximale antenne winst van ca 6 dBi maar de (veel langere) W3DZZ zou zelfs wel 10.9 dBi antenne-winst kunnen halen. Ik heb de antenne natuurlijk ook op andere hoogtes
gemodelleerd (15 en Een discussie met L.B. Cebik (bezoek zijn rijke antenne web-site op www.cebik.com) levert op dat de W3DZZ-antenne eigenlijk bedoeld was voor oudere (buizen) sets met een Pi-filter in de uitgang en dus veel ruimere aanpassingsmogelijkheden. L.B. geeft op zijn site ook een aantal voorbeelden van trap-antennes en methoden om deze uit te rekenen. Het basis principe is steeds dat het deel tussen de traps resoneert op de hogere frequentie en de gehele antenne op de lagere. De trap resoneert daarbij aan de onderzijde van de hogere band zodat de hoge impedantie van deze parallel kring het gedeelte buiten de trap effectief isoleert van het deel daarbinnen. Op de lagere frequentie is de trap inductief en werkt aldus als een verlengspoel. De trap antenne wordt zo dus behandeld als een twee band antenne. Kijken we naar de totale trap-antenne, dan zien we
dat vier variabelen de resonantie frequentie van de antenne bepalen: de
binnen lengte (2 x L2), de buiten lengte (2 x L1) en de spoel en condensator
van de trap. Omdat deze vier variabelen elk op hun eigen wijze
frequentie-afhankelijk zijn, zou het dus mogelijk moeten zijn om deze antenne
op vier verschillende frequenties te laten resoneren. Ik heb dit onderzocht
voor een trap-antenne op # fr. L
2 L 1 l tot. L C trap (m) (m) (m) μH pF band band 1 6.0 7.1 8.8 31.8 4.5 156.4 23.862 32.840 2 6.4 8.4 7.9 32.6 4.7 131.6 23.072 32.278 3 6.8 9.6 7.3 33.8 5.1 107.0 22.080 31.396 4 7.0 10.1 7.0 34.2 5.2 99.4 21.774 31.034 5 7.2 10.6 6.7 34.6 5.0 97.7 21.390 30.480 6 7.4 11.1 6.4 35.0 5.0 92.5 21.302 30.181 7 7.6 11.6 6.1 35.4 5.2 84.3 21.227 29.801 8 7.8 12.1 5.8 35.8 5.2 80.0 21.073 29.294 9 8.0 12.6 5.3 35.8 5.4 73.3 21.334 29.186
Tabel 2: Multi-band antenne varianten Bij een (veel) lagere resonantie frequentie van de trap dan 6 MHz lukt het niet meer om de antenne te laten resoneren op de gekozen frequenties in de drie laagste banden en bij een hogere trap resonantie dan 8 MHz is dat opnieuw een probleem. Hoewel deze modellen in stapjes zijn berekend, is het duidelijk dat er een continu gebied is tussen de 6 en 8 MHz waarbinnen steeds aan de uitgangsvoorwaarden kan worden voldaan. We zien verder dat de zelfinductie van de trap relatief weinig varieert en binnen zekere grenzen zelfs ongeveer constant blijft. Bij het oplopen van de trap resonantiefrequentie
schuift eerst de Het blijkt echter niet mogelijk om zowel
gelijktijdig de Multi-band antenne versterking. Kijken we naar de antenne versterking dan vinden we
de tabel 3 met waarden in dBi, waarbij we er op moeten letten dat voor de 40
en Model # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 band 80 6.2 6.3 5.8 5.8 5.9 5.9 5.9 5.9 5.9 40 6.4 6.3 6.2 6.1 6.0 5.9 5.7 5.6 5.4 20 7.0 6.9 6.9 7.0 7.0 7.0 7.1 7.1 7.1 15 9.7 9.5 9.5 9.3 9.2 8.9 8.8 8.5 8.4 10 10.6 10.5 10.6 10.7 10.7 10.8 10.8 10.7 10.5 Tabel 3. Versterking in dBi als functie van de band en per model Het valt op dat de versterking vooral afhangt van de band waarop deze gebruikt wordt en veel minder van het toegepaste model. Ook in vergelijking met de W3DZZ zien we nauwelijks verschillen. Voor dit type antenne wordt de versterking dan ook voornamelijk bepaald door de antenne lengte en (in mindere mate) de hoogte boven de grond; andere parameters spelen nauwelijks een rol. De
opstraalhoek Een tweede belangrijke grootheid voor een antenne is de opstraal-hoek. We gaan daarom eens zien wat hier zoal te beleven valt. Ook hier noteer ik de waarden voor elke band op de frequentie waar deze resoneert; dat is voor de hogere banden niet steeds binnen die band waar dit genoteerd staat. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 80 38* 38* 38* 38* 38* 38* 38* 38* 38* 40 26.5* 26.5* 26.5* 26.5* 26.5* 26.5* 26.5* 26.5* 26.5* 20 29.5 29.5 29.5 29.5 29.5 29.5 29.5 29.5 29.5 15 17.5 18 19 19 19.5 19.5 19.5 20 19.5 10 13 13 13.6 13.6 14 14 14 14.5 14.5 Tabel 4. De opstraal hoek in graden boven de horizon. De sterretjes geven weer de drie-dB punten aan, omdat de antenne voor deze banden recht omhoog straalt. De getallen voor de versterking uit tabel 3 geven weer deze maxima recht omhoog; voor de andere banden is de versterking maximaal in de hierboven aangegeven opstraal hoek. Tabel 4 vertoont opmerkelijk weinig tekening. Een vergelijking met de W3DZZ levert ook al geen verrassingen op. Net als bij de versterking wordt de opstraalhoek hier dan ook voornamelijk bepaald door de hoogte boven de grond en veel minder door de andere variabelen. De
voedingspunt impedantie Het is interessant om te zien hoe de voedingspunt-impedantie verloopt voor de diverse modellen, omdat dit immers de reden was voor deze hele exercitie. In deze tabel heb ik voor elke band telkens de frequentie genomen waarop de antenne resoneert. Dat is voor de laagste drie banden dus steeds de al eerder genoemde reeks maar voor de hoogste twee verschilt dat steeds per model, zie ook tabel 2. De voedingspunt impedantie is steeds gemeten op de frequentie waar de antenne resoneert (imaginaire deel nul), ook al omdat dit de laagste waarde oplevert. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 80 34.9 38 44.9 45.5 46.6 47.3 42.8 48.6 49.6 40 116.3 100.8 87.5 82.5 77.7 72.5 67.7 63.7 59.9 20 151.8 182.7 211 215.8 219 208.7 204.4 195.6 179.7 15 127.3 114.3 112.5 116.9 122.8 134.2 149.5 164.2 183.5 10 133.3 153.2 153.3 144.7 137.8 129 123.7 122.5 127.2 Tabel 5. Aansluitwaarden in Ohm bij resonantie van de antenne. We zien een zekere regelmaat optreden in het
verloop van de antenne impedanties, waarbij voor de Omdat we antenne eigenlijk willen ontwerpen voor de zeer eenvoudige tuner die we meestal ingebouwd vinden in de moderne transceiver, loont het de moeite om een zo laag mogelijke SWR te maken op zo veel mogelijk banden. Kijkend naar tabel 5 lijkt een goede keuze voor de aanpassings-impedantie te liggen tussen de 50 en 200 Ώ, in het midden ca 125 Ώ, van toepassing voor elk van de berekende modellen. We zoeken dus een aanpassingstransformator met een (impedantie-)transformatie verhouding van 125 op 50 Ώ, dus 1 : 2.5. Hoewel deze verhouding minder gebruikelijk is in de wereld van antenne- aanpassingen, komt Jerry Sevick, W2FMI ons hier te hulp (zie 'Transmission line transformers’, bestellen via ARRL, ISBN 1-884932-66-5). In het hoofdstuk "Transmissielijn transformatoren, Voorbeelden en Analyse" is deze trafo uitgebreid beschreven en blijkt voor meer dan een overzet verhouding geschikt te zijn. Hier gebruiken wij de impedantie verhouding van 1 : 2.25, die een zeer hoog rendement (verliezen kleiner dan 0.1 dB) heeft over alle HF banden en zelfs nog iets daar buiten. Deze lijkt dus geknipt voor ons doel. Voor de rest van dit onderzoek gaan we daarom uit van toepassing van deze trafo, die de impedantie van de transceiver plus voedings-kabel (50 Ώ ) dus brengt op 112.5 Ώ . De bruikbare
bandbreedte De bruikbaarheid van de antenne voor de moderne transistor transceiver met ingebouwde tuner is sterk afhankelijk van het gebied waarbinnen de antenne nog aan de set aan te passen is. Zoals we in de inleiding hebben gezien zijn de prestaties van deze tuners beperk. Het heeft dus zin om eens te onderzoeken hoe groot
het gebied is waarbinnen de modellen een SWR van 1 : 4 of lager vertonen bij een aanpassing op
112.5 Ώ. We zullen dit bekijken voor de groep van modellen, die gezien
tabel 4
5 6 7
8 9 80 3.591 3.608 3.629 3.563 3.592 3.580 3.821 3.856 3.890 3.802 3.872 3.928 40 6.864 6.890 6.912 6.918 6.946 6.977 7.343 7.314 7.294 7.269 7.254 7.243 20 13.775 13.726 13.732 13.725 13.692 13.658 14.731 14.709 14.700 14.718 14.720 14.715 15 21.289 21.037 20.836 20.693 20.616 20.861 22.345 22.070 21.851 21.692 21.599 21.842 10 30.480 30.076 29.656 29.217 28.789 28.684 31.657 31.236 30.796 30.337 29.875 29.743 Tabel 6. De ‘bruikbare’ frequentiegebieden binnen de SWR < 1 : 4 grenzen. In de tabel vinden we geen dramatische verschillen
tussen de modellen voor de bruikbare bandbreedte in de laagste drie banden.
Een lichte voorkeur kan wellicht worden uitgesproken voor de laatste drie modellen
omdat hier het grootste deel van de Voor de Zoals we eigenlijk al verwachtten, is het niet mogelijk om met vier variabelen, vijf frequenties goed te kunnen vast leggen. Het blijkt dus dat het (binnen onze restricties!) niet mogelijk is om een volledige vijf-band antenne te maken. De invloed
van de grondsoort De antenne met de grootste dekking voor alle vijf HF-banden is model negen, en deze zullen we eens nader gaan bekijken. Bij onze modellering zijn we uitgegaan van een antenne boven ‘gemiddelde’ aarde met een grond geleiding van 5 mS/m en een ε van 13. Om het model te testen voor verschillende terrein omstandigheden zullen we de antenne modelleren boven ‘goede’ aarde, met G = 20 mS/m en ε = 20 (vlakke grond, vette klei) en ‘slechte’ aarde, met G = 1 mS/m en ε = 5 (in stedelijke, dicht bebouwde gebieden) . We vinden dan de volgende tabel. frequentie goede gemiddelde slechte band grond grond grond 80: fr (MHz) 3.731 3.738 3.752 Zo (Ώ) 39.0 49.6 61.6 gain (dBi) 7.3 5.9 4.4 opst. (grad.) 40.5* 38* 33.5* 40: fr (MHz) 7.063 7.069 7.076 Zo (Ώ) 59.6 59.9 59.3 gain (dBi) 6.2 5.4 4.3 opst.
(grad.) 29.0* 26.5* 23.0* 20: fr (MHz) 14.180 14.173 14.165 Zo (Ώ) 184.7 179.7 173.8 gain (dBi) 7.7 7.1 6.4 opst. (grad.) 30.0 29.5 28.5 15: fr (MHz) 21.335 21.334 21.335 Zo (Ώ) 184.7 183.5 183.7 gain (dBi) 8.9 8.4 7.8 opst.
(grad.) 19.5 19.5 19.0 10: fr (MHz) 29.190 29.186 29.180 Zo (Ώ) 126.8 127.2 126.8 gain (dBi) 10.8 10.5 10.0 opst. (grad.) 14.5 14.5 14.0 Tabel 7. De invloed van grondeigenschappen op model 9. Voor de verschuivingen van de resonantie
frequenties vinden we geen dramatische waarden en ook de aansluit-impedantie
varieert niet bovenmatig. De We zien verder de versterking voor alle banden wat afnemen naarmate de grond slechter wordt. Dit lijkt te verklaren uit het gegeven dat de versterking bij deze antenne wordt verkregen door ‘optelling’ van de direct uitgestraalde golf met die welke gereflecteerd wordt aan aarde; als hier een deel van de energie wordt geabsorbeerd door de slechte aarde, houden we dus minder over om uit te stralen. We zien daarom ook de opstraalhoek kleiner worden bij afnemende ‘kwaliteit’ van de aarde, hetgeen juist weer gunstig is voor DX verkeer. Het lijkt alsof voor DX verkeer de afnemende versterking wordt gecompenseerd door de afnemende opstraalhoek, waardoor we per saldo weinig zullen merken van de invloed van de aarde op de stralings-eigenschappen. De invloed
van de antenne hoogte Er is al eens op gewezen dat hogere antennes betere eigenschappen zouden hebben. Het heeft dus zin om dit ook daadwerkelijk eens uit te rekenen en tevens te zien hoe deze eigenschappen worden beïnvloed in relatie tot de hoogte. Ik heb daarom antenne model nummer 9 gemodelleerd op verschillende hoogtes boven ‘gemiddelde grond’ en verkreeg de volgende tabel: hoogte
(meters) 10 12.5 15 17.5 20 frequentie band 80: fr (MHz) 3.738 3.736 3.734 3.740 3.748 Zo (Ώ) 49.6 57.1 64.1 72.4 79.1 gain (dBi) 5.9 6.4 6.6 6.2 6.2 opst. (grad.) 38* 35.5* 32.5* 29.0* 25.5*
40: fr (MHz) 7.069 7.078 7.087 7.094 7.096 Zo (Ώ) 59.3 66.1 67.4 63.3 56.7 gain (dBi) 5.4
5.3 5.5 6.0 6.7 opst.
(grad.) 26.5* 21.5* 40.0 34.0 29.5 20: fr (MHz) 14.173 14.164 14.127 14.123 14.133 Zo (Ώ) 179.7 155.8 153.4 163.3 166.8 gain (dBi) 7.1 8.1 8.3 8.2 8.3 opst. (grad.) 29.5 23.5 19.5 17.5 15.0 15: fr (MHz) 21.334 21.342 21.345 21.322 21.341 Zo (Ώ) 183.5 191.2 182.8 185.4 191.9 gain (dBi) 8.4 8.6 9.2 9.2
9.1 opst.
(grad.) 19.5
15.5 13.0 11.5
10.0 10: fr (MHz) 29.186 29.169 29.176 29.173 29.162 Zo (Ώ) 127.2 125.2 128.4 127.7 127.1 gain (dBi) 10.5 11.0 11.0 11.2 11.3 opst. (grad.) 14.5 11.5 9.5 8.5 7.5 Tabel 8: Invloed van de antennehoogte op de eigenschappen van model 9 Bij het beoordelen van deze tabel moeten we in het achterhoofd houden, dat de antenne eigenschappen worden beïnvloed door de wisselwerking tussen de direct uitgestraalde energie en de aan het aardoppervlak gereflecteerde deel van de energie die we ook weer terug zien op de antenne. We kunnen dus verwachten dat wanneer de energie ‘in fase’ terug komt, we een ander gevolg zullen zien voor b.v. de aansluit-impedantie dan bij een tegenfase situatie. Deze faserelatie hangt niet alleen van de hoogte boven de grond af, maar ook van de fase draaiing na reflectie, die weer wordt beïnvloed door de combinatie van de grond geleiding en dielectrische constante. Verder is deze faserelatie bij dezelfde antenne hoogte weer verschillend voor ieder van de frequentie-banden, zodat wat voor de ene band gunstig is, voor de andere ongunstig kan uitpakken en vice versa.
Kijken we na deze sombere woorden eens naar tabel 8 dan valt op dat voor geen van de hoogtes de resonantiefrequenties per band veel worden beïnvloedt. De aansluit-impedanties variëren ook niet dramatisch behalve wellicht in de gunstige richting voor de laagste band vanwege onze keuze voor aanpassing aan 112.5 Ώ; de SWR (en dus de bruikbare bandbreedte) worden beter. De antenne versterking varieert ook enigszins, maar van verschillen tot ca één dB liggen we niet echt wakker. De belangrijkste verschillen vinden we echter bij
de opstraalhoeken. De asterix geeft weer het – 3 dB punt aan bij een recht
omhoog stalende antenne. We zien dat bij oplopende hoogte de De omlaag draaiende opstraalhoek bij toenemende hoogte is de belangrijkste reden om onze antenne hoog op te hangen en dit effect geldt voor de meeste typen van (HF) radio-antennes.
We weten nu dat we met vier variabelen een (trap)
antenne kunnen ontwerpen die vrijwel perfect de amateur-banden voor de 80, 40
20 en Die extra variabele kan b.v. bestaan uit de toevoeging van een top capaciteit. Ook een extra (kleine) zelfinductie kan dit doel vervullen, maar een top-capaciteit is eenvoudiger toe te voegen omdat deze meestal bestaat meestal uit wat extra draden aan het uiteinde van de antenne. Als voorbeeld hangen we aan elk uiteinde van
model 9 een draad van Het antennemodel met topcapaciteit noemen we model 10.
De topcapaciteit heeft natuurlijk de grootste invloed op de hoogste banden en de minste op de laagste. We berekenen voor deze trap-antenne met topcapaciteit de volgende tabel: 80 40 20 15 10 fres.(MHz) 3.616 7.002 14.066 20.824 28.648 Zo (Ώ) 48.0 59.9 193.2 181.0 120.6 gain (dBi) 5.8 5.3 7.1 8.4 10.6 opstr. (grad.) 38.5* 26.5* 29.5 20 14.5 SWR < 4 3.520 6.918 13.586 20.377 28.176 tussen: 3.801 7.208 14.587 21.305 29.196
Tabel 9: Trap-antenne met top-capaciteit. (model 10) Zoals we dat ook gezien hebben bij veranderingen in de andere parameters, heeft bij resonantie ook de topcapaciteit nauwelijks invloed op de aansluit impedantie (Zo), versterking (gain) en de opstraal hoek (opstr.). We zien vrijwel uitsluitend de resonantie frequentie verschuiven en daarmee samenhangend de ‘bruikbare’ bandbreedte tussen de SWR < 4 punten. Hoewel we wat hebben moeten inleveren op de
Practische
uitvoeringen Ons onderzoekje levert een aantal bruikbare oplossingen voor de vraagstelling uit het begin, t.w. een eenvoudig na te bouwen antenne, die binnen een beperkte ruimte een maximum aan HF-banden bestrijkt binnen de beperkingen van de ingebouwde antennetuner van een moderne HF-transceiver. De vierband trap antenne Het model dat volledig voldoet aan de opgave om met vier variabelen een vierband antenne te ontwerpen is model 7. Dit model kan als volgt worden samengevat:
Dit model levert een antenne op die vrijwel de gehele
band bestrijkt binnen een SWR < 1 : 4 voor elk van de 80, 40, 20 en De antennedraad is volgens het model Denk er aan dat bij gebruik van ‘antenne litze’ deze gecoat is met een duurzame kunststof. Deze geeft de pure koperdraad als in de afmetingen van figuur 5 een andere snelheidsfactor, die bij dit materiaal rond 0,89 uit komt. De praktische afmetingen worden dan: L1 – 5,43 m. en L2 – 10,32 m., waarmee de totale lengte uitkomt op 31,5 m., exclusief de afmetingen van de traps en de aanpassingstrafo. De eenvoudige vijf-band
uitvoering De eenvoudigste vijf-band antenne uit dit onderzoekje is model 9. Deze kan als volgt worden samengevat:
Dit model levert een antenne die op elk van de HF
amateurbanden 80, 40, 20, 15 en De antennedraad is weer De
uitgebreidere vijf-band trap antenne De tweede vijfbanden-oplossing is het model 10, die
aan de antenne als boven nog een tweetal top-capaciteiten toe voegt, elk
bestaande uit een stukje draad van
Deze oplossing levert een antenne die de SWR
vrijwel over de gehele band beneden de 1 : 4 houdt voor elk van de HF amateurbanden
80, 40, 20, 15 en De praktische antenne als uitgevoerd met ‘antenne litze’ draad moet weer worden gecorrigeerd voor de snelheidsfactor Vf van 0,89. De maten worden dan: L1 – 4,72 m. en L2 – 11,21 m., waarmee de totale lengte uit komt op 31,86 m., exclusief de lengte van de traps en de aanpassingstrafo. De spoel van de trap kunnen we maken door deze te wikkelen rond een stukje grijs PVC-pijp, met een (buiten) diameter van b.v. 40mm. Dit pijp materiaal wordt geleverd met bijpassende eind kappen, zodat we hiermee een keurig doosje krijgen waar we bovendien de condensator in kunnen opbergen. Maken we de spoel van b.v. We kunnen de waarde van de spoel nog even nameten door de spoel met een serie-weerstandje (aan de aard-zijde) aan te sluiten op een signaal generator. Bij een frequentie van 648 kHz. (ijken tegen BBC-middengolf) is de spanning over een weerstand van 22 Ώ gelijk aan die over de spoel, of ook is de spanning over de weerstand gelijk aan 0.7 maal die over de generator. Nemen we een frequentie van 1.386 kHz (ijken tegen Voice of Russia) dan hoort daar een weerstand van 47 Ώ bij. Bij deze lage impedanties en frequenties spelen eventuele parasitaire effecten nog geen rol en kunnen we dus met veel typen meetinstument deze spanningen meten. De condensator bepalen we uit de resonantie met de verkregen spoel op 8.00 MHz, b.v. met een dip-meter (ijken tegen de transceiver); met deze methode houden we automatisch rekening met de eigencapaciteit van de spoel. De condensator kan gemaakt worden uit een op lengte
geknipt stukje coax; dit heeft bovendien een uitstekende doorslagspanning.
Bij gebruik van RG85U zal de coax condensator ongeveer Het blijkt overigens verschil te maken hoe deze condensator in de pijp wordt opgerold; als spoel opgerold binnen de uitwendige zelf-inductie blijkt de kwaliteits-factor (Q) van de kring ca 40 % lager te worden dan wanneer de coax in de lengte-richting wordt opgeborgen, dus als spoel loodrecht op de zelf-inductie. Mijn verklaring hiervoor is dat een kring kennelijk een betere Q heeft als de kring- capaciteit meer op een punt is geconcentreerd i.p.v. gedistribueerd over de hele lengte van de spoel. Deze gedachte wordt nog onderstreept doordat de coax-condensator verschillend van lengte wordt bij de verschillende methoden van opbergen (steeds bij een kring-resonantie van 8 MHz.). Deze ervaring leert verder ook dat bij het afregelen van de resonantie kring de coax- condensator al zoveel mogelijk op zijn plaatst moet liggen; als de kring wordt afgeregeld met de coax buiten de ‘doos’ zal de kring beslist in afstemming verschoven blijken te zijn indien het geheel na montage wordt nagemeten. Bij de einduitvoering heb ik door de eindkappen van de ‘trap’-doosjes een gaatje geboord waardoor een nylon koordje wordt gestoken. Meteen achter de kap wordt een knoop in het koord gelegd zodat de eindkappen worden opgesloten op de pijp. In de uiteinden van het koord worden lussen geknoopt, die dienen als trek-ontlasting voor de antennedraad. De elektrische aansluiting aan de ‘trap’ kan nu gemaakt worden zonder dat hier trek- krachten op uitgeoefend worden. Foto 1 brengt deze constructie in beeld waarbij tevens de beperkte afmetingen van de ‘trap’ duidelijk worden door vergelijking met een standaard lucifer doosje! De ty-wraps dienen verder om het wikkelen en vervolgens aansluiten van de spoel te vergemakkelijken.
De impedantie transformator met een transformatie verhouding van 1 : 2.25 is niet zo gebruikelijk, maar in de oplossing van Jerry Sevick, W2FMI vinden we een uitstekend na te bouwen voorbeeld. De trafo ziet er (schematisch) als volgt uit:
De beide coaxen worden
gewikkeld op een ringkern, MH&W Inti (TDK) type K5 (NiZn)
met een permeabiliteit van 290. Deze kern heeft een buiten diameter van
De details van de doorverbindingen blijken verder uit figuur 6. Met de voedingslijn aangesloten tussen ‘aarde’ en punt B, vinden we tussen ‘aarde’ en punt A, 1.5 maal de voedingsspanning terug en dus 2.25 maal de impedantie. De ringkern van Jerry Sevick blijkt niet overal gemakkelijk te verkrijgen te zijn. Ik vond een goede vervanger in 4B1 type materiaal van Philips dat ook een trafo oplevert met uitstekende eigenschappen. Helaas, ook dit materiaal blijkt achteraf moeilijk te vinden. Nadere beschouwing van de transformator leert echter dat de beide coaxen helemaal niet op de zelfde kern hoeven te liggen omdat ze niet magnetisch gekoppeld zijn. Er wordt uitsluitend gevraagd om een (relatief) hoge impedantie over de lengte van de buitenkant van elke coax (afzonderlijk) omdat deze impedantie parallel komt te staan aan de trafo-delen. We vragen dus eigenlijk om de functie van een mantelstroom smoorspoel. Die functie kan ook worden geleverd door elke coax
afzonderlijk vijf maal door de bekende paarse ringkern (type 4C65, buiten
diameter De trafo blijkt zich precies zo te gedragen als de uitvoering met een enkele ring-kern, zij het dat de 4C65 uitvoering pas bij 3.5 MHz goed begint te werken en dat de trafo met 4B1 ferriet nog steeds werkte bij 100 kHz. Beide zijn bruikbaar tot boven 30 MHz. Foto 2 geeft een indruk van deze constructie en toont ook de mantelstroom-smoor-spoel (zie verderop) tegen de binnenzijde van de doos.
Voor een waterdichte uitvoering van de trafo vond ik
wederom een uitstekende ‘doos’ in de afdeling ‘hemelwater’ van de lokale
Doe-het-Zelf. Grijze PVC pijp, ditmaal met een buitendiameter van Onder het bevestigingsoog aan de bovenzijde vinden we weer een trek-ontlasting, ditmaal gemaakt van een stukje trespa. Door deze constructie wordt de trafodoos tevens verstevigd op de plaats waar de antenne plus aansluitkabel aan het ‘hijsoog’ hangt. Foto 3 geeft een indruk van de hele constructie.
Onze impedantie-transformator is niet symmetrisch. Dit is geen probleem voor de voedingscoax maar wel voor de symmetrische antenne. Willen we het antenne-stralingspatroon niet beïnvloeden en geen (terugwerking veroorzakende) HF-spanning in de shack, dan moeten we de antenne ‘los’ koppelen van de voedingskabel; we schreven hier al over bij de Windom-antenne. Dit ontkoppelen gaat het gemakkelijkst met een ‘mantelstroom’ smoorspoel. Volgens het (alweer) ARRL Antenne Handbook kunnen we zo’n smoorspoel maken door de
voedingskabel ca zes windingen op te rollen, met een diameter van ca
De
(veiligheids-) aarde We hebben nu een relatief hoge impedantie aangebracht tussen de antenne en de rest van de voedingskabel. Als de set verderop echter zelf ook goed geïsoleerd van aarde staat opgesteld, kunnen we toch nog wat last krijgen van terugwerking. Een mantelstroom smoorspoel (hoog Ohmig) is dan ook pas effectief wanneer deze gevolgd wordt door een laag-Ohmige verbinding van de set naar aarde. De spanningsdeling die aldus ontstaat (hoge impedantie aan de antenne, lage impedantie naar aarde) laat weinig HF op de set achter en is dus verder onschadelijk. Verbindt de transceiver daarom met alles wat in de buurt is: verwarming, andere sets etc. Dit laatste is trouwens toch aan te bevelen als veiligheidsmaatregel; sommige (vooral Amerikaanse) sets laten hoge lekstromen lopen door hun netfilters waardoor ‘pijnlijke’ spanningsverschillen kunnen ontstaan met de omgeving. Ervaring met de
antenne Ik heb mijn antenne geconstrueerd als het model 9
uit de eerdere beschrijving en opgehangen in mijn omgeving. Als voorspeld (en
tot mijn genoegen) kon mijn transceiver (TS440S) de antenne afstemmen op elk
van de banden 80, 40, 20, 15 en Natuurlijk heb ik de zaak ook nagemeten en toen bleken de resonantiepunten (hier en daar stevig) af te wijken van de berekeningen. Nu verwacht ik voor dergelijke antenne berekeningen geen uiterste precisie omdat ik de eigenschappen van mijn grond niet ken en de antenne gemodelleerd is voor ‘gemiddelde grond’. Afwijkingen van meer dan honderd kHz bij sommige banden vond ik echter wel wat veel hoewel de ingebouwde antenne tuner daar kennelijk geen moeite mee had. Nadere beschouwing leerde dat mijn situatie nogal afwijkt van het rekenmodel: de trafo hangt bij mij op Voor mijn technische bevrediging heb ik de werkelijke situatie ook eens in het rekenmodel ingepast en dan blijken de resultaten goed overeen te komen met de gemeten waarden. Hiermee werd het vertrouwen in het rekenprogramma weer eens bevestigd. Met deze werkelijke situatie ben ik aan de ‘traps’ gaan rekenen ook al omdat de antennedraad reeds op lengte was geknipt. Het lukte mij door wijziging van de L / C verhouding bij constante resonantiefrequentie (8 MHz), de antenne op mijn locatie te laten resoneren op alle frequenties van het ‘ideale’ model. Deze nieuwe ‘traps’ heb ik intussen ook gemaakt en gemonteerd waarna de antenne zich ook voor mijn specifieke, niet-ideale locatie blijkt te kunnen gedragen als het ideale vijf-banden model. Hoe de aanpassing van de ‘traps’ op andere locaties zal uitpakken moet ter plekke worden bepaald. Bedenk echter dat ook vóór de aanpassing alle vijf banden (en meer) binnen het bereik van de ingebouwde antenne-tuner vielen. Voor de ‘fijnslijpers’ levert wellicht mijn volgende waarneming nog interessante informatie. Bij gelijkblijvende resonantiefrequentie van de trap, gaat voor elke 10 procent omhoog in ‘trap’-zelfinductie, de resonantie frequentie van de antenne in de band van; Deze verhoudingen blijven over een groot veranderingsgebied gehandhaafd. Deze verschuivingen bleken in mijn geval allemaal tegelijk de goede kant op te werken en dat is misschien wel het meest opmerkelijke uit deze praktijk proef. Als laatste en niet minst onbelangrijke kan ik nog melden de antenne op mijn locatie mij steeds zeer goede rapporten levert en daarmee zijn bruikbaarheid ook in de praktijk blijkt te kunnen bewijzen. Conclusies We hebben een drietal trap-antennes beschreven met de bijbehorende aanpassingstransformator. Elke oplossing levert een zeer bruikbare antenne, die via standaard 50 ohm coax kabel direct op een moderne transceiver-met-beperkte-tuner kan worden aangesloten. Alle antennes leveren de ‘standaard’ antennewinst
van een monoband dipool (ca 6 dbi)
voor de 80 en Let er overigens wel op dat deze antennewinst in een per band verschillende richting gaat en dat er per band verschillende aantallen lobben ontstaan. De antennes vertonen dus ook ‘dode hoeken’ d.w.z. richtingen waarin minder energie wordt uitgestraald of uit wordt ontvangen. De antennes hangen we niet lager dan tien meter boven de grond; elke meter hoger geeft een lagere opstralingshoek en maakt de antennes daarmee beter geschikt voor DX-werk. Tevens zullen bij ophanging op een andere hoogte de resonantie-frequenties en andere antenne grootheden anders uitvallen dan de berekeningen. Verder heeft deze exercitie mij de volgende algemene waarnemingen opgeleverd voor dit soort horizontale draad antennes: - elk stukje draad werkt als antenne, - de antennewinst hangt vrijwel uitsluitend af van de relatieve lengte (t.o.v. de golflengte, mits minimaal ca 1/10 golflengte boven de ‘grond’), - de bruikbaarheid als (zend-)antenne hangt vrijwel uitsluitend af van de mogelijkheid om deze aan te kunnen passen aan de set (plus voedingskabel); hoe groter de SWR (voor aanpassing), hoe groter de verliezen (in kabel plus tuner), - de bruikbaarheid als DX antenne hangt vrijwel uitsluitend af van de relatieve hoogte boven de grond; hoe hoger de antenne, hoe lager de opstraalhoek.
Bob J. van
Donselaar, on9cvd@veron.nl |
|
