Trefwoorden

 

V & H type

Resultaten op 80

Resultaten op 20

Definities

duoband antenne voor 80 en 20 meter met een bonus

(Eerder gepubliceerd in Electron #7-1999, Radcom #10-1999 en Antenne Compendium #8)

 

 

Inleiding

 

Onlangs hielden we weer eens een afdelingslezing over antennes en kwam het onderwerp van antenne-verkorting aan de orde. Vooral voor de lagere HF banden is dit een gewild thema, omdat wij doorgaans in ons overbevolkte landje weinig plaats hebben voor afmetingen die zelfs een eenvoudige dipool antenne (op 80m.) al met zich mee brengt. Mijn mede-presentator behandelde daar de bekende antenne verkorting d.m.v. spoelen, waarvoor toch altijd een zekere prijs moet worden betaald al was het maar in de vorm van verminderde bandbreedte en verlaagd antenne - rendement. De gedachte kwam toen bij mij op, dat er natuurlijk meerdere wegen naar Rome leiden en dat hetzelfde verkortingseffect ook verkregen kon worden door gebruik te maken van “eind-capaciteiten”.

 

In het algemeen heeft “eind-capaciteit (top-loading)” het effect dat er (meer) stroom gaat lopen aan het einde van de antenne draad waardoor een (korte) antenne elektrisch verlengd wordt. Voor de HF antennes kom je in het algemeen deze vorm van verlenging minder vaak tegen, omdat voor een beetje effect ook hier de afmetingen van de eindcapaciteit al vlug (te) groot gaan worden.

 

Het effect van capacitieve belasting is natuurlijk frequentie afhankelijk en daardoor heeft dezelfde capaciteit een verschillende invloed bij antennes voor verschillende banden. Dit bracht mij op het idee dat het mogelijk moest zijn om een antenne te ontwerpen die bij een aantal gunstige keuzes voor lengte en eind-capaciteit geschikt zou zijn voor meer banden. Om deze ideeën te toetsen heb ik daarom enkele antennes berekend voor de 80 plus 20 m. band, omdat deze twee banden voor veel amateurs het begin van hun hobby markeert (lokaal en DX verkeer), getuige de vele ontwerpen voor 80 / 20 band transceivers.

 

 

Berekeningsprogramma

 

Voor de antenne berekeningen maak ik gebruik van reken programma's zoals die tegenwoordig voor een betrekkelijk lage prijs te koop zijn. Deze programma delen de antenne doorgaans op in een aantal antenne-elementen, waarna de  impedantie van elk van deze elementen “naar de omgeving” wordt berekend. Ook deze omgeving kan binnen wijde grenzen worden opgegeven, zodat met veel vrijheid de antenne hoogte boven de grond en de grondsoort (geleiding, dielectrische constante) kan worden gekozen.

 

Voor mijn berekeningen heb ik de antenne steeds op 10 meter hoogte gehangen boven een gemiddeld grond type, zoals je dat aantreft in een wat geaccidenteerd terrein met  gemengde zand/klei “aarde”. De geleiding is hier zo’n 0.005 Siemens/meter en de dielectrische constante is 13. Voor de antenne geleiders heb ik een draaddiameter ingegeven van 1.8 mm omdat dit in de buurt ligt van gewoon installatie draad en (duurder) antenne litze.

 

Alle grafieken en tabellen in dit verhaal gelden uitsluitend voor deze antenne hoogte van 10 meter; op een ander hoogte zal het stralingsdiagram er beslist anders uitzien. Dit geldt des te meer voor de 20 m. band waar een paar meter verschil al gauw een wezenlijk deel van een (kwart-)golflengte uitmaakt en dus het aantal en richting van de stralings-“lobben”.   

 

 

Antenne typen

 

Na een eerste ruwe berekening om de “richting” te bepalen heb ik verdere verfijningen ingevoerd in een aantal optimalisatie slagen. Hierbij heb ik steeds op 20 m. de horizontale straler aangepast voor resonantie en op 80 m. de lengte van de eindcapaciteiten. Bij het ter plaatse afregelen van de antenne lijkt mij deze procedure ook aan te bevelen.

 

Hoewel meerdere antennes aan de door mij gestelde voorwaarden voldeden, heb ik er een tweetal uitgekozen voor nadere analyse omdat deze mij eenvoudig te realiseren leken. Beide antennes worden gevoed door 50 ohm coax, die via een 1 : 1 balun aan de antenne is aangesloten.

 

Het H-type (zie figuur 1) bestaat uit een in het midden gevoede, horizontale draad van 21.5 meter (op 10 m. hoogte) met aan de uiteinden een verticale draad, die 5.5 meter omhoog en 5.5 meter omlaag gaat. In het voedingspunt wordt de coax op de antenne natuurlijk aangesloten middels een 1 : 1 balun (mantelstroom smoorspoel).

 

In de gestileerde tekening is de antenne opgehangen aan twee draadjes tussen het huis en de boom en worden de eindjes vertikaal gehouden met een touwtje dat met pennen in de grond staat. In werkelijkheid zou de antenne uitgevoerd kunnen worden door aan een bovendraad (op 15.5 meter) de verticale eindjes en het midden (met de balun) te bevestigen, het horizontale deel met een aparte draad te spannen en de neerhangende verticale eindjes verder als op de tekening uit te voeren. Ook hier voeren weer vele (en wellicht betere) wegen naar Rome.

 

 

        Figuur 2. Duo-antenne voor de 80 en 20 m. amateur banden, H-type

 

 

 

Het V-type (zie figuur 2) bestaat weer uit een middengevoede, horizontale draad van 21.5 meter (op 10 m. hoogte) met aan de uiteinden twee verticale draden, die een hoek van 90 graden met elkaar maken. Ook hier is de coax op de antenne aangesloten middels een 1 : 1 balun (mantelstroom smoorspoel).

Deze draden zijn elk weer 5.5 m. lang. De (omgekeerde) V-figuur die aldus ontstaat, maakt een hoek van 90 graden met de horizontale draad. Hoewel de tekening ook hier weer gestileerd is, zou een praktische uitvoering er ook daadwerkelijk zo uit kunnen zien.

 

 

                 Figuur 2. Duo-antenne voor de 80 en 20 m. amateur banden, V-type

 

 

 

De resultaten op 80 meter.

 

Voor de 80 meter band heb ik berekeningen uitgevoerd aan de antenne-impedantie, de antenne winst, opstralingshoek en antenne bandbreedte. Om een reële indruk te krijgen van de prestaties heb ik de resultaten van de duoband antennes vergeleken met een dipool antenne ( lengte 38.5 m.) en een tot 21.5 m. verkorte antenne met spoelen (twee maal 19 mH, Q = 200), alle antennes op dezelfde resonantie frequentie (3.745 MHz.) en op dezelfde hoogte.  De resultaten vinden we in tabel 1.

 

 

 

Bij 0 graden

Bij 90 graden

resonantie

 

Band-

 

winst

elevatie

winst

elevatie

impedantie

SWR

breedte

 

 

(dBi)

(graden)

(dBi)

(graden)

(ohm)

re. 50 ohm

(KHz.)

 

H-type

6.13

55.5

6.13

38

29.9

1.67

141

 

V-type

5.82

53.2

5.82

38

31.9

1.6

151

 

Dipool

6.33

57.5

6.33

38

49.2

1.02

202

 

Verkorte

4.55

55.5

4.55

38

15.9

3.2

47

 

 

Tabel 1: Resultaten voor de 80 m. band

 

 

Uit tabel 1 kunnen we een aantal conclusies trekken. De gelijke winst bij 0 en 90 graden (horizontale vlak) betekend dat er voor alle antennes maar een stralingslob te vinden is en dat deze recht omhoog wijst. Dit is gunstig op deze band voor lokaal verkeer. De elevatie van 38 graden bij alle typen valt mooi op de onderste DX grens hoek en dat betekend dat er voldoende lage opstralingsenergie is voor DX verkeer. Voor de optimale elevatie voor grote afstanden op de HF-banden, zie de grafieken in "DX opstralingshoeken".

 

We zien verder dat zowel het H- als het V- type een antenne winst vertonen die weinig onder doet voor een dipool van 1/4 lambda, en dat voor bijna de halve afmeting!

 

De SWR van de beide duoband antennes valt nog binnen de grens van de meeste “koopdozen” zonder antenne tuner kunnen werken en ook de bandbreedte reikt nog tot een groot deel van het 80 m. spraak gebied. De prestaties van de (met spoelen) verkorte antenne steken hier maar povertjes bij af.

 

 

De resultaten op 20 meter

 

Voor de 20 meter band ben ik op dezelfde wijze te werk gegaan als op 80. Berekend werden antenne impedantie, antenne winst, opstralingshoek en antenne bandbreedte.

Om een reële indruk te krijgen van de prestaties heb ik de resultaten van de duo-band antennes vergeleken met een dipool antenne, die voor dezelfde resonantiefrequentie (14,14 MHz) een lengte van 10,4 meter moest hebben en natuurlijk op dezelfde hoogte hing. Omdat het stralingsdiagram nu meerdere lobben heeft, volstaat het niet meer om de antenne winst en elevatie op te geven bij 0 en 90 graden. Ik heb deze voor een groot aantal hoeken uitgerekend en de resultaten vinden we in de grafiek. Voor de andere grootheden kijken we in tabel 2.

 

 

 

resonantie

impedantie

(Ohm)

 

SWR

t.o.v. 50 Ohm

 

Bandbreedte

(kHz)

 

 

 

 

H-type

32

1,56

226

V-type

49,8

1

362

Dipool

73,1

1,46

1402

 

Tabel 2. Resultaten voor de 20 meter band

 

Ook hier valt op dat de SWR binnen de grenzen van een tuner-loze "koopdoos"vallen en dat het V-type zelfs perfect aangepast is op 50 Ohm. De bandbreedte van onze multiband types is weleenswaar kleiner dan bij een dipool, maar beslaat zelfs in het ongunstigste geval nog een groot deel van de 20 meter band, zowel phone als morse.

 

In de grafiek heb ik alle drie antennes nog eens afgebeeld met winst en opstralingshoek als functie van de stralingsrichting. Ook de DX grenshoeken heb ik afgebeeld zodat we een overzichtelijke indruk kunnen krijgen van de prestaties.

 

Allereerst valt op dat ons H-type een hogere winst geeft dan de dipool en dat dit geldt voor een groter deel van de stralingsrichting. Het V-type presteert hier ca 1 dB minder maar mag er zijn met zijn 5,5 dBi en stralingsrichting van ca 35 graden binnen de DX grenzen toch best wezen.

 

 

 

 

 

Conclusie

 

Ik denk dat we er met de korte 80 - 20 duoband antenne een aardige mogelijkheid bij hebben om binnen de grenzen van ons overbevolkte landje toch zonder compromissen op de 80 en 20 meter band te kunnen werken en als bonus nog een vorm van QSB compensatie toe krijgen.

 

 

Nog enkele definities.

 

Bandbreedte

Voor de bandbreedte (in kHz) heb ik de frequenties uitgerekend waarbij het reële deel van de impedantie gelijk is aan het imaginaire deel; ook bij L-C-R trillingskringen bepalen we immers op deze wijze de bandbreedte. We moeten ons echter bewust zijn van het feit, dat hoewel de impedantie op deze "- 3 dB punten" ca 1,4 maal de impedantie in resonantie is, dit geenszins geldt voor de SWR. Als we b.v. uitgaan van een antenne die in resonantie precies 50 Ohm is, dan blijkt de SWR op de "bandbreedte punten" opgelopen te zijn tot ca 2,6!

 

Antenne winst

Voor de antenne winst heb ik steeds het (laagste) maximum genomen in het stralingsdiagram en de waarde in dBi. Dit betekent niet, dat er geen andere maxima zouden zijn; ook in minder gunstige richtingen (bij de 20 m. antenne b.v. recht omhoog) kan nog een deel van de energie worden uitgestraald.

 

Elevatie

Voor de opstralingshoek (elevatie) heb ik het laagste punt genomen, waarbij de stralingsenergie gelijk is aan -3 dB t.o.v. het eerder genoemde maximum. Deze keuze volgt uit de wens om een zo reëel mogelijke inschatting te krijgen van de prestaties van de antenne; bij een gegeven stralingsmaximum is nog niet de breedte van de stralingslob bekend en willen we doorgaans weten hoeveel energie we nog onder een zo laag mogelijke hoek kunnen uitstralen als we een verre verbinding willen maken.

 

DX grenshoeken

Om onze kansen voor een DX verbinding te kunnen inschatten, kunnen we gebruik maken van de vele praktijkmetingen die de firma Rohde & Schwarz over de jaren voor ons hebben uitgevoerd. Een deel van de resultaten van deze metingen is al eens in de vorm van een nuttige set grafieken gepubliceerd geweest in Electron. Deze grafieken beschrijven de hoek waaronder signalen werden ontvangen (en het percentage van de tijd waarvoor dit geldt) van een zender die ver weg gelegen was (> 1500 km.), voor alle frequenties tussen de 3 en 40 MHz.

Ook enkele radioamateurs hebben soortgelijke metingen gedaan tussen de Engelse west- en Amerikaanse oostkust. De resultaten hiervan kwamen goed overeen met die uit de professionele metingen.

 

Voor dit verhaal herhaal ik slechts enkele getallen uit de bewuste grafieken. Voor de 80 m. amateur-band geldt dat voor 75 % van de tijd de ontvangst (=opstraal) hoek kleiner moet zijn dan 44 graden en voor 25 % van de tijd kleiner dan 38 graden. Voor de 20 m. band zijn deze getallen respectievelijk kleiner dan 17 graden voor 75 % en 7 graden voor 25 %. Waar van toepassing noem ik deze hoeken de "DX grenshoeken".

 

 

Bob J. van Donselaar,

mailto:on9cvd@amsat.org