Trefwoorden

 

G5RV ontwerp

hoe goed?

matching sectie

balun special

totaal rendement

De multiband G5RV antenne

(Eerder gepubliceerd in CQ-QSO, # 9/10, 2006)

 

 

 

Inleiding

 

De G5RV antenne werd door Louis Varney (G5RV) beschreven in het Engelse radioamateur blad Radio Communications in juli 1984 en was een tweede beschrijving na eerdere publicatie in 1966 in het toenmalige RSGB-Bulletin. Eigenlijk is de G5RV een (kleine) variant op de Collins multiband antenne van voor de laatste wereldoorlog en zijn beide ontwerpen weer verbeteringen op de Levy antenne: een met open lijn gevoede dipool antenne die al ver voor de laatste wereldoorlog bekend was.

 

Sindsdien is deze antenne bij veel radio-amateurs toegepast, waarbij de fantasie over de 'juiste' uitvoering  vaak een 'vrije vlucht' heeft genomen. Ook zijn er 'verbeteringen' van dit ontwerp in omloop, bedacht door zowel amateurs als door 'professionals', die niet meer dan variaties op het thema inhielden en geen wezenlijke verandering brachten.

 

Door al deze aanpassingen en veranderingen heeft de G5RV antenne bij sommigen soms mythische proporties aangenomen die het ontwerp eerder in de sfeer van de 'wonder-antennes' terecht laten komen.  Het lijkt daarom de moeite waard om eens opnieuw naar het basisontwerp van Louis Varney te kijken en de antenne te analyseren met de middelen die ons op dit moment ten dienste staan.  

 

 

Het antenne ontwerp

 

Volgens het verhaal van G5RV werd de antenne ontworpen als een in het midden gevoede, symmetrische 'long-wire' antenne op de 20 meterband, waarbij de open voedingslijn werkt als een 1 : 1 impedantie transformator, geschikt voor aanpassing op 75 Ohm twinlead of 50 - 80 coaxiale voedingsleiding, met een lage SWR. Op alle andere banden fungeert de open voedingslijn als een aanpassingssectie om de wat 'wildere' antenne-impedanties naar 'aanvaardbare' waarden te transformeren voor aanpassing met een lage(re) SWR.

 

Uit deze beschrijving blijkt al dat de antenne alleen op de 20 m. band een echt lage SWR zal vertonen en dat op alle andere HF banden een echte antenne tuner nodig is om de lage(re) SWR binnen 1 : 2 te krijgen zoals deze vereist is voor de moderne transistor eindtrappen.

 

Verder zegt Louis Varney dat de antenne geschikt zou zijn voor alle HF banden, t.w. 80, 40, 30, 20, 17, 15, 12 en 10 meter en bovendien op 160 meter als bij deze laatste band de twee voedingsgeleiders worden doorverbonden en als enkelvoudig antenne element worden aangestoten, met een goede aarde als 'tegen capaciteit'. 

De antenne hoogte zou verder niet kritisch zijn en zou, hoewel de antenne ontworpen is voor een hoogte van 34 voet (10, 36 m.), nog uitstekende resultaten leveren op een hoogte van 25 voet (7,6 m).

 

Over de overgang van de gebalanceerde voedingslijn naar de ongebalanceerde coax zegt de auteur, dat een balun niet nodig is. Dit laatste wordt echter in hetzelfde artikel weer door hem tegengesproken wanneer hij beschrijft:

"Under certain conditions, either due to the inherent "unbalanced-to-balanced" effect caused by the direct connection of a coaxial feeder to the base of the (balanced) matching section, or to pick-up of energy radiated by the antenna, a current may flow on the outside of the coaxial outer conductor. This effect may be considerably reduced, or eliminated, by winding the coaxial cable feeder into a coil of 8 to 10 turns about 6in in diameter immediately below the point of connection of the coaxial cable to the base of the matching section." 

Dit laatste is de beschrijving van een 1 : 1 stroombalun, die in zijn eenvoudigste vorm ook wel mantelstroom smoorspoel wordt genoemd.

 

Het is om meerdere redenen altijd verstandig om een goede balance-to-unbalans transformator (balun) toe te passen op elke overgang van een symmetrisch naar a-symmetrisch systeem wanneer we prijs stellen op de werking van de symmetrische kabel (common-mode stroom onderdrukking), en dus passen we bij de G5RV antenne toch maar altijd zo'n balun toe.

 

Over de navolgende coax kabel zegt Louis dat deze elke impedantie mag hebben tussen 50 en 80 Ohm omdat deze op alle banden, behalve de 20 m. band, toch een 'tamelijk hoge SWR' zal zien. Hij verwacht echter dat deze hoge(re) SWR geen grote verliezen zal opleveren mits de coax van goede kwaliteit is en van redelijke lengte, b.v. niet langer dan 70' (21,3 m.).

Uit mijn verhaal "Waar blijft de PEP" weten we echter dat systeemverliezen hoog kunnen oplopen in niet-afgesloten coax kabels en daarom dient dit stuk voedingslijn bij de G5RV antenne zo kort mogelijk te blijven.

 

In figuur 1 zien we de originele G5RV antenne.

 

De spanwijdte van de antenne is dus 102' of 31,1 m. Louis Varney stelt hierbij dat aan ieder zijde ca 10' of 3 m. niet in een horizontale positie hoeft te zijn, omdat bij resonante antennes de meeste straling toch komt vanuit de middelste 2/3 van de antenne. Het lijkt me verstandig om deze uitspraak met enige voorzichtigheid te hanteren, omdat het zeker waar is voor half-golflengte antennes maar minder indien er meer dan een halve golflengte op past zoals hier het geval is vanaf de 20 meter band. 

 

Het antennegedrag

 

In deze tijd zijn er veel programma's beschikbaar waarmee het gedrag van antennes en voedingslijnen kan worden berekend. Voor de berekeningen van deze antenne heb ik gebruik gemaakt van het antenne berekenings-programma EZNEC en het transmissielijn programma TLW. De impedantie- en verdere berekeningen zijn gedaan met elementaire standaard formules, waarbij EXCEL een handig programma blijkt om deze mee uit te voeren.

 

Om een goede indruk te krijgen van het gedrag van de antenne, heb ik voor elke HF-band een dipool antenne bekeken, die op dezelfde hoogte (10 m.) en boven dezelfde grondsoort (5 mS, ε = 13) werd gemodelleerd als de te onderzoeken antenne. Deze referentie-dipool werd ontworpen om te resoneren in het midden van de betreffende band en vertoont hier dan ook geen reactieve component. De impedantie van zo'n 'standaard dipool' hoeft echter niet precies 50 Ohm te zijn, en zal variėren met de antennehoogte boven de grond, gemeten in golflengten,  en daarom variabel zijn bij onze modelleerhoogte van 10 m.

Leggen we de G5RV op elk bandmidden naast onze standaard dipool, dan ontstaat de volgende tabel (tabel 1):

 

 

 

dipool

 

 

G5RV

 

 

 

f

gain

opstraalh.

SWR

max. gain

opstraalh.

SWR

SWR

MHz

dB

graden

re 50

dB

graden

re 50

re 300

3,65

7,15

90

1,3

6,87

90

108,6

32,6

7,05

6,46

68

1,4

7,24

68

53,6

9,5

10,15

6,32

42

1,6

8,66

42

83,5

14,1

14,175

7,3

29,5

1,4

6,56

29,5

2,7

3,3

18,11

7,95

23

1,2

9,76

23

60,4

10,1

21,225

7,56

19,5

1,4

10,93

19,5

70,0

12,9

24,95

7,14

17

1,6

10,65

15

11,4

3,4

28,75

7,43

14,5

1,5

10,52

15

53,5

8,9

 

Tabel 1: Antennewinst en opstraalhoek in vergelijking met een 'standaard dipool'

 

 

In tabel 1 vallen een aantal zaken op.

Als eerste zien we dat een 'gewone', resonante dipool antenne helemaal niet zo slecht is: de antenne winst is goed en rond 7 dBi op elke HF-amateurband. Indien we deze antenne aansluiten op een coaxkabel met een karakteristieke impedantie van 50 Ohm (natuurlijk via een balun), dan blijkt de SWR gerieflijk laag te zijn en geschikt voor directe aansluiting op een getransistoriseerde zender eindtrap. Dat laatste blijkt waar te blijven over de hele betreffende HF-amateurband, behalve voor de 80 m. band, die relatief breed is. Kortom, een resonante dipool antenne is een goede, monoband oplossing en bovendien kunnen een aantal van deze monoband antennes direct parallel worden geschakeld op dezelfde balun om zo op meer banden te kunnen zenden en ontvangen. Zo'n verzameling wordt wel een 'spinnenweb' of  'kattensnor' antenne genoemd.

 

Vergelijken we de antennewinst van de standaard dipool met de G5RV antenne, dan zien we dat deze winst op alle banden vrijwel gelijk is en op de hogere banden (> 14 MHz) zelfs nog iets hoger wordt omdat er dan meerdere golflengtes op de antenne gaan passen, die meedoen met het stralingsdiagram.

 

Als derde opvallende punt zien we dat de elevatiehoek voor de maximale antennewinst van beide antennes vrijwel gelijk is. Het moge duidelijk zijn dat dit geen toeval is en heeft alleen te maken met de hoogte boven de grond en het grondtype. Dit is voor beide antennes gelijk en dus vinden we gelijke opstralingshoeken bij de maximale antennewinst.

 

Let op: Hoewel de opstralingshoeken voor de maximale antennewinst gelijk zijn, hoeft dit niet te gelden voor de maximale stralingsrichting. Bij de hogere banden passen er meerdere  golflengtes op de G5RV antenne waardoor het totale stralingspatroon meer lobben zal vertonen (en meer diepe 'nullen' daar tussenin) dan de 'standaard dipool' en waardoor de hoofd stralingsrichting niet meer loodrecht op de antenne staat.

 

Het volgend dat we uit de tabel kunnen leren, is dat SWR (t.o.v. 50 Ohm) van de G5RV beslist ongunstiger is dan bij de dipool antenne, behalve misschien op 14,175 MHz, waarvoor de G5RV in eerste instantie was bedoeld. Als we naar de naastliggende kolom kijken dan zien we dat de aanpassing op 300 Ohm beslist vriendelijker uitpakt. Als een (dipool-) antenne niet in resonantie wordt bedreven is het i.h.a. beter om een hoog-ohmige voedingslijn (open lijn) te kiezen omdat door de (dan) lagere SWR ook de verliezen hierin veel lager zullen zijn.

 

 

De aanpassingssectie  

 

Het tweede karakteristieke element van de G5RV antenne is de aanpassingssectie. Ik heb deze gemodelleerd als een stuk lintlijn van 300 Ohm, 8,5 m. lang, met de juiste snelheidsfactor (vf). De verliezen in een dergelijke transmissielijn liggen op ca 0,6 dB / 100 m., en dat is heel wat lager dan in een goede coaxiale kabel (b.v. RG213: 1,2 dB/100 m.).  Het is interessant om te zien wat er gebeurt in deze sectie, zowel wat de 'impedantie transformatie' betreft als de hierin optredende verliezen. Deze zaken vinden we in tabel 2.

 

 

 

G5RV antenne

 

na 8,5 m. 300 Ohm

 

 

f

SWR

SWR

verlies

SWR

SWR

SWR

MHz

re 300

re 50

dB

re 300

re 70

re 50

3,65

32,6

108,6

1,12

25,2

5,9

4,2

7,05

9,5

53,6

0,23

9,1

4,7

5,4

10,15

14,1

83,5

0,71

12,0

28,0

38,2

14,175

3,3

2,7

0,19

3,2

2,0

2,6

18,11

10,1

60,4

0,5

9,1

19,7

26,9

21,225

12,9

70,0

0,86

10,6

7,3

8,8

24,95

3,4

11,4

0,24

3,2

1,4

1,9

28,75

8,9

53,5

0,63

7,8

32,3

45,2

 

Tabel 2: De aanpassingssectie

 

 

Kijken we eerst naar de vierde kolom met de kabelverliezen. We zien hier dat ondanks de hoge kwaliteit van de kabel er toch enige verliezen ontstaan en wel des te meer naarmate de SWR hoger is; we zagen dit al uitvoeriger behandeld in het verhaal "Waar blijft de PEP".

De hoogste waarde (1,12) vinden we op de 80 m. band, omdat hier ook de hoogste staande-golf verhouding optreedt (SWR: 1 : 32,6). Deze kabeldemping moge gering lijken, maar betekent toch dat bij een 'aanvoer' van 100 Watt, hierin al 23 Watt verloren gaat.

 

Als volgende valt op dat de SWR t.o.v. 300 Ohm aan het einde van de sectie nauwelijks is veranderd t.o.v. de SWR aan het begin (5e t.o.v. 2e kolom); in een verliesvrij transmissielijn systeem veranderd de SWR ook niet tussen het begin en het einde van de lijn. Dat we toch een klein verschil zien komt door de lijn verliezen; hoe hoger deze verliezen, hoe groter het SWR- verschil tussen het begin en het einde van de lijn.

De SWR t.o.v. 50 Ohm is echter wel veranderd, vergelijk maar eens de laatste met de derde kolom. De impedantie-transformatie van de aanpassingssectie heeft hier zijn werk goed gedaan omdat de SWR nu drastisch is verminderd; bij 3,65 MHz. van 1 : 108,6 naar 1 : 4,2! Deze verbetering geldt voor alle banden, al is het effect minder dramatisch op de 30, 17 en 10 m. banden.

Vergelijken we de laatste twee kolommen, dan zien we dat het inderdaad weinig uit maakt of we vanaf de aanpassingssectie verder gaan met een 50 Ohm of een 70 Ohm transmissielijn; de gunstige (en minder gunstige) transformaties verschillen nauwelijks.

 

 

De balun sectie.    

 

Zoals we eerder zagen, dienen we op de overgang van de symmetrische sectie naar de coaxiale voedingslijn een balans-naar-onbalans transformator toe te passen. In andere artikelen werd deze component uitvoerig behandeld (zie Balun) en waren de voorbeelden steeds gekozen voor een 50 Ohm systeem.

Zoals we echter in het vorige deel al zagen is op het overgangspunt de SWR t.o.v. 50 Ohm ongelijk aan 1 : 1. Wat dit betekent voor de impedanties op dit punt vinden we in tabel 3. 

 

 

f

SWR

Rs

Xs

Zt

MHz

re 50

Ohm

Ohm

Ohm

3,65

4,2

11,9

-4,60

12,76

7,05

5,4

35,4

-77,79

85,47

10,15

38,2

51,4

305,30

309,60

14,175

2,6

96,45

-52,10

109,62

18,11

26,9

62,1

-278,00

284,85

21,225

8,8

31,7

102,70

107,48

24,95

1,9

92,8

16,79

94,31

28,75

45,2

856

1096,00

1390,67

 

Tabel 3: Impedanties op de aanpassingssectie.

 

 

In tabel 3 zien we de SWR t.o.v. 50 Ohm terug uit de vorige tabel, maar nu met de werkelijke impedanties die deze staande-golf verhouding veroorzaakten. Kijken we naar de laatste kolom, dan is het duidelijk dat de totale impedantie op dit punt over het algemeen (veel) hoger is dan 50 Ohm. In het eerder genoemde artikel over de balun konden we lezen dat de eigen impedantie van de balun vier maal of meer hoger moest zijn dan de systeem impedantie. Passen we dit toe op de informatie uit de 5e kolom van tabel 3, dan zien we dat de balun impedantie ca 1200 Ohm (of meer) moet zijn op 10,15 MHz. We mogen dan verwachten dat het op de andere frequenties ook goed zal gaan hoewel we bij 28,75 MHz. misschien alsnog een probleem krijgen omdat de (4C65-)ferriet eigenschappen dan gaan afnemen.

     

Uitgaande van 1200 Ohm op 10,15 MHz, moet de balun dus een zelfinductie hebben van ca 19 μH. Een 36 mm., 4C65 ferriet ringkern heeft een windingfactor van 170 nH, dus hebben we:  n = wortel(19/0,17) = 11 wdg. nodig. Dit lukt niet meer met deze kerngrote  en RG58 coax.

 

Gebruiken we echter twee gestapelde ringkernen van die afmeting, dan mogen we de windingfactor verdubbelen (eigenlijk twee spoelen in serie) en komen we uit op n = wortel (19/0,34) = 8 wdg., en dit is geen probleem, zoals we in de andere artikelen al zagen. Met twee kernen gaat het maximaal toegestane vermogen in deze component naar 8 Watt, voor een temperatuurverhoging van 30 °C.

 

 

Het antenne rendement

 

Hoe de antenne zich in de praktijk zal gedragen hangt af van een aantal factoren, waarvan we de meeste al hebben onderzocht in de voorgaande paragrafen. We kunnen deze en de nog ontbrekende nu uitrekenen en het resultaat vinden we dan in tabel 4. Hierbij wordt er vanuit gegaan dat de transceiver een vermogen van 100 Watt. ontwikkelt op elk van de genoemde frequenties.

 

 

 

 

 

verlies in

 

 

 

ontvangst

 

dipool

G5RV

aanpas

verlies in

verlies

vermogen

re tuned

f

max. gain

max. gain

sectie

tuner

in balun

in antenne

dipool

MHz

dBi

dBi

W

W

W

W

S-punt

3,65

7,15

6,87

22,5

1,14

0,0

76,4

-0,2

7,05

6,46

7,24

5,1

1,37

0,3

93,3

0,1

10,15

6,32

8,66

13,9

4,28

3,6

78,2

0,2

14,175

7,3

6,56

4,2

0,69

0,4

94,7

-0,1

18,11

7,95

9,76

10,2

2,50

4,0

83,3

0,2

21,225

7,56

10,93

17,3

1,83

2,0

78,9

0,4

24,95

7,14

10,65

5,3

0,69

0,8

93,2

0,6

28,75

7,43

10,52

10,2

3,84

20,8

65,2

0,2

 

Tabel 4: Het totale G5RV rendement t.o.v. een 'standaard dipool'.

 

 

In tabel 4 kijken we allereerst naar het vermogen in de balun, de zesde kolom. Hoewel deze balun tot 8 Watt kan dissiperen zien we dat het vermogen op de tien meter band te groot wordt; dit is het directe gevolg van de hoge SWR die op deze band optreedt, waardoor de impedantie te hoog wordt op het einde van de aanpassectie. Bijgevolg wordt ook de spanning op de balun al te hoog bij een systeemvermogen van 100 Watt, en daardoor ook het hierin gedissipeerde vermogen. Omdat steeds met een continu vermogen wordt gerekend zou op 10 m. nog wel met enkel-zijband mogen worden gewerkt, maar toch niet voor langere doorgangen. Op alle andere banden is de balun een geschikte component.

 

In de tabel vinden we de systeemverliezen in de aanpassectie (de 8,5 m. lintlijn van 300 Ohm), het verlies in de tuner (waarbij een laagdoorlatend, L-type is gekozen met een goede kwaliteit spoel (Q = 200) en condensator (Q = 1000)) en het verliesvermogen in de balun. Tenslotte vinden we in de zevende kolom het vermogen dat uiteindelijk in de antenne zal worden ontwikkeld.

 

Hoe de antenne verder zal presteren, hang af van het vermogen en ook van de antenne winst. Daarom is in de laatste kolom een vergelijking opgenomen van de G5RV antenne met de 'standaard dipool' die we al eerder noemden en waarvan de antennewinst is weergegeven in de tweede kolom. Het getal laat zien hoe een ontvangend station de G5RV zal ervaren (S-punt) t.o.v. de 'standaard dipool' antenne, indien aan de zenderkant snel tussen beide antennes zou worden omgeschakeld.

In deze vergelijking zijn ook de systeemverliezen opgenomen in alle delen van de keten (tuner, balun, aanpassectie), zowel voor de G5RV als voor de 'standaard dipool' antenne. We mogen deze vergelijking maken, omdat we eerder ook al zagen dat de opstraalhoeken voor de maximale antenne winst van beide antennes op elke band precies gelijk zijn, hoewel de hoofdstraal richtingen kunnen verschillen.

 

In de laatste kolom zien we dat de G5RV antenne op de meeste HF-banden een vergelijkbaar signaal zal produceren als de 'standaard dipool', en in de hogere banden zelfs nog iets beter. Hiermee is de G5RV een goede antenne waarmee met eenvoudige middelen een groot aantal HF-banden bereikt kan worden, zeker indien voldoende aandacht aan de balun wordt besteed.

 

Let op: Omdat de lengte van de voedingskabel tussen de balun en de tuner niet bekend is, is deze niet opgenomen in tabel 4. Als de SWR hoog wordt, zoals op de 30, 17 en 10 m. banden, en de kabellengte meer dan enkele meters, dient er toch rekening te worden gehouden met een zeker vermogensverlies in deze voedingskabel, zeker op de hogere frequenties.

 

In het proces heb ik ook enkele varianten van deze antenne doorgerekend, waaronder die van ZR1DQ, maar de verschillen bleken marginaal, zoals in de inleiding al werd vermeld.

 

Bob J. van Donselaar

mailto:ON9CVD@AMSAT.org