Trefwoorden

 

Wonder quad

Ontmaskerd

Dipool

Inverted V

Wonder antennes ?

(Eerder gepubliceerd in Electron #7, 2003)

 

 

Inleiding

 

Over vele zaken in onze radio hobby zijn soms wonderlijke verhalen in omloop. De meeste sprookjes worden echter over antennes verteld omdat de voortplantingscondities nogal veranderlijk zijn en sommige onwaarschijnlijke constructies dan toch nog wel eens een aardige verbinding opleveren. Wonderantennes en verhalen daarover zijn echter gemakkelijk herkenbaar aan de wijze waarop deze worden aangeprezen in uitsluitend kwalitatieve zin (veel verbindingen mee gemaakt, geweldige rapporten gekregen) en het ontbreken van kwantitatieve informatie, hetzij uit modelberekeningen of uit veldmetingen. Met de huidige antenne simulatie programma's vallen dergelijke constructies echter snel door de mand nu we deze 'wonderen' vrij gemakkelijk kunnen ontmaskeren door te vergelijken met een bekende basisantenne, onder verder gelijke omstandigheden.

 

Onlangs zag ik in een van de andere radioamateur magazines weer eens zo'n juich verhaal over de wonderbaarlijke eigenschappen van ditmaal een Quad-antenne. Deze antenne is al langer bekend en wordt vaak in multiband constructies toegepast; meer antennes op hetzelfde raamwerk. Omdat ook in dit verhaal weer alle vergelijkingsmateriaal ontbrak voor een goede beoordeling, ben ik zelf maar eens achter de computer gaan zitten voor een eenvoudige model onderzoekje. Ik ben van mening dat als je met een antenne nabouw verhaal komt, je allereerst dient aan te tonen dat alle inspanningen en onkosten uiteindelijk de moeite waard zullen zijn.

 

Om e.e.a. na te rekenen gebruik ik voor antenne berekeningen graag het programma EZNEC, dat voor relatief weinig geld te koop is en waarvan tegenwoordig ook Windows-versies worden aangeboden. Voor vergelijkende onderzoekjes zoals deze modelleer ik de antennes dan boven gemiddelde aard-omstandigheden, met een geleiding van 5 milli-Siemens en een diŽlectrische constante van 13. Deze gegevens zijn echter alleen van belang als je zelf de berekeningen nog eens wilt nalopen.

 

 

Wonder-Quad

 

Voor het model ben ik uitgegaan van de beschrijving van de auteur, die de antenne op ongeveer een meter boven de grond positioneert. De Quad-antenne bestaat uit een kruisconstructie van isolerend steunmateriaal, waarbij de eigenlijke antennedraad langs de omtrek is gespannen. Een schets van zo'n antenne vinden we bijvoorbeeld in figuur 1: De gestileerde Quad-antenne.

 

 

 

 

Figuur 1: De gestileerde Quad-antenne

 

 

 

Als deze antenne wordt gesimuleerd met de juiste afmetingen om te resoneren op 14.2 MHz (zie figuur 1: in het oorspronkelijke artikel stonden de verkeerde maten), dan vinden we een aansluitimpedantie van 110 Ohm. Dit is een prettige waarde om naar 50 Ohm te transformeren, b.v. met een kwart lambda stub van 75 Ohm (wortel uit 110 x 50), denk om de verkortingsfactor (0.66 bij gebruik van RG59A coax).

 

 

Het Quad stralingsdiagram

 

De maximale antenne winst vinden we onder een opstralingshoek van 47 graden en in figuur 2 het stralingsdiagram wat hier bij hoort in de elevatierichting. In de azimutale richting onder de gunstigste opstralingshoek (45 graden) vinden we dan het stralingsdiagram als in figuur 3.

 

 

 

 

We zien hier dus een redelijke antenne voor lokaal gebruik. Voor DX-verkeer zal deze antenne minder voldoen omdat we hiervoor op deze frequentie een opstralingshoek nodig hebben tussen de 7 en 17 graden volgens de getallen die Rohde en Schwartz hierover in de jaren zeventig reeds publiceerde.

 

 

Ontmaskerd

 

Het sprookje over deze antenne wil echter dat juist voor mobiel DX-verkeer de Quad wonderen zou verrichten, terwijl we hier een gemiddelde antennewinst zien van -1.2 dBi.Een ander hardnekkig 'gerucht' wil, dat de Quad door zijn vorm een betere signaal / ruis-verhouding zou produceren dan menig andere antenne. Kijkend naar figuur 2 zien we dat voor signalen uit de niet gewenste richting (b.v. van recht omhoog) er nauwelijks enige verzwakking optreedt (ca 4.7 dBi antenne winst).Een signaal uit de DX-hoek moet hier dus4.7 - (-1.2) = 5.9 dB sterker zijn om met dezelfde signaal sterkte te worden ontvangen als de storing van omhoog. Dit is wederom bepaald geen mirakel te noemen. Voor deze antenne hebben we echter wel een nogal forse kruisconstructie moeten maken, die op het hoogste punt tot 8.8 m reikt. We zullen de constructie verder goed moeten tuien als het de eerstkomende storm moet overleven.

 

Let er wel op dat de Quad-antenne vaak wordt geconstrueerd als multi-band antenne, door op dezelfde kruisconstructie ook ruitantennes aan te brengen voor een of meerdere andere (doorgaans hogere) banden. De eigenschappen van de eerder geanalyseerde antenne zullen hierdoor enigszins worden beÔnvloed. De resonantie frequentie zal wat lager gaan uitvallen (reken op ca 1%) maar de maximale winst en het richtingsdiagram worden nauwelijks aangetast. Toch is het geluk hier een beetje met de constructeur, omdat de aansluit-impedantie wel stevig omlaag zal gaan: afhankelijk van het aantal mee aangebrachte hogere banden kan deze impedantie wel tot ongeveer de helft terug lopen zodat de additionele stubs dan kunnen vervallen.†††††

 

 

Dipool antenne

 

We kunnen ons afvragen hoeveel verbetering zo'n constructie ons nu werkelijk brengt in vergelijking met b.v. een simpele dipool antenne die we voor een reŽle vergelijking weer op 8.8 m. hoogte hangen en laten resoneren op 14.2 MHz. We vinden voor deze dipool op de aangegeven hoogte een aansluitimpedantie van 80.4 Ohm, die bij de meeste transceivers geen problemen zal opleveren met een SWR = 1.6bij directe koppeling aan een antenne aansluiting voor 50 Ohm.

Bij gebruik van coax als antennevoedingskabel dienen we natuurlijk wel een balun toe te passen of een mantelstroom smoorspoel, die de symmetrische antenne effectief isoleert van deze a-symmetrische voeding. Dit geldt voor alle symmetrische antennes en dus ook voor de eerder genoemde Quad (helaas 'vergeten' in het bewuste artikel).

 

 

Het stralingsdiagram

 

Het stralingspatroon in het verticale vlak vinden we voor deze dipool antenne op 8.8 m. hoogte in figuur 4 en in het horizontale vlak onder de nu gunstigste opstralingshoek (met 35 graden ruim 10 graden lager dan de Quad!) in figuur 5.

 

 

 

 

Dus toch een wonder?

 

Het valt ons op dat de simpelere dipool antenne (eenvoudiger constructie, geen extra stub-aanpassing) een hogere maximale versterking geeft dan de Quad antenne en bovendien gunstiger uitpakt onder de DX-hoek; de gemiddelde versterking tussen 17 en 7 graden elevatie is hier 2.0 dBi, dus ruim 3 dB hoger dan bij de Quad! We kunnen de zwakke DX stations dus beter ontvangen met een gewone dipool antenne.

 

De antennewinst recht omhoog is bij deze dipool antenne met een winst van 0.5 dBi bepaald laag te noemen. Een signaal uit de DX-richting mag derhalve 2 - 0.5 = 1.5 dB zwakker doorkomen als de storing om met dezelfde sterkte te worden ontvangen. We ontdekken derhalve dus dat de dipool een 5.9 + 1.5 = 7.4 dB betere prestatie zal leveren als ' ruisonderdrukker' dan de Quad antenne voor signalen uit de DX-hoek.

 

De conclusie luidt dus, dat je met minder moeite een betere antenne kunt maken en dat een eenvoudige dipool antenne nog zo gek niet is!

 

 

Inverted V

 

Omdat het misschien niet zo gemakkelijk is om de dipool mooi recht weg te spannen op de aangegeven hoogte, heb ik ook nog even berekend wat een 'inverted - V' antenne zou doen, indien deze ook weer met het voedingspunt op 8.8 m. zou liggen en resoneert op 14.2 MHz. De antenne draden heb ik onder een hoek van 45 graden†† weggespannen zodat we in feite een halve Quad overhouden zonder dat we een moeilijke kruisconstructie hoeven te maken. De halve tuiing van deze mast krijgen we dan bovendien ook nog 'cadeau'. Deze laatste antenne zal een aansluitimpedantie vertonen van 48 Ohm en deze kunnen we dus zeker direct via een 1 : 1 balun direct aansluiten op de 50 Ohm coax.

 

 

Het stralingsdiagram

 

Het stralingspatroon van deze antenne in het verticale vlak vinden we in figuur 6 en in het horizontale vlak onder weer een gunstigste opstralingshoek van 39 graden in figuur 7.

 

 

 

Voor de DX-hoek vinden we hier een gemiddelde antennewinst van - 1.5 dBi, en dat is vrijwel gelijk aan de waarde bij de volledige Quad uitvoering. Recht omhoog vinden we een antennewinst die het midden houdt tussen de Quad en de dipool antenne en daarmee ook weer wat gunstiger uitpakt voor de signaal / ruis-verhouding bij ontvangst van signalen onder de DX-hoek.

 

Ook hier geldt weer dat de eenvoudiger uitvoering weer wat beter is dan de ietwat complexere Quad.

 

 

Conclusie

 

Als eindconclusie kunnen we stellen dat het de moeite waard is om kritisch te blijven tegenover elk juich-verhaal (over antennes) als dat niet wordt onderbouwd met harde gegevens uit simulaties en/of metingen.

 

 

Bob J. van Donselaar

mailto:on9cvd@amsat.org