Antenneversterking 1
Het zal u niet vreemd zijn dat bij lange yagi's er altijd meer dB's worden geclaimed dan bij de broeders in de strijd, welke wat korter van afmeting zijn. Dat korter kan minder elementen inhouden, doch tevens duiden op een yagi met een kleinere spa tie tussen de elementen. Toch bestaat er een duidelijke definitie t.a.v. de zogenaamde korte of lange yagi; we komen er nog op terug. Ook heeft u vast wel gehoord van stations die met meer dan den antenne tegelijk werken. Dit zijn de z.g. groep- of stackantennes. Met deze antennesystemen is een zeer grote gain te halen zegt men . . . ! Is dat wel waar en is de investering in geld en tijd en wat er meer bijkomt wel de moeite waard? Wat zijn de consequenties m.b.t. de openingshoek en hoeveel dB's kunnen wij er werkelijk mee verdienen?
Dit zijn een aantal zaken die ik, naar mijn hoop, u tot tevredenheid uit de doeken kan doen in de hierna volgende artikelen. Ik ga mij daarbij niet overgeven aan diep theoretische beschouwingen, alhoewel die zeer zeker wel ten grondslag liggen aan het verhaal dat than gaat volgen. Veel is daarbij trouwens bij mij ook aan pure praktijkervaringen ontsproten. Een ieder mag gerust commentaar leveren op dit verhaal, zolang dit opbouwend gebeurt en men het geschrevene beschouwt in het kader waarin het gesteld werd. Het is al weer lang geleden dat een gezonde discussie CQ-PA sierde. In aansluiting op mzjn bijdragen gaat PAo000, Koos Stolk, verder met aanwijzingen omtrent her aan elkaar knopen van in faze gevoede antennes.
Wanneer wij in eerste instantie een enkelvoudige (gestrekte) dipool onder de loupe nemen, dan veronderstel ik dat bij diverse lezers een open deur wordt ingetrapt met de weergave van figuur 1. Voor onze leden en lezers en andere vrienden die (nog) aankomende experts zijn in de wondere wereld van de electro-magnetische- en andere krachtvelden, waarop de grondvesten van onze hobby steunen, het volgende.
Fig. 1. Dipool.
Daar waar het de invloedsfeer van radiogolven betreft kan eenvoudig een vergelijk gemaakt worden met de magnetische krachtlijnen die een permanente magneet omsluiten. Hetzelfde gaat op voor een electro-magneet, indien we deze voeden met DC; doch eveneens met een electro-magneet die met AC gevoed wordt. In het laatste geval draait alleen steeds, met de wisseling van de polariteit van de aangelegde spanning, tevens de polariteit van het veld om. Als we nu eens de ijzerkern uit de electro-magneet halen en de frequentie van de aangelegde spanning opvoerden, dan zal blijken dat ook zonder ijzer we nog steeds een electromagneet hebben en idem dito krachtlijnen veld! We zijn nu bij de luchtspoel aangekomen. Naarmate we de frequentie opvoeren zal een spoel, in resonantie op de aangelegde frequentie, steeds minder zelfinductie (minder wikkelingen) dienen te bevatten, zodat er een punt komt waarop het spoeltje uitgerekt wordt tot een rechte draad. (Ook een rechte draad heeft zelfinductie!) Op dit moment zijn we terug bij onze dipool, want dat ding is in feite nets anders dan een gestrekte draad met een zekere zelfinductie die in resonantie is op een bepaalde aangelegde frequentie. Tot zover de verklaring, in vogelvlucht, met betrekking tot het basis-stralingsdiagram van de dipool. Bij het toevoeren van HF energie vanuit de zender gaat de dipool dus een krachtlijnen veld creeren; bij ontvangst zal de dipool, gesneden door de aanwezige krachtlijnen, een gernduceerde spanning toevoeren aan de ontvanger.
Wanneer we de dipool en haar veld gaan vergelijken met het diagram in figuur 2, dan zien we onmiddellijk het verschil. Dit verschil wordt veroorzaakt door de toepassing van een tweede dipool, welke op een bepaalde afstand van de eerste dipool wordt geplaatst en al dan niet galvanisch met de eerste dipool is verbonden. Een ding is echter noodzakelijk: het tweede element dient uit-faze te worden gevoed. Dat dit electrisch kan, weten we van de van oudsher bekende LAZY-H antenne, maar ook, beter bekend op twee-meter, van de modernere tegenhanger, de HB9CV. De voeding van een of meerdere elementen kan echter ook langs inductieve weg plaatsvinden en wel op de methode die Dr. YAGI uit Japan ons, vele jaren geleden, aan de hand heeft gedaan. Bij het yagi-systeem wordt een element gevoed (de dipool) en worden de andere elementen inductief gekoppeld. We spreken dan van "paracitaire elementen".
Fig. 2. 2 Elements beam.
De yagi-antenne heeft in vrij korte tijd een stormachtige ontwikkeling doorgemaakt. Heden ten dage kennen wij diverse uitvoeringen, die al naar gelang hun toepassing specifieke eigenschappen vertonen. In onze amateurwereld onderscheiden we een drietal typen, welke veelvuldig gebruikt worden. Dit zijn de zg. "korte yagi", de "lange yagi" en de "log-periodische yagi". Het laatste type zullen we op dit moment buiten beschouwing laten. Zeker in Europa geniet dit ontwerp nog niet zoveel bekendheid, ook al omdat de afmetingen van deze multi-band beam vergeleken bij de eerste twee typen aan de forse kant zijn.
Wat de "korte yagi" aangaat: dit is het type beam dat de meeste constructeurs (commercie en amateur) het meeste aanspreekt. Het woord "kort" slaat hier op de spatie tussen de elementen en wel in het bijzonder tussen de dipool en directoren underling. Is de spatie minder dan een kwart Lambda tussen de elementen, dan spreken we van een "korte yagi"; is de spatie groter dan een kwart Lambda, dan spreken we van een "lange yagi". Om dus allereerst een misverstand uit de weg te helpen: een yagi met bijy. 3 elementen kan best een "lange yagi" zijn, terwijl de meeste twee-meter beams, al zijn ze 6 meter Lang, niet perse onder dezelfde noemer behoeven te vallen, maar in de meeste gevallen zelfs een duidelijke "korte yagi" zijn qua ontwerp. Wat is nu het essentiele verschil tussen de lange en korte yagi's? We spraken in eerdere instantie over het feit dat de yagi-antenne behalve de dipool, voor haar reflector en directoren, inductieve koppeling toepast. Het zal een ieder duidelijk zijn dat een element vlak op de dipool een sterkere koppeling ondervindt dan een element dat verder weg staat van de dipool. We weten ook dat bij toename van de koppelfactor er een daling van de Q plaatsvindt. Het gevolg van dit alles is dat een "korte yagi" een lagere Q bezit en daardoor veel breedbandiger is dan de "lange yagi", waar zg. "kritische koppeling" wordt toegepast. De "lange yagi" is dus een duidelijke smalbandige antenne. Het spreekt vanzelf dat een smalbandige antenne een hogere gain zal bezitten dan een breedbandversie. Typische voorbeelden zijn een breedbandantenne voor twee meter met 5 elementen die "slechts" 8,5 dB haalt, terwijl een "lange yagi" met maar drie elementen tot dezelfde gain kan komen! In het eerste geval zal een groot gedeelte van de 2 MHz band kunnen worden bestreken zonder dat de SWR uit de hand loopt; de gain blijft daarbij redelijk cow stant! In het tweede geval zal slechts een gedeelte van de band, rond de resonantiefrequentie, kunnen worden bestreken. Daarbuiten loopt de SWR snel op en neemt de gain even zo snel af! Een compromis tussen de "korte" en de "lange" yagi is het ontwerp waarbij de eerste directoren zeer dicht bij de dipool geplaatst worden. Dit levert dan de gewenste koppeling op voor een redelijke breedbandigheid. De directoren verder naar voren worden dan met steeds groter wordende spatie gemonteerd. Zowel voor beams voor HF, alsmede VHF/ UHF, wordt veel gebruik gemaakt van deze laatste methode. (Mosley 5 el. 20 meter, Para-beam 14 el. en Tonna 16 el. 2 meter.)
Resumerend:
- Een "korte yagi" is een beam waarbij de spatie tussen de directoren overwegend kleiner is dan ¼ Lambda op de werkfrequentie.
- Een "lange yagi" daarentegen heeft een spatie tussen de directoren die gelijk of groter is aan ¼ Lambda op de werkfrequentie.
- De boomlengte heeft dus niets te maken met bovenstaande begrippen, alhoewel natuurlijk een yagi met 5 el. op twintig of 16 el. op twee bepaald lang genoemd mag worden, hi!
- Een "korte yagi" haalt bij eenzelfde aantal elementen t.o.v. een "lange yagi" minder gain. Daarentegen is de "korte yagi" bruikbaar over een breder frequentiespectrum dan de "lange" uitvoering.
Al een paar maal is de kreet "gain" gevallen. Laten wij eens ingaan op het begrip gain - versterking dus. Is het eigenlijk niet vreemd dat we überhaupt over versterking kunnen en mogen spreken?
Laten we hiervoor teruggaan naar figuur 2. We zien hier de duidelijke verandering die heeft plaatsgevonden t.o.v. het stralingsdiagram in figuur 1. In figuur 2 gaat in de ene richting veel minder energie aan straling, terwijl aan de andere kant het surplus wordt overgeheveld. Indien we uitgaande van figuur 1 de beide lobben, loodrecht op de dipool-as, op 0 dB elk stellen, dan zien we in figuur 2 dat in een richting een praktische verdubbeling van energie heeft plaatsgevonden. Onder aftrek van enig verlies dus een toename van 2,5 dB. Dit speelt niet alleen in horizontale vlakken, doch ook in het vertikale vlak. Figuur 1 op zijn kant geeft u n.l. tevens het vertikale stralingsdiagram van de dipool. In totaal, met een director voor de dipool of een reflector achter de dipool, is een "gain" te behalen van ca. 5 dB. Gain ontstaat dus door bundeling van de uitgestraalde energie, zowel in het horizontale als in het vertikale vlak. Bij een ideale onderdrukking (overheveling) is met 2 elementen een gain haalbaar van 6 dB (3 dB hor. en 3 dB vert.). Dit blijft echter theorie, want door een aantal oorzaken blijft wat energie de ongewenste richting uitgaan. Het is echter niet zo dramatisch als in het voorbeeld, want met twee elementen is 15 dB een goed te realiseren waarde en 20 a 25 dB V/A voor antennes met meer directoren ook haalbaar.
Dit was dus het begrip "voor-achter verhouding". Nog een ding hierover.
Door a-symmetrie in beamopbouw of voedingswijze zal de energie die achter uit de beam komt geen gedefinieerd patroon bezitten. Meestal zijn het meerdere kleine lobben en ook de verhouding tussen horizontaal en vertikaal uitgestraalde energie is zoek. U zult allemaal wel eens bemerkt hebben dat op de achterkant van een horizontaal opgestelde yagi zeer duidelijke punten zitten, waarbij vertikale polarisatie in het voordeel is. Zoals gezegd: dit is een kwestie van bouw van de antenne, de voedingswijze, maar niet in de laatste plaats allerlei omgevingsinvloeden!
Dat we dus door bundeling van de straling (het veld) quasi gain verkrijgen zal nu wel duidelijk zijn. Om nu een lang verhaal kort te maken: het is zo dat verdubbeling van het aantal directoren steeds een halvering te zien geeft van het stralingsdiagram. Bij deze halvering behoort automatisch een praktische gaintoename van 3 dB.
Zo kunnen we dus aan de hand van dit gegeven een lijstje samenstellen van de te verwachten richtwaarden voor de gain bij toename van het aantal elementen.
| dipool | 0 dB |
| dipool + reflector | 5 dB (2 el. beam) |
| dipool + director | 5 dB (2 el. beam) |
| dipool + reflector en director | 8 dB (3 el. beam) |
Afhankelijk van de optimalisatie van de yagi qua gain/bandwidth product kunnen deze cijfers wat schommelen. Ook geeft een fabrikant van antennes graag de theoretische gain op. Dit is de vergelijking van de gain van zijn aangeprezen antenne t.o.v. een denkbeeldige di-pool in de vrije ruimte (los van aardse invloeden). Als we alleen even naar de richtwaarde van een 16 el. beam kijken, dan zien we meteen dat de opgegeven waarde van ca. 17 dB gain voor buy. een Tonna yagi afgezet is tegen de standaard van de dipool in de vrije ruimte (isotroop). Aangezien wij als aardse stervelingen niet tussen de sterren wonen, zullen we dus als consequentie wel een paar dB's in mindering moeten brengen om tot de praktijkwaarde te komen waar wij mee kunnen en mogen rekenen. (Overigens niets ten nadele van je voortreffelijke produkt, Hans Schaart! Ik vernam net uit de USA dat daar de 16 el. Tonna qua performance onlangs werd bekroond met een eerste prijs. Dat zegt voor een niet-Amerikaans produkt daar heel wat!)
Goed, hoe kunnen we nu de antenne-gain nog verder opvoeren. Van 16 naar 32 el. op een boom? Voor 3 dB lijkt dit een wat onzinnige aktie, want als we met 16 el. al op zo'n 6 meter boomlengte zitten . . . Toch is 3 dB voor de DX jager niet te versmaden, alhoewel de gelegenheids DX'er het nauwelijks een argument zal vinden. Tenslotte, als er "condities" zijn . Toch is dit niet waar. Ook gedurende supercondities blijft DX wat het is, n.l. DX. Is er onder normale propagatie een werkbare afstand van bijv. 200 km, dan zal diezelfde werkbare afstand bij goede condities misschien 1200 km bedragen! Met 3 dB extra zult u beide werkbare afstanden net wel kunnen halen en zonder die drie dB mogelijk net niet! Daar zit hem nou juist de kneep! De gelegenheids DX'er die met 150 km en 1000 km dik tevreden is mag dus hier "afhaken"; voor hen die het onderste uit de kan willen hebben gaan we verder, hi.
Het ziet er naar uit dat boomlengtes van ca. 12 meter niet meer zo praktisch zijn. Daar zullen we het wel snel over eens worden. Wat dacht u overigens van twee antennes naast of boven elkaar? Alhoewel we nu de toegevoerde energie vanuit de zender over twee antennes gelijkelijk verdelen, is het mogelijk om, indien de twee antennes op een zekere afstand van elkaar worden geplaatst, door overlappingen van beide stralingsdiagrammen, toch een gainvermeerdering te behalen van ca. 3 dB. We kunnen de antennes "paren", d.w.z. naast elkaar plaatsen, maar we kunnen ze ook boven elkaar plaatsen. In dat geval spreken we van "stacken" of "stapelen". In beide gevallen scoren we 3 dB winst. Maken we een groep van 4 antennes, twee gepaard en twee gestapeld, dan bedraagt de totale winst 6 dB. Dat is wat u mag verwachten van al uw geihvesteerde moeite en kosten. Dat dit soort groepen, opgebouwd uit grote yagi's, nogal monsterlijke vormen aanneemt en speciale eisen stelt aan uw constructieve vaardigheden en aan te schaffen rotor en hulplagers, is zeker niet iets wat u in de laatste plaats nog even moet "bekijken". Een goed oud-Hollands gezegde is hier wel degelijk van toepassing: "bezint eer gij begint"!
Een andere consequentie bij het groeperen van lange (grote) yagi's is dat de bundeling zeer scherp gaat worden. Dit is het geval voor zowel de horizontale als de vertikale bundeling. De bezwaren van te scherpe horizontale bundeling kennen we allemaal wel. Pas op grotere afstand "waaiert" de energie enigermate uit over een redelijk stuk aardoppervlak. Op de kortere afstand wordt de bundeling hinderlijk omdat slechts een zeer klein gebied wordt bestreken rond de beamrichting. Toch zal het zo zijn dat de amateur, die zich een dergelijk sterk richtsysteem bouwt, in principe meer in afstanden zal zijn gefnteresseerd. Desondanks blijft het een nadeel. We kunnen evenwel ook een groep opbouwen uit een aantal kleine yagi's. Het voordeel hiervan is dat uit constructief oogpunt een en ander ook eenvoudiger te realiseren is, maar bovendien kunnen we met een aantal kleine yagi's een groep opzetten die bij een hoge gain toch een redelijke openingshoek oplevert. Groepen met veel kleine yagi's komen dicht bij het systeem van de collineaire antennes. Dit type groep is zeer lang, in de beginperiode van het twee-meter gebeuren, in zwang geweest. Dat we ze nu niet meer zien (of haast niet meer) komt uitsluitend doordat het onderwerp antennes voor de gemiddelde amateur een taboe inhoudt qua zelfbouw en de collineair nu voor een handelsman niet bepaald het type antenne is dat met een minimum aan fabricagetoestanden in het Leven kan worden geroepen. Yagi's zijn hierbij zeer duidelijk in het voordeel wat fabricage-eenvoud betreft! Zodoende dus, maar niettemin blijft de collineair een zeer goede antenne, zodat we in het kader van deze artikelenreeks er nog op terug zullen komen. We zullen u overigens ook wat details geven voor de zelfbouw van een paar yagi's. Echt, het loont de moeite in kosten en resultaat!
Nog even terug naar de zeer kleine openingshoek van de groep met de grote yagi's. Laten we bijv. 4 × 16 el. van Tonna nemen. In den lande zijn er diverse amateurs die met een dergelijke groep werken. De gain van het totaal ligt zo rond de 20 dB, voorwaar geen kleinigheid! Nadelen zijn: door onnauwkeurigheden in de voeding van de vier yagi's (faze verschillen) kunnen er vrij krachtige zijlobben ontstaan. Dit is een probleem waar je heel moeilijk omheen kunt. Verder natuurlijk de vertikale openingshoek. Ik noem met opzet de vertikale openingshoek en niet in de eerste plaats de horizontale openingshoek. In het vertikale vlak schuilt namelijk een veelgeniepiger addertje onder het propagatie-gras! Wat is er namelijk aan de hand. Onder normale omstandigheden niets! De propagatie verloopt, behoudens het over een bepaalde afstand volgen van de kromming van de aardbol, volkomen rechtlijnig en wel vlak over het aardoppervlak. Alles wat naar boven gestraald wordt verdwijnt eenvoudig in de al dan niet blauwe oneindigheid. Zijn er echter "condities", d.w.z. propagatiewegen die open zijn buiten het normale om, dan wordt de zaak wat anders. Hier onderkennen we een aantal varianten, te weten:
| grond-inversies | duct-inversies op grotere hoogte |
| tropo-scatter | sporadische E-reflecties etc. etc. |
Indien we met de z.g. grond-inversies te maken hebben, iets wat we heel vaak meemaken, dan is de scherpe vertikale bundeling nog niet zo'n probleem. De inversie strekt zich qua hoogte meestal niet meer dan een kilometer boven het aardoppervlak uit. Meestal is het nog veel minder.
Hebben we te maken met tropo-scatter, dan zien we dat de propagatie zich al op een grotere hoogte boven het aardoppervlak afspeelt. Beginnend op zo'n 5 km hoogte loopt de propagatiehoogte nog ettelijke kilometers door. Heeft u nu een scherp gebundelde antenne in het vertikale vlak, dan zal het duidelijk zijn dat vele kilometers uw uitgezonden signaal zich moeizaam zal moeten voortplanten door een medium dat door geen verhoogde propagatie is behebt. Logisch dat u onnodig met signaalverlies te kampen heeft, zowel aan ontvangstals aan zendzijde.
Problematischer wordt het nog indien er van z.g. duct-vorming sprake is. Deze kan ontstaan op de grenslaag tussen twee sterk in temperatuur en vochtigheid van elkaar verschillende luchtlagen. De hoogte van de ductpropagatie kan zo tussen de 5 en 10 km plaatsvinden. Het vreemde van ductpropagatie is dat indien er een duct-geleiding boven uw locatie plaatsvindt, het helemaal niet zeker is dat u er ook van kunt profiteren. Het kan zijn dat het oosten van ons land met Schotland werkt, terwijl in het westen van het land geen signalen, of slechts zeer zwakke, te horen zijn. Dit heeft te maken met het feit dat het duct een supergeleider vormt en slechts onder een bepaalde hoek signaal accepteert danwel afstaat. Amateurs die dus op afstand het "begin" van zo'n duct aanstralen, of beluisteren, hebben doorgaans geen probleem. Amateurs die ergens halverwege zo'n duct-path zitten, hebben naarmate zij een scherpere vertikale bundeling hebben in hun antennesysteem steeds meer moeilijkheden om "aan boord" te komen. Ze stralen a.h.w. onder het duct door en pas op zeer grote afstand vindt hun energiebundel de juiste invalshoek om het duct binnen te komen. Ook hier dus weer veel signaalverlies. Had u in dat geval een antenne gehad met een grote vertikale openingshoek, dan was de duct-entry heel wat gemakkelijker geweest. Ik heb deze proeven zelf wel genomen onder omstandigheden dat een duct final over mij heen ging. Onder de laatste superpropagatie in het najaar van '77 hoorde ik Amsterdammers werken met Finland. In Drenthe, waar ik woon, was totaal niets te horen van de Finnen, ondanks dat A'dam ze kennelijk met S-9 sigs ontving! Ik moet daarbij opmerken dat mijn antenne een 16 el. Tonna is op ca. 20 meter vakwerkmast. Echter, wie schetst mijn verbazing dat op een simpel dipooltje, dat ik voor allerhande metingen gebruik, de Finnen wel doorkwamen! Concludeert u dus tijdens condities dat u er a.h.w. niet aan te pas komt, dan is het heel goed mogelijk dat met meer vertikale opening het wel zou lukken.
Ik ben derhalve van mening dat sowieso de antenne-gain zo hoog mogelijk dient te zijn voor optimale resultaten, maar ik ben gelijktijdig ervan overtuigd dat daarbij de vertikale openingshoek nooit te klein mag worden. Aan de praktijk getoetst betekent dit liever twee antennes naast elkaar dan bijy. twee antennes boven elkaar! Of in termen van een collineair te blijven: stack niet veel hoger dan vier dipolen en haal de gain uit het paren, het in de breedte werken dus.
Voor hen die overigens hun antenne vlak boven de grond hebben (vlak boven het dak is hetzelfde) speelt bovenstaande niet zo'n grote rol. Het optredende bodemeffect verpest de vertikale bundeling al wel zodanig dat voldoende energie onder een hoge opstralingshoek de antenne verlaat en deze lieden hebben dus een gelukje bij een ongelukje. Dat dit ten koste gaat van de totale gain behoeft geen betoog. Willen we het helemaal ideaal doen, dan maken we een zo scherp mogelijk gebundelde antenne die behalve in azimuth ook in elevatie instelbaar is. Niet alleen voor het werken met satellieten is dit een must, het kan ook zijn voordelen hebben onder andere omstandigheden.
Deel 1 - Deel 2 - Deel 3
PA0PRT