Gewoon is al moeilijk genoeg
In speciale antennenummers treft u meestal een aantal exotische antennes aan. Dat doen we deze keer eens niet, want keer op keer blijkt dat het goed werkend krijgen van 'gewone' antennes al moeilijk genoeg is. Het begint er al mee dat vrijwel iedere amateur te maken heeft met beperkingen - meestal van ruimtelijke aard - en daarin voorziet de theorie niet echt. Zouden wij allemaal een royaal landgoed ter beschikking hebben dan kon dit artikel kort blijven.
Het mooiste is het als we ruimte hebben - en hoogte kunnen maken - om die dipool voor 80 of 160 m volledig uit te spannen op minimaal ½λ boven de grond. Zij die dat kunnen hebben dat vast al gedaan. OM's met minder ruimte/hoogte zullen een compromis moeten zoeken, maar eerst moeten afwegen of ze lokaal willen werken of DX-en.
Lokaal werken is mogelijk op 160, 80 en 40 m met een antenne die omhoog straalt en dat kunnen we bewerkstelligen met een horizontale antenne die te laag hangt. Velen zullen echter geen ruimte hebben om de tweemaal 19,25 m voor 80 uit te spannen. We kunnen dan drie dingen doen (fig. 1):
- De beide stralers korter maken, maar dan is het raadzaam om de antenne met een 'open lijn' te voeden en een antennetuner te gebruiken.
- We kunnen ook de einden van de twee stralers onder een hoek van 90° opzij of naar beneden ombuigen. Een lets minder mooie SWR zal het gevolg zijn.
- We houden de antenne 'op lengte' en spannen hem schuin of als 'sloper' of 'inverted V'. Door het schuin afspannen gaan deze antennes ook een vertikale component vertonen waardoor er op de lage banden beter mee te Dλ-en is als met een te lage dipool.
Fig. 1.
Het inkorten (dit geldt voor ALLE antennes) leidt in de praktijk tot verminderde prestaties van een antenne.
In principe is met een dipool ook goed te werken op andere frequenties dan de ontwerpfrequentie, mits open lijn wordt gebruikt voor de voeding en mits een goede antennetuner wordt geInstalleerd. Het gebruik van 'traps' in de antenne is een methode om een antenne op meerdere banden te kunnen gebruiken en ook daar wordt een antenne wat korter door. De W3DZZ is 'n bekend voorbeeld van een trap-antenne. Een antenne is niet alleen op de werkfrequentie, maar ook op de harmonischen daarvan in resonantie. Echter: de impedantie ligt dan niet meer in de buurt van de 50g. Daar is wel wat aan te doen. Met 'open lijn voeding' en een tuner is er geen enkel probleem. Een tuner binnen en een coax naar de antenne geeft vrijwel altijd bedroevende resultaten . . . maar we kunnen de coaxkabel zelf benutten als impedantietransformator.
Stel u voor: een 80 mtr dipool, gebruikt voor 40 mtr.
Vanuit het midden ziet u twee halve golfstralers en de antenne is derhalve zeer hoogohmig in het voedingspunt. Een stuk coax met een elektrische lengte van ¼λ transformeert van zeer hoog- naar zeer laagohmig. Laten we daar maar eens mee beginnen. Elektrische lengte = ¼ × 40 m = 10 m. Verkortingsfactor RG58 = 0,66. Er moet dus een stuk van 6,60 m tussen set en antenne worden aangesloten. In de praktijk is dat wat kort om zender en antenne te verbinden maar geen nood want een stuk kabel van 1/2λ tang transformeert niet en dus kunnen we de kabel met 13,20 m extra verlengen en als de totale lengte van inmiddels 19 meter 80 nog niet tot in de shack reikt kan nogmaals met 13,20 m worden verlengd.
Met 19,80 m bereikte ik (PA3FFZ) de zender met gemak. De SWR werd gemeten: 1:4. Nu ben ik geen SWR-fanaat maar dit was toch iets te hoog. SWR 1:4 wil zeggen dat de aangesloten impedantie of 4x groter, of 4x kleiner is dan de 50 Ω SWR-meter. Uit de theorie wist ik al dat door de kabel van heel hoog naar heel laag wordt getransformeerd dus houd ik het maar op een impedantie van 50:4 = 12,50. Met een impedantietrafo van 1:4 achter de set is ook dit probleem opgelost.
Weer veel mogelijkheden:
- Transformeren met coax. Zk = √Zin×Zuit = √12,5 × 50 = √625 = 25 Ω.
Met een elektrische lengte van ¼λ en 25 Ω kabel is de zaak rond en de SWR gezond. - Met een PI-filter lukte het ook. Aan de condensatoren worden hoge eisen gesteld; bij 100 W loopt door de C's een flinke stroom. De spanningen zijn laag.
- Een ringkerntrafo bleek het handigste. Gebruikt werd een GROTE ringkern uit een computervoeding (⌀45 mm) die al met dik draad (⌀ 2 mm) bewikkeld was. In het midden werd een aftakking gemaakt en zo een spanningstransformatie van 1:2 = impedantie 1:4 verkregen (fig. 2).
Fig. 2.
Ook voor andere harmonischen, zoals 20 m, is er met andere kabellengten en/of trafo's goed met deze antenne te werken.
Langdraad
De langdraad is zo op het oog de eenvoudigste antenne, maar vergis u niet. Evenals de vertikaal heeft de langdraad een goede aarde NODIG en die is niet zo eenvoudig te realiseren met de shack op zolder. De randaarde van 'het net' is totaal ongeschikt voor een HF-aarde en dus leiden we een stevige koperdraad van bijv. 10 m lengte langs de gevel van het huis naar een diep in de grond geslagen aardpen. Nu moet het toch wet goed zijn? Nou vergeet het maar stel we werken op 40m dan is de aardleiding ¼λ lang en dus boven in de shack hoogohmig t.o.v. aarde. Een zeer hoogohmige aardleiding kunnen we net zo goed verwijderen.
Draad/staaf heeft een zelfinduktie van ca. 1,2 µH/m en dus is er tussen boven en beneden een spoel van zo'n 12 µH aanwezig. Om daar van of te komen is een condensator nodig met dezelfde impedantie (bij de werkfrequentie) als die van de 'spoel' in de aardleiding.
Met ca. 40 pF kunnen we in dit voorbeeld de 'spoel' uitstemmen in een seriekring. Neem een fietslampje op in de aardleiding (alleen tijdens het uitstemmen) en stel de varco - rond 40 pF - zo in dat er een maximale stroom door de aardleiding loopt.
Met een paar Watt moet het lampje duidelijk zichtbaar kunnen branden. Waar C en aardleiding met elkaar verbonden zijn kunnen zeer hoge RF-spanningen ontstaan waar men zich akelig aan kan branden.
Isoleer de zaak goed en neem een C met een flinke plaatafstand! De andere kant van de varco wordt verbonden met de noodzakelijke tuner voor de langdraadantenne. De tuner en de daarop via een stukje coax aangesloten transceiver zijn nu, als alles goed is ingesteld, vrij van hinderlijke RF bij aanraken. Voor iedere band moet de 'aarde-tuner' opnieuw worden ingesteld.
Zelfs met de shack op de begane grond is de invloed van een paar meter draad naar het dichtstbijzijnde aardpunt goed te merken. Op 10 m is 2,50 m weer de beruchte ¼λ, maar ook op 80 m verhindert de 'spoel' van 2,5 maal 1,2 = 3 µH het lopen van de maximale stroom door het aarde/antenne circuit.
Metingen aan een 'officiele' aardpen kwamen uit op 'n zelfinduktie van 2,5 µH en 2 Ω. Met een draad naar de shack op de begane grond komen we dan op ca. 5 µH en dat is een impedantie, bij 7 MHz, van XL = 2πfL = 6,28 × 7 × 5 = 220 Ω. Zie daar maar eens een fatsoenlijke wisselstroom richting aarde door te krijgen! Mijn advies: gebruik geen langdraad, zeker niet op zolder. Als we de aardleiding goed weten uit te stemmen dan vormt deze leiding a.h.w. de andere helft van een dipool. Een lange draad door het huis waar een flinke HF-stroom door loopt, dit is vragen om klachten van medebewoners en omwonenden (fig. 3).
Fig. 3.
Voor wie niet anders kan is er nog een redelijk alternatief: een stelsel van radialen, direkt op de tuner aangesloten. Men neme voor iedere band een draad van ¼λ lengte en moffelen die weg onder het vloerkleed, achter de plinten o.i.d. Pas op! De einden van deze draden kunnen 'HEET' zijn!
De Zeppelin
Of we deze antenne nu een eindgevoede dip000l moeten noemen of een langdraad met de radiaal in de voedingslijn is niet helemaal duidelijk, maar in ieder geval heeft u geen aarde nodig en het is een prima antenne. Indien voeding in het midden van een dipool bezwaren geeft of als aarde voor de langdraad een probleem is, dan kunt u de Zepp eens proberen. Span zoveel mogelijk draad uit, gebruik open-lijn (300 Ω lintlijn gaat prima) en een antennetuner (fig. 4).
Fig. 4.
Alle vorige voorbeelden hadden den ding gemeen: er moeten flinke stukken draad worden uitgespannen en dat is niet bij iedereen mogelijk. Vaak blijft er dan niets anders over dan een vertikale antenne. Een 'vertical' straalt nogal vlak weg en dat is prima voor het DX-werk op alle HFbanden, maar werkt matig tot beroerd voor het lokale werk op de drie amateurbanden met de laagste frequenties.
De ideale vertikale antenne is ¼λ lang (met een verkortingsfactor van ca. 0,96) en dat is voor de meesten van ons niet weggelegd voor 160 mtr. Zelfs voor 80 geeft een 20 mtr hoge mast al veel praktische problemen. Daar is wat aan te doen d.m.v. een verlengspoel. ldeaal is dit niet want hierdoor loopt de stralingsweerstand van de antenne sterk terug en gaan vooral de aardverliezen hun invloed duidelijk kenbaar maken in een verminderde signaal opbrengst. Een vertikale (¼λ) antenne heeft een GOEDE aarde nodig. Met de shack op zolder is dit niet zo'n groot probleem als het lijkt. De stralingsweerstand (is ± impedantie bij resonantie) van de ¼λ straler ligt rond de 40 Ω en zal dus aardig aanpassen aan 50 Ω coax. De antenne kan ook nog voorzien worden van 'traps' en zo voor meerdere banden geschikt worden gemaakt. Verlengspoelen en traps verkleinen de bandbreedte van de antenne en dat kan vooral voor de ruime 80 mtr band lastig zijn. Het uitkienen van een dergelijke vertical is een heel gedoe en niet lets dat ik de beginner aanbeveel. Er zijn goede antennes in de handel waarbij men het nodige gepruts al voor u heeft gedaan in de fabriek.
Een GOEDE aarde
Daar zijn heel wat adviezen voor in de diverse antenneboeken te vinden. Een aantal koperen pijpen in de grond slaan/spuiten is daar den van. Als u dat doet, ga dan van iedere pijp met een aparte dikke draad naar de voet van de antenne en verbindt ze pas daar met elkaar. Op deze manier worden alle 'spoelen' in de aardpennen EN aansluitdraden parallel geschakeld en hun invloed drastisch verminderd. Er zijn ook adviezen waarbij veel radialen of zelfs rollen kippegaas onder de grasmat verdwijnen. Dat werkt ook best. Als je een groot grasveld hebt en een tuin.
Na al het gegraaf en geploeter wil je natuurlijk weten of die aarde nu ook echt goed is (fig. 5).
Fig. 5.
De antenne - inclusief de aardleiding - vormt een grote seriekring waar doorheen we een zo groot mogelijke stroom willen laten !open. Over de aardweerstand plus de reactantie ('spoel') van de aardleiding zal een HF-spanning ontstaan die we kunnen meten en die zo klein mogelijk moet zijn. Om die spanning te kunnen meten, met een eenvoudig diode kopje op de universeelmeter, is een extra aarde nodig als referentie. Gelukkig behoeft dit geen goede aarde te zijn omdat er bij het meten van de spanning geen stroom van betekenis loopt en er dus ook geen spanning van betekenis over de hulpaarde ontstaat. Een pen, een halve meter in de grond geslagen, of zelfs een paar meter blank draad in het natte gras vormt een prima hulp/meetaarde.
We doen Brie metingen met een vermogen van 1 à 2 watt op de coax:
- tussen aarde (buitenmantel coax) en hulpaarde,
- tussen antenne (binnenader coax),
- zonder hulpaarde over de coax.
De spanning over de coax moet gelijk zijn aan de spanning van meting 1 plus meting 2. Zo niet dan moet er vectorisch worden opgeteld en is er reactantie in de aardleiding aanwezig die eerst moet worden uitgestemd. Neem een varco op in de aardleiding en probeer door afstemmen de spanning over de aarde zo laag mogelijk te krijgen. Op de lage frequenties kan een grote varco, tot 2000 pF, nodig zijn. Na het uitstemmen resulteert alleen de ohmse aardweerstand, maar die kan niet simpel worden gemeten. Wel kunt u nagaan hoeveel vermogen er in de aarde verdwijnt t.o.v. het door de antenne uitgestraalde vermogen. Bijvoorbeeld: over de coax 10 V, over aarde 2 V en over de antenne 8 V, dan gaat ⅕ van de geleverde spanning verloren in de aarde.
Door het hele antennecircuit loopt dezelfde stroom en dus gaat ook ⅕ van het vermogen verloren.
Een volle ¼λ antenne heeft een stralingsweerstand van ca. 40 Ω = 8 V. De aarde heeft dan een verliesweerstand van ong. 10 Ω en dat kan best nog wel wat lager. Mijn sterk verkorte 160 mtr vertical heeft een stralingsweerstand van 12 Ω. Bij 10 Ω voor de uitgestemde aarde gaat bijna de helft van het vermogen het gras in de tuin verwarmen. De verliesweerstand was terug te brengen tot 2 Ω en dan is het verlies nog maar 1/7 i.p.v. bijna de helft. (Het uitstemmen van de inductieve component in de aardleiding is voor iedere band anders. Houdt bij meerbands verticals de aardleiding zo kort mogelijk!)
Een tweede manier van aarden is de 'kunstmatige aarde' d.m.v. van radialen die in principe ieder ¼λ lang zijn. Voor lage frequenties worden dat behoorlijke lengtes die we, als het echt moet, weer met verlengspoelen kunnen inkorten maar dat gaat wel ten koste van de antenneprestaties. Sommige OM's leggen de radialen op het natte gras. Dit is geen goede methode. De radialen vormen met de 'echte' aarde een capacitieve verbinding, maar het dielectricum van de C bestaat uit nat gras en geeft enorme verliezen. Beter is het om de radialen vrij boven het maaiveld op te hangen, hoogte minimaal 50 cm. Nog beter kan men dan maar flink omhoog gaan - de Ground Plane - want niet alleen zijn die struikeldraden lastig in de tuin, maar ook gevaarlijk (hoge HF-spanningen).
PA3FFZ.