Antennes voor 2 km
Een ding is zeker: het is uitgesloten om een antenne voor deze golflengte op een fatsoenlijke hoogte te krijgen. Zelfs al zou u gebruik kunnen maken van een hoge flat, een TV-toren of de Euromast. Ook een redelijke lengte voor de antenne kunnen we in de normale woonomgeving wel vergeten. De zendantenne zal dus altijd een armzalig compromis blijven.
De velddaggroep rond PA3FFZ had zich in het hoofd gehaald om uit te komen op de nieuwe lange golfband. Een dipool moest het worden. De lengte konden we wel kwijt langs een rechte weg met aan een kant grote eikenbomen. De hoogte beperkte zich noodgedwongen tot een meter of zes a zeven. Zaterdag om 13.00 uur begonnen we, gewapend met een ladder en een hoop draad, met het ophangen van de dipool... 2x 550 meter. De klus werd niet geklaard voor het officiele begin van de veiddag. Even een draadje ophangen duurt langer dan we dachten maar tegen zevenen hing ie dan toch. Tijdens het bevestigen van de laatste meters draad was de donder van het naderende onweer hoorbaar en het leek ons heel verstandig om de werkzaamheden snel te stoppen. Als het een kilometer verderop inslaat dan zou de flits met zo'n lange antenne veel eerder bij ons zijn dan het geluid van de donder dat drie seconden later komt. Als het tegenzit hoor je nooit meer lets...
Natuurlijk waren we nieuwsgierig naar de resultaten van het karwei maar de bevrediging van die nieuwsgierigheid moest wachten tot na de barbecue. Pas om elf uur 's avonds was het weer droog en waren de onweersbuien ver genoeg weg om veilig te kunnen werken. Eerst de SWR maar eens gemeten. Droevig, droevig.
Verwonderlijk was vooral dat de beide dipoolhelften heel verschillend reageerden terwijl de opstelling toch redelijk symmetrisch was. De rechter helft wilde, ondanks de slechte SWR van 1:4, toch wel vermogen opnemen en daarop hebben we de zender van 25 watt aangesloten. Met een licht verbouwde draagbare radio is een gedeelte van de ploeg in de auto gestapt. Tot hoever zouden we hoorbaar zijn? Op een afstand van ca. 20 km was het signaal nog neembaar ondanks het hoge stoorniveau door het onweer. In vergelijking met voorbereidende experimenten eerder in de week was dit niet slecht maar voor zo'n grote antenne viel het resultaat toch goed tegen.
Hoe zijn de metingen gedaan?
De SWR is gemeten met een meetbrug met weerstanden omdat een gewone SWR-meter bij lagere frequenties steeds ongevoeliger wordt. Met QRP op 80 of 160 meter laten gewone reflectiemeters het al afweten maar de meetbrug werkt frequentieonafhankelijk. (Zie voor de meetbrug CQ-PA 13/'93 en CQ-PA 13/'95) Dat de antenne vermogen opnam is gecontroleerd met een gloeilampje in serie met de antenne. Door het lampje vloeide een fatsoenlijke stroom.
Een tweede aanwijzing vormde het opgenomen vermogen van de zender. Zonder belasting trekt de zender ca. 100 mA en belast met een 50 Ω dummy consumeert ie 1,8 A. Met de antenne eraan was dat ca. 1,5 A en dat komt naar schatting overeen met een opgenomen vermogen van een watt of twintig. Bij latere metingen van de antennestroom is gebruik gemaakt van een stroomtrafo op een ringkern en een meter met diode-gelijkrichting. (zie figuur 1)
Fig. 1.
De volgende dag zijn de experimenten voortgezet. Er werd weer gezonden met alleen de rechter poot van de antenne maar nu werd de buitenmantel van de coax van de zender bij het voetpunt van de lange draad goed geaard met een koperen staaf in de poldersloot langs de weg. De SWR verbeterde aanmerkelijk tot 1:2 maar de signaalsterkte, weer op 20 km afstand gecontroleerd, verbeterde niet merkbaar. We hebben ook nog een poging gedaan met de weide afrastering. De draad hiervan was lang genoeg maar de hoogte haalde de een meter boven het maaiveld niet eens en het zendbereik de twee kilometer maar net.
Zijn er alternatieven?
Ja, die zijn er. We kunnen een gewone amateurantenne gebruiken maar helaas zijn dit soort antennes veel te kort. Stel u voor een dipool voor 80 m. Twee maal 20 m op een meter of tien boven de grond. We beginnen met het samenvoegen van de twee dipoolhelften zodat we een "T"-antenne krijgen. De antenne verandert hierdoor van een horizontale dipool in een verticale straler met een topcapaciteit. De voedingslijn (de twee aders samengevoegd) wordt de straler en de voormalige dipool vormt de topcapaciteit. Een dergelijke constructie is heel hoogohmig en capacitief.
Rechtstreeks met de zender verbonden straalt de antenne nauwelijks, wordt vrijwel geen vermogen uit de zender opgenomen en is de zender na een paar honderd meter niet meer hoorbaar. De capaciteit van een dergelijke opstelling schat ik op ca. 330 pF en dat betekent dat als we deze antenne in resonantie willen brengen er een verlengspoel van ca. 4 mH noodzakelijk is. Zelf heb ik het geprobeerd met een antenne waarvan de capaciteit 450 pF bedraagt en dan komen we op ca. 3 mH voor de verlengspoel. (lk heb wat meer topcapaciteit in deze voor 160 m bedoelde antenne.)
De constructie van de spoel ziet u op de foto. Hij is gewikkeld op een PVC-afvoerpijp met een diameter van 75 mm. Er zitten zes maal 50 wikkelingen op van draad met een diameter van 0,4mm. De zelfinductie van deze spoel was net lets te klein voor mijn antenne, 2,62 mH en daarom is er nog een verschuifbare ferrietstaaf aan de spoel toegevoegd. (De ferrietstaaf steekt op de foto boven uit de spoel.) Het wikkelen van zo'n spoel is een heel karwei en de een heeft wat meer zelfinductie nodig dan de ander. Het verloop blijkt uit de grafiek.
Fig. 2.
Antenne (capaciteit) en verlengspoel vormen samen een seriekring die in resonantie is te brengen door het schuiven met de ferrietstaaf. Een ideate seriekring heeft een zuiver ohmse impedantie van nul ohm maar deze kring is niet ideaal. Allereerst hebben we de stralingsweerstand van de antenne en die is ongeloofelijk laag. Daar komen de verliezen in het aardsysteem en de verlengspoel nog bij. Bij resonantie verkreeg ik de laagste SWR van 1:5 en dat wil zeggen een weerstand van 5 × 50 Ω of 50 / 5 Ω.
Gezien de geringe stroom moest het heleas 5 × 50 = 250 Ω zijn. De stralingsweerstand van een verticale straler laat zich berekenen met de formule:
Rs = 40 π2(h/λ)2
h = hoogte (lengte) van de verticale straler = 7 m
λ = golflengte = 2,2 km
Rs wordt dan: 40 × 9,87 (7/2200)2 = 4 mΩ!
Ook de capaciteit straalt nog lets uit, een elektrisch veld, en het zou me niets verbazen als de uitstraling door de capaciteit groter is dan die van de straler. Hoe dan ook, de totale stralingsweerstand van deze antenne zal toch wel niet boven de 0,1 Ω uitkomen en dat is een schijntje op de 250 Ω aan verliezen. De schatting van het antennerendement in CQ-DL (1/1000) haal ik bij lange na niet.
Verliezen 250 Ω
In het antennenummer van CQ-PA van vorig jaar (juni '97) heb ik verteld over de gebruikte antenne voor 160 m. De antenne wordt gevoed tegen de aardelektrode van het energiebedrijf. Toen heb ik aarverliezen gemeten van ca. 4 Ω en een zelfinductie in de aardleiding van 1,4 µH (gemeten bij 1800 kHz). Op de'zelfde manier gemeten kon ik bij 137 kHz geen belangrijke verliezen in het aardsysteem waarnemen. 1,4 µH geeft bij 137 kHz een reactantie van 1,2 Ω en die is verwaarloosbaar klein. Dat zou betekenen dat de spoel verliezen geeft van ca. 245 Ω. Hier wat aan te doen (dikker draad) zet waarschijnlijk heel wat zoden aan de dijk maar daarvoor was op de velddag geen tijd. Een tweede veroorzaker van de grote verliezen zou de grote vochtigheid wel eens kunnen zijn.
De Duitsers vonden aan de voet van de antenne (= de bovenkant van de spoel) een wisselspanning van 1,5 kV bij een vermogen van 10 W.
lk heb een poging gedaan om deze spanning te meten en dat is niet gelukt. Het meetinstrument belaste de spoel/antenne zo zwaar dat de spanning instortte. Het systeem is uiterst hoogohmig en dan kan er gemakkelijk lets van de hoge spanning weglekken als er veel vocht in de lucht zit die bomen en dak.pannen geleidend maakt. Dat weglekken kan ook via het menselijk lichaam en dat is uiterst onaangenaam! Dat er een akelig hoge spanning aanwezig is heb ik aan den lijve gevoeld. De rook kwam uit mijn vingertop en er brandde een klein gaatje in. Het voelt aan alsof er met een brandglas op mijn vinger gebrand is met een heel scherpe bundel. Met een brandglas gaat het echter langzaam en kan je op tijd je vinger terugtrekken. Je branden aan HF gaat razend snel!
Dit zijn nog maar heel voorlopige resultaten van de eerste proefnemingen. Er zal nog heel wat gemeten en gedacht moeten worden voordat de verliezen aanzienlijk zijn teruggebracht zodat een beter antennerendement kan worden bereikt. Om wat meer vermogen in de antenne te kunnen pompen heb ik een 1:4 impedantietrafo gewikkeld op een ringkern. Een licht groene kern zo groot als een rijksdaalder met 35 windingen trifilair (Philips 3E1, de moderne versie is 3E25 oranje). De antennestroom nam er behoorlijk door toe en de SWR verbeterde tot 1:1,8. De zender was op 30 km met een draagbare radio nog net hoorbaar. Met een goede ontvanger zal het signaal ongetwijfeld op een veel grotere afstand waarneembaar zijn. Dat ga ik nog proberen maar hierbij is het weer voorlopig nog de grote spelbreker.
Topcapaciteit
De horizontale draden die vaak als topcapaciteit op een verticale straler worden gezet vormen een plaat van een condensator. De eridere condensatorplaat is de aarde. De waarde van die C is aardig uit te rekenen met het oppervlak van de plaat en de afstand tot de aarde. De vraag die zich voordoet is: hoeveel vermogen (elektrisch veld) ontsnapt vanuit zo'n grote condensator de ether in? Is er iemand die daar een formule voor heeft? Een tipje van de sluier is door metingen van W6TYP opgelicht (f = 170 kHz). We zien in de figuur de meeropbrengst t.o.v. een verticale straler van 8m hoogte. De meeropbrengst bedraagt met de grootste topcapaciteit 13 dB en dat is een flinke winst, een verhoging van het effectief uitgestraalde vermogen van ruim 16×!
Fig. 3.
Verliezen, nader bekeken
Als wij amateurs met kringen aan de gang gaan die zijn opgebouwd uit spoelen en condensatoren dan rekenen we over het algemeen alle verliezen toe aan de spoel. Dat kunnen we doen omdat moderne condensatoren verwaarloosbare verliezen vertonen. Maar gaat deze redenatie ook op voor de topcapaciteit van een antenne? Om daar achter te komen heb ik op de grote verlengspoel een variabele condensator aangesloten met lucht tussen de platen. Gelukkig maar dat de SWR-meetbrug het vermogen uit de zender met een factor veertien verzwakt. Dat werkt veilig en geeft geen vonkoverslag tussen de platen van de C of nog een gaatje in mijn vinger. Met de antenne aan de spoel werd, met de ferrietstaaf, op maximale antennestroom afgeregeld en deze instelling gaf tevens de laagste SWR, lets meer dan 1:5. De totale verliezen (spoel + aarde + condensator) zijn nu dus lets groter dan 250a De antenne werd afgekoppeld en vervangen door een variabele condensator. De SWR daalde tot lets onder de 1:2 en dat geeft een totaalverlies van ca. 90 Ω. Zou er 160 Ω aan verlies in de condensator, de topcapaciteit, zitten? (In deze configuratie wordt de aarde niet gebruikt.) lk kon me dat niet voorstellen maar bij nader inzien realiseer ik mij dat deze zeven meter hoge C een dielectricum heeft dat niet alleen uit lucht bestaat. Zo op het oog bestaat 50% van het dielectricum uit natte planten, bomen en struiken.
Toen schoot me een verhaal te binnen van een amateur die last had van hoge dielectrische verliezen bij het gebruik van radialen die vlak boven het natte en lange gras waren gespannen.
lk vrees dat dat verhaal waar is. Ze zeggen nu wel dat ik zo lekker op de ruimte woon maar zonder kapvergunning en kettingzaag is de kwalitiet van het dielectricum in mijn tuin niet te verbeteren. Nu we toch aan het meten gaan... hoe groot zijn de verliezen in de spoel en doet de ferrietstaaf daar nog lets bij? Zonder ferrietstaaf geeft de spoel verliezen van ca. 90 Ω. Met de ferrietstaaf helemaal in de spoel gedrukt stijgt de SWR tot boven de 1:6... meer dan 210 Ω extra verlies! (Met de variabele condensator is opnieuw afgestemd.) Om de antenne in resonantie te krijgen behoeft bij mij de ferrietstaaf maar een klein eindje in de spoel te steken en dat kleine beetje geeft maar een paar ohm extra verlies. Om die paar ohm maak ik mij nu nog geen zorgen.
Misschien doe ik dat later wel eens als ik met de andere verliesposten heb afgerekend. Als u de ferrietstaaf diep in de spoel moet drukken om de antenne afgestemd te krijgen dan is het beter om nog wat extra windingen aan de spoel toe te voegen.
Peter Bobek, DJ8WL, kwam met een vergelijkbaar experiment uit op een antennaimpedantie van 50 Ω en daar zal menigeen tevreden over zijn. Echter, als we bedenken dat die 50 Ω voor 99,9% uit verlies bestaat dan is het niet zo gunstig. Zijn verlengspoel is van dikker draad gewikkeld, 1 mm i.p.v. 0,4 mm, en daarmee daalt het verlies in de spoel tot ca. 15 Ω. De rest van de verliezen schrijft hij toe aan het aardsysteem waarvoor ook hij de aarde voor zijn 160 m antenne gebruikt. Op 160 m geeft hij, net als ik, een aardverliesweerstand op van 4 Ω. Op de lange golf heeft deze aarde volgens Peter 35 Ω verlies. Hij slaat 8 koperen pijpen de grond in om het aardsysteem te verbeteren en wint daar een ohm of Brie mee. ledere ohm telt hier maar om tot een acceptabel rendement te komen moeten er dan nog flink wat extra elektrodes de grond in gedreven worden. Als het de planten maar niet zijn die verlies in het eten gooien.
Zo'n nieuwe band roept heel wat vragen op. Waardoor wordt het aardsysteem op de lange golf ineens zoveel slechter of hebben de planten daar veel meer invloed dan op 160 of 80 meter? Het is wel opmerkelijk dat het linker been van de full size dipool juist langs die zijde van de weg loopt die veel meer begroeiing heeft dan de rechter kant. En juist dat linker been werkt het beroerdste.
Aan het einde van dit verhaal merk ik nog op dat voor ontvangst een actieve antenne met een ferrietstaaf gebruikt wordt om de ontvangst met de Kenwood R1000 op de lange golf aanzienlijk te verbeteren en de QRM te onderdrukken. Een verbetering van de gevoeligheid van naar schatting 100 dB is hiermee bereikt. Of dat gevoelig genoeg is zal de praktijk moeten leren. (Dit moet en kan beter is inmiddels gebleken.) Tot nu toe heb ik nog geen amateurstation op deze nieuwe band gehoord. Dit stuk is als aanmoediging geschreven. De wijsheid heb ik niet in pacht en het kan vast beter of anders. lk hoop maar dat u het beter doet dan ik... dan heb ik in ieder geval een tegenstation.
Bastiaan, PA3FFZ.