Verliezen 136 kHz antennes
Amateurs hebben het moeilijk met het oprichten van zendantennes voor de 136 kHz band. De golflengte is maar liefst 2200 m en een kwartgolfstraler zou derhalve een lengte moeten hebben van 550 m. Vertikale polarisatie is gewenst op deze band. Wie heeft er een toren van 550 m hoogte ter beschikking plus de bijbehorende ruimte voor een fatsoenlijk aardnet?
Theoretisch moet het met een spriet van 10 m lengte ook kunnen maar het uitstralend oppervlak van de antenne neemt dan met een factor 55 in het kwadraat of en de stralingsweerstand eveneens. Zo komen we aan de belachelijk lage stralingsweerstand van ca. 0,012 Ω (Het antenne berekeningsprogramma MNANA houdt het zelfs op 0,009 Ω) Met een verlengspoel is het mogelijk om de ontbrekende 540 m van de straler kunstmatig aan te vullen en zelfs nog een staaf met een lengte van 1/55 golf (10 m) in resonantie te brengen... maar dat deel van de antenne dat straalt wordt er niet groter door. M.a.w. de stralingsweerstand blijft akelig laag.
Een afgestemde kring bestaat niet alleen uit een spoel plus in dit geval een zeer kleine straler maar er moet ook nog een capaciteit zijn. Bij de vertikale straler is dat de capaciteit van de straler t.o.v. aarde... die hele korte straler zal nauwelijks capaciteit t.o.v. aarde hebben en dus voegt menige OM een extra condensatorplaat toe. Deze plaat, ook wel 'top load' genoemd bestaat uit een paar lange draden die vanuit de top van de straler evenwijdig met de aarde gespannen zijn. Hoe groot de capaciteit van de top load zal zijn laat zich berekenen. We kennen immers de oppervlakte van de plaat, de afstand tot de aarde en het dielectricum is lucht. Dat deze condensator meer theorie dan werkelijkheid blijkt te zijn komt straks aan de orde.
De spoel is gewikkeld van lekker dik draad (⌀ = 2,25 mm) en die geeft met 120 windingen een zelfinductie van 3,8 mH. Voor de fijnregeling is nog een variometer met een waarde van 0,06..0,6 mH in serie geschakeld. Meestal is de totale 4,4 mH nodig om het geheel in resonantie te brengen. XL = 2πfL = 6,28 × 136 k × 4,4 m = 3758 Ω Bij een geschatte Q van 400 zou dat een verliesweerstand van 3758 / 400 = 9,4 Ω opleveren.
Zelfs als er verder geen verliezen in het antennesysteem optreden dan hebben we een rendement van 0,012/9,4 = 1,27 × 10-3 = 0,127% en dat wil zeggen dat er van iedere watt slechts 1 mW effectief wordt uitgestraald en dat is bedroevend weinig.
In de praktijk blijkt echter dat de amateurs verliesweerstanden in het totale antennesysteem meten van maar liefst 50..100 Ω. Deze extra verliezen, die in het gunstigste geval zo'n 40 Ω bedragen, worden toegeschreven aan 'aardverliezen'. Er zijn inmiddels locaties bekend waar deze `aardverliezen' relatief klein zijn en plaatsen waar ze duidelijk hoger zijn. Hier komt nog een door velen gedane waarneming bij: "De aardverliezen zijn hoger mannate het vochtiger is." Dit nu is tegennatuurlijk aan wat we tot op heden gewend zijn van aardsystemen; het is gebruikelijk dat een aardsysteem beter wordt met toenemende vochtigheid van de bodem... sommige amateurs gaan zelfs zover dat ze zout toevoegen aan de bodem om deze beter geleidend te maken.
Hoe dit ook zij; mij bevredigt het niet om alle extra verliezen op het conto van de aardverliezen te schuiven en het daar verder bij te laten. Al heel Lang heb ik het gevoel dat er ernstige verliezen kunnen optreden in de condensator die geacht wordt te bestaan tussen de aarde (het aardoppervlak?) als onderste condensatorplaat en de Braden van de topload boven in de antenne als bovenste condensatorplaat. Bij mij in de tuin is de ruimte tussen deze platen namelijk niet alleen met lucht gevuld maar voor een flink gedeelte met bomen, planten en struiken. Het zou mij nets verbazen als deze plantaardige massa een heel slecht dielectricum zou blijken te zijn vooral als het regent.
Kortom: het lijkt mij zinvol een poging te wagen om datgene dat over het algemeen wordt samengevoegd onder overige verliezen, ook wel aardverliezen genoemd, eens uit te splitsen in de afzonderlijke onderdelen. Natuurlijk is nieuwsgierigheid een drijfveer in dit streven maar er is meer... de verliezen zijn pas dan te verminderen als we we-ten waardoor en waar deze verliezen zich voordoen.
Meten...
Hoe de verliezen te meten? Er zijn verschillende methoden om de verliezen in de gehele antenne-installatie te bepalen waarbij we er van uitgaan dat de ideale seriekring =in resonantie= een impedantie van nul ohm heeft. Iedere waarde groter dan nul moet worden toegeschreven aan de verliezen en de stralingsweerstand.
- Met een meetbrug (Wheatstone of een variant daarop) is dat mogelijk... vooropgesteld dat we meten bij de resonantiefrequentie.
- We kunnen de zender op de antenne-installatie aansluiten en de ingangsspanning aan de spoel meten plus de stroom die in de antenne-installatie pat. Die stroom is maximaal als het antennesysteem in resonantie is. De Wet van Ohm geeft dan de verliezen.
- Een methode zou kunnen zijn om de Q van het antennesysteem te bepalen en van daaruit het totale verlies te berekenen. De Q is te bepalen uit de bandbreedte bij de resonantiefrequentie, maar... bij deze metingen wordt de installatie belast gemeten. Belast door de signaalgenerator (50 Ω) en de spanningsmeter om de 6 dB-punten voor de bandbreedte te kunnen meten. De praktijk wijst uit dat we (ik in ieder geval) op een rekenarij stuiten die niet praktisch meer is en een enorm risico van verkeerde interpretatie met zich meebrengt.
Verliesmetingen van het totale systeem zijn al door een aantal amateurs verricht en zelfs als we de verliezen in de spoel nauwkeurig weten vast te stellen dan geven dergelijke metingen nog maar weinig zicht op de afzonderlijke componenten waaruit de zgn. aardverliezen nu eigenlijk bestaan. Kunnen die aardverliezen nader worden bekeken? Ik heb daartoe een paging ondernomen.
De condensator
We hebben hier met een seriekring te doen met daarin een spoel (Rv=ca. 10n), de stralingsweerstand (verwaarloosbaar) en twee condensatoren. Een condensator boven de grond en een condensator onder de grond. Tussen de platen van de eerste condensator bevinden zich planten en van de laatste condensator bestaat het dielectricum uit natte aarde.
Is die condensator onder de grond er eigenlijk wel en hoe gedraagt zich een condensator gevuld met natte aarde? We kunnen er op grond van onderzoekingen van anderen van uitgaan dat een lange golf signaal nog een aantal meters de grond in gaat.
Er zijn ook OM's die het voor mogelijk houden dat de aardelektrode, als onderdeel van de antenne-installatie, onder de grond nog staat te stralen; in ieder geval het gedeelte tussen het aardoppervlak en Werkelijke ' aarde. Laten we bij gebrek aan beter die Werkelijke' aarde maar definieren als het grondwater of een andere goed geleidende grondlaag zoals 'oer' (ijzer). Deze redenering klinkt plausibel maar de HAMvraag is natuurlijk wel of het ondergronds uitgestraalde vermogen bij het tegenstation aankomt of dat het alleen de wormen stress geeft...
Bij de metingen die ik heb uitgevoerd ging het mij om het gedrag van de condensatoren en na enig geexperimenteer is toch een soort Q-meting gebruikt. Echter niet meer door het bepalen van de bandbreedte maar door het bepalen van de demping op de uitslingering.
Een condensator (of spoel) met een lage Q doet de opslingering van een kring in resonantie afnemen. Bij de metingen is telkens een `verdachte' C vervangen door een C met een onberispelijke staat van dienst (mica- of luchtisolatie) met daaraan parallel een potmeter. De potmeter wordt zo ingesteld dat de HF-spanning over de resonantiekring net zoveel omlaag gaat als door de invloed van de verliezen in de verdachte C. De weerstand van de pot-meter, die met een universeelmeter kan worden bepaald, is dan een directe maat voor de verliezen.'Een' condensator
Het probleem met de antenne-installatie is dat de onder- en bovengrondse C alleen maar gezamenlijk gemeten kunnen worden waarbij we bovendien nog met verstorende invloeden te maken kunnen hebben zoals de isolatie van de top load. Vergeet niet dat we meten aan een uiterst hoogohmig systeem. Er zit niets anders op: om te meten moet er een condensator komen waarvan we het dielectricum zelf kunnen wijzigen... (natte) planten er tussen of bijv. tuinaarde. Op naar de ijzerboer voor 2× een vierkante meter volieregaas. Twee condensatorplaten die op een afstand van 10 cm (4 bakstenen) een capaciteit van 144 pF gaven. Met de grote spoel werd resonantie op 144 kHz bereikt en het eerste probleem diende zich al aan.
Met een spoel van 4,4 mH krijgt men resonantie met een condensator van ca. 300 pF en de topcapaciteit van de antenne was voor 136 kHz berekend op 450 pF met een iets kleinere spoel. Klopt de meting van 144 pF met de RF-analist 'RF-1'? De voliere-gaas C is vervangen door een mica-C van 160 pF en de resonantiefrequentie daalde iets met deze wat grotere C → de meting klopt, maar waar komt dan die niet 'aanwezige' condensator vandaan van ca. 150 pF? Die bleek in de spoel te zitten, als parasitaire capaciteit met vermoedelijk nog wat invloed van de coaxkabel naar de signaalgenerator.
Op een droge zomerse dag (die komen toch nog wel eens voor in Nederland) is de testcondensator buiten opgesteld en aangesloten op de meetapparatuur. De eerste proef leverde niets op. De ruimte tussen de platen werd volgeschept met aarde, zand, en daarbij werd nauwelijks een verandering in de condensator vastgesteld. Een gieter water over het zand bracht ook geen verandering van enige betekenis.
Einde experiment?
Natuurlijk niet, dat vochtig zand geen verandering teweeg brengt zegt niets over het gedrag van biomassa als dielectricum. Het gras werd heel kort gemaaid en de condensator uit gaas er bovenop gezet. En nu maar wachten tot het gras weer is aangegroeid.
En weer gebeurde er de eerste dagen niets... totdat het begon te miezeren. Enorme verliezen in de condensator en dat was direct te zien aan de HFspanningsmeter die van 1,7 volt terugliep naar 0,95 V bij resonantie. De signaalgenerator moest wat in frequentie omlaag omdat de resonantiefrequentie was gedaald van 148 kHz naar 136 kHz → de C had in waarde toegenomen. Om de test-C in de regen te imiteren was parallel aan een goede micacondensator en weerstand van 50 kΩ nodig. Wat betekent dat voor de Q van de condensator? Laten we eerst de impedantie van de condensator maar eens berekenen bij 136 kHz. Als waarde voor de C wordt 300 pF genomen (dus inclusief de parasitaire capaciteit).
XC = 1 / 2π × f × C = 1 / 6,28 × 136 k × 300 p = kkk / 6,28 × 136 × 300 = kk / 256 = 3906,25 Ω. Voor Q krijgen we dan 50 k / 3,9k = 12,8.
Dat is wel een erg slechte Q voor een condensator en wat heeft het dan voor zin om een spoel met akelig dik draad te maken met een Q van 400 als zich in de kring ook nog een condensator met een Q van 12,8 bevindt? En nog veel slechtere condensatoren zouden gemeten worden.
Oorzaak vocht?
De eerste metingen wezen op de invloed van vocht en dus meende ik er goed aan te doen ook het vochtgehalte van de lucht te meten; een hygrometer was in de shack aanwezig... naar buiten met dat ding. De hygrometer is op een klein paaltje op de foto in het gras op de achtergrond te zien. Uit de metingen werd het verband tussen de luchtvochtigheid en de verliezen helemaal niet duidelijker, integehdeel.
Een hygrometer geeft ook niet de luchtvochtigheid aan, maar de relatieve luchtvochtigheid in % en dat is: voor hoeveel % de lucht verzadigd is. De maximale verzadiging (100%) hangt echter sterk of van de omgevingstemperatuur. Bij 30°C kan er ongeveer 2× zoveel vocht in de lucht zitten als bij 15°C. OK, dan de volgende metingen maar met een geijkte thermometer en de tabellen over verzadigde lucht erbij. Nog steeds geen duidelijk verband tussen de condensator en de vochtigheid...
Een tweede condensator werd buiten gezet, gemaakt uit twee platen printplaat met porceleinen 'schrikdraadrollen' als isolator. Deze werd niet in het gras geplaatst maar op een laag tafeltje. Beide C's hadden dezelfde capaciteit om gemakkelijk te kunnen vergelijken, maar bij deze C was geen verandering van de Q en/of de capaciteit merkbaar onder invloed van de luchtvochtigheid.
De oorzaak van de verslechtering van de C uit gaas bleek hem uiteindelijk te zitten in de bakstenen. Die bleken om te beginnen iets te gaan geleiden bij hoge vochtigheid maar dat was niet de hoofdoorzaak. Het vocht dringt ook in de poreuze baksteen en verandert daar het dielectricum in zeer negatieve zin. Porcelein is niet poreus.
Curieus is dat de vier bakstenen minder dan 10% van de ruimte tussen de platen vulde maar toch duidelijk de Q deden verslechteren en de waarde van de C vergroten. De dielectrische constante E van vochtige baksteen blijkt aanmerkelijk groter te zijn dan 1.
Nieuwe metingen
Nadat de bakstenen vervangen waren door glazen jampotten werd er opnieuw gemeten. De thermometer en de hygrometer konden weer naar binnen... en het gras is opnieuw gemaaid. Start: C = 144 pF en de dielectrische verliesweerstand Rdi = 680 kΩ, weer vergeleken met een micacondensator. Twee dagen later is C toegenomen tot 201 pF en Rdi is nu 200 kΩ. Weer een dag later: C = 229 pF en Rdi = 164 kΩ. Bij deze metingen is telkens gecontroleerd of er geen lekstromen optraden over de jampotjes of de aansluitdraden. De galvanische weerstand lag voortdurend boven de 40 MΩ.
30pF grasgroei per dag
Dat was het gemiddelde naarmate de condensator dichtgroeide. De metingen zijn gestopt bij een C van 439pF.
Rdi was niet meer te meten omdat de signaalgenerator de nu wel erg lage resonantiefrequentie van de kring niet meer kon opwekken, maar Rdi zat in ieder geval beneden de 10 kΩ... en wat blijft er dan nog van de Q over; nets! Het gras begon de bovenste plaat inmiddels te raken maar bij droog weer kon geen galvanische geleiding via het gras worden geconstateerd.
Naarmate het gras groeit neemt de capaciteit gelijkmatig toe. Rd;, de dielectrische verliesweerstand neemt vrijwel kwadratisch of Q dus ook. De meting van Rd; na drie dagen grasgroei is vermoedelijk een meetfout...
Conclusies
Een met gras dichtgegroeide condensator neemt in capaciteit met een factor 3 toe → ε = 3 × Rdi neemt daarbij af van 680 kΩ tot minder dan 10 kΩ en als we dat omrekenen naar de Q dan neemt deze af van 174 tot ongeveer 3. Met andere woorden: "plantaardig materiaal heeft een zeer nadelige invloed op het dielectricum van een condensator".
Aan de antenne meten
Toen de topcapaciteit van de antenne de appelboom nog raakte was een meting niet goed mogelijk maar dat was snel verholpen door het goed strak trekken van de antenne. Bij een frequentie van 148 kHz werd met de spoel en de variometer resonantie bereikt. De antenne werd afgekoppeld en daarvoor in de plaats een variabele condensator genomen. Om weer resonantie te bereiken moest de variabele condensator op een waarde van 433 pF worden gebracht. De gemeten spanning over deze C was aanzienlijk hoger dan met aangesloten antenne. Een parallel weerstand van 47 kΩ was nodig om de spanning gelijk te maken aan de op de antenne gemeten spanning. Rekening houdend met de parasitaire capaciteiten wordt XC dan 1,8 kΩ. De Q van de antenne komt dan uit op 47 k / 1,8 k = 26.
Variometer
De capaciteit van de antenne kon ook gemeten worden met de RF-1 maar helaas niet bij 136 of 148 kHz; de laagste meetfrequentie van de RF-1 is 1,1 MHz. Bij deze frequentie geeft de RF-1 echter een hogere capaciteit aan nl. 616 pF. Dit maakt nieuwsgierig... de capaciteit blijkt frequentie-afhankelijk te zijn.
De capaciteit neemt of bij een stijgende frequentie. 616 pF bij 1,1 MHz, 91 pF bij 3,8 MHz, 29 pF bij 14,74 MHz en nog maar 4 pF bij 28,52 MHz. Dat geeft te denken... misschien niet eens zozeer voor lange golf antennes maar een vertikale straler voor 40 m heeft met deze enorme topload toch maar een capaciteit t.o.v. aarde van slechts 52 pF.
Hoe hoger de frequentie hoe geringer de indringdiepte in de bodem... wordt de onderste condensatorplaat nog wel 'gezien' door de bovenste plaat? Met andere woorden: verdwijnt de condensator niet langzaam bij een toenemende werkfrequentie?
Bij lage frequenties neemt de capaciteit trouwens af met het lager worden van de frequentie. En het omslagpunt?
Bodemcondensator
Aan de hele installatie is gemeten, aan de bovengrondse capaciteit is gemeten en zou het toch niet mogelijk zijn om ook over het capacitieve gedrag van het ondergrondse gebeuren iets te kunnen zeggen of te meten? Ik heb een condensatorplaat uit gaas op de kale bodem gelegd en metingen verricht t.o.v. de aardelektrode.
Met de RF-1 werd de capaciteit gemeten bij verschillende frequenties en nu, ongehinderd door de eigenresonantie van de antenne, tekende het patroon van de afnemende capaciteit bij stijgende frequentie zich veel duidelijker af.
Voor de lagere frequenties zijn nog enkele metingen gedaan met de grote spoel en/of de variometer... ook hier hetzelfde patroon maar de resultaten kunnen niet direct achter de metingen met de RF-1 worden geplakt; daarvoor zijn de meetmethodes helaas te verschillend. Wel kon bij de metingen op de lage frequenties iets over de verliezen worden vastgesteld.
De capaciteitsveranderingen t.g.v de frequentie-afhankelijkheid zoals die gemeten zijn voor de antenne en de capaciteit van de 'aarde' in een grafiek. Het verloop voor frequenties kleiner dan 1 MHz is met een andere meetmethodiek verkregen en zo goed mogelijk in de grafiek ingepast met de streeplijn. De stippellijn is volledig speculatief en stelt het vermoedelijke verloop van de lijn voor indien de antenne geen eigenresonantie zou vertonen of de eigen resonantiefrequentie ver buiten het meetgebied zou liggen.
Bij 124 kHz waren de verliezen zo groot dat van een echt duidelijke resonantiefrequentie eigenlijk niet meer geproken kon worden. Bij 190 kHz een duidelijke resonantie (alleen de variometer op 611 µH plus 1325 pF en een Rdi van 1,5 kΩ) maar toch nog wel een gigantisch verlies. Bij 600 kHz een capaciteit van 896 pF.
Conclusies
Een parallel-verliesweerstand kan via de Q worden omgerekend naar een serie-verliesweerstand. Voorbeeld: bij een bepaalde frequentie heeft XL een waarde van 5 kΩ. Er is een parallelweerstand van 50 kΩ → Q gemeten Q = R/XL = 50 k / 5 k = 10. In een serieschakeling wordt Q = XL/R → R = XL / Q = 5 k / 10 = 500 Ω.
Bij de metingen aan de bovengrondse condensator uit gaas is niets gebleken van frequentie-afhankelijkheid. Bij de metingen aan de ondergrondse condensator wel en ik houd het er maar op dat dat iets met de 'indringdiepte' in de grond to maken heeft... die indringdiepte is immers frequentie-afhankelijk.
Bij de complete antenne-installatie vinden we twee condensatoren in serie, eentje boven de grond en eentje onder de grond. De capaciteit van deze twee samen is ook duidelijk frequentie-afhankelijk; een afhankelijkheid waarop de eigen resonantiefrequentie van de antenne een grote invloed heeft.
Verder is vastgesteld dat de ondergrondse verliezen enorm zijn; in ieder geval in het lange golf gebied.
Als de capaciteit frequentie-afhankelijk is dan zou men meerdere resonantiefrequenties moeten kunnen vinden. Met een aftakking op de grote spoel (L ≈ 15 µH) werd de signaalgenerator vanaf 100 kHz omhoog gedraaid. Resonantie werd gevonden bij 300 kHz (heel zwak = veel verlies), ca. 1 MHz (al beter = minder verliezen), en 2,1 MHz met een heel duidelijk resonantiepunt en derhalve een relatief gering verlies.
Het zou echter kunnen zijn dat de antenne (die nergens op aangesloten was) meeresoneerde. 2,1 MHz ligt wel erg dicht bij de eigenresonantie van de antenne die ook boven de meetplaats aanwezig was... de hele tuin is vol met draden.
Bastiaan, PA3FFZ.