Klub SP2PUT

Akademicki Klub Krótkofalowców UTP w Bydgoszczy

24-Sie-2013

Antena pionowa na 80m – druga wersjaSimple and very small 80m vertical antenna

Rok temu opisywałem prosty projekt anteny pionowej na pasmo 80m, która mieści się w miniaturowym ogródku. Jesienią musiałem przyciąć drzewa, gdyż robiły się niebezpieczne dla otoczenia, przez co straciłem metr wysokości do mocowania anteny.

The english version of this article is a compilation of two previous posts about the first design and necessary corrections after trimming the trees.
This is a project of an 80m vertical antenna that can be done in one day.
The english version of this article is a compilation of two previous posts about the first design and necessary corrections after trimming the trees.


Pierwotny projekt

Krótkie przypomnienie jak wyglądała poprzednio antena:

Pionowy odcinek miał 7 metrów i dwa boczne również po 7m, całość jest razem zwarta (stanowi zwykły, pionowy „bat”) i zasilana względem przeciwwag zakopanych w gruncie (plus prosty obwód LC do dopasowania).

Skrócona antena

Po przycięciu drzew i skróceniu części pionowej antena wygląda następująco:

Jedyna zmiana to długość pionowego odcinka – teraz ma 6 metrów (jeden metr mniej). Skrócenie i tak już (bardzo) krótkiej anteny powoduje, że nie nadaje się ona do użycia w pierwotnym paśmie. Żeby znowu dostroić antenę można by zwiększyć indukcyjność w punkcie zasilania (straty), albo wydłużyć antenę pojemnościowo.

Wpadłem na pomysł dorobienia kolejnego „wąsa”, który pojemnościowo wydłużyłby antenę:

Symulacja

Wyniki symulacji wyglądają następująco:

Krótkie zestawienie wariantów:

  1. Oryginalna antena (7m w pionie)
  2. Antena po przycięciu drzew (6m w pionie)
  3. Antena po przycięciu drzew z dodatkowym wąsem
  4. Antena z „ćwiartką” pajęczyny
  5. Antena z „połówką” pajęczyny (opisane dalej w tekście)

Przejście z wariantu 1 na wariant 2 spowodowało spadek rezystancji anteny, przejście z 2 na 3 (dodanie wąsa) lekko podniosło rezystancję i przybliżyło reaktancję do pierwotnego wariantu.

Dopasowanie

Oryginalne symulowane dopasowanie wyglądało następująco:

Po skróceniu konieczne okazałoby się zwiększenie indukcyjności:

Natomiast dodanie wąsa wymagało zmniejszenia indukcyjności w stosunku do pierwszego

W praktyce musiałem odwinąć kilka zwojów z cewki (aż do zadowalającego SWR, ok. 1,2 wskazywanego w transceiverze), pojemność została po staremu.

Gotowa antena


Tradycyjnie niewiele widać, SąsiadFactor(tm) na korzystnym poziomie. Lekko zwisający element to właśnie dodatkowy wąs. W tle widać inv-vee na 40m i zestawy przeciwwag od anteny pionowej Trident SP2SWT. Antena zachowuje się praktycznie identycznie jak przed rokiem. Zasięgi sięgają przeciętnie gdzieś do 1000km, ale jestem aktywny popołudniami i wieczorami, więc nie za bardzo wiem, co się dzieje w nocy.

Kolejne pomysły

Skoro mam już trzy „odnogi” u góry anteny, to czemu by ich nie połączyć razem? Każda ilość metalu na czubku anteny będzie ją elektrycznie wydłużać (czyli mniej się straci na dopasowaniu LC na dole).
vertical_4_d
vertical_5_d

Dane z symulacji (warianty 4 i 5) pokazują, że rezystancja anteny zwiększyłaby się, natomiast pewnym problemem jest zmiana znaku reaktancji. MMANA-GAL przy obliczaniu dopasowania LC do nich tworzył zasilanie przez dzielnik pojemnościowy (lub indukcyjność do ziemii i część pionowa przez kondensator do żyły gorącej) – nie spotkałem się z takim dopasowaniem nigdzie w literaturze, więc pewnie anteny o takiej reaktancji zupełnie inaczej się zasila. Pewnym rozwiązaniem na pewno byłoby dopasowanie typu gamma. Charakterystyka anteny nie odbiega wiele od dookólnej, jedynie w miejscu dodania kolejnych drutów tworzy się jakby reflektor i powstaje zysk w przeciwną stronę.

Artur SP2AGX

Why a vertical?

I was mostly active on the upper HF bands due to my extremely limited garden, but I wanted to get started on 80 meters. All my antennas are verticals and this time I also considered only verticals. The shortest vertical antenna for 80 meters should be 1/4 wavelength high, that is 20m. It is hard to make a freestanding structure that high, so I wanted to make it out of a wire and use trees as supports. The highest tree available is about 14 meters high, so the antenna will have to be electrically lengthened anyway. One way is to make a capacitive hat on the top (literally just any bunch of metal), or place a coil somewhere down (near the feedpoint). In reality both measures will be required.

Initial idea


My plan is to make the „whip” (driven element) resemble the letter „T”. The horizontal wire on top is the capacitive „hat”. Everything above ground is a single conductor. The vertical part is driven against ground radials. The finally hanged wire turned out to be only 7 meters high (and 14m horizontally).

Measuring equipment


The handy stuff is:

  • laser rangefinder
  • MAX4 antenna analyzer
  • LC meter

A laser rangefinder is a lovely piece of equipment to measure trees and long distances in the air, of course one could do without it. It saves a lot of time that would have to be spent on hanging the wire, straining it, lowering and cutting on the ground. The antenna analyzer saves a lot of time finding resonances and also can measure the impedance of the antenna (the numbers can then be fed to one of many programs available to find an exact match with very little trial and error).

Simulation

The fundamental limitation is the dynamic range of the antenna analyzer. Generally speaking: it can not distinguish SWR of 10 from 20, from 30. I can’t match an antenna when I don’t know where the resonance is (the analyzer shows infinity everywhere) and which values the matching elements should have. To match the antenna
I have performed a basic simulation, so as to have a guess to start with. MMANA-GAL is a quite simple and powerful application to do it.

The first step is to define the geometry of an antenna and its feedpoint:

Manual coordinates input is not comfy, but manageable for three wires 😉 It has to be defined as three wires because only the ends of the wires can be connected.

General view with the feedpoint at the bottom:

Simulation:


The SWR for 50 Ohm feedline turned out to be 22….. nasty! An antenna analyzer would simply show it as infinity. The application has a simple calculator for most popular match types. Radiation characteristics of this antenna are omnidirectional in spite of the long horizontal wire.

Matching

The easiest way to do it is a simple LC circuit at the feedpoint:

Construction

I used a 0,5mm^2 stranded wire (everyone says it is too thin, for me it just works). I do not use any special ceramic isolators at the ends, several meters of polypropylene wire do it best.

Wires after hanging:

The best visible part is that is….. barely visible with a good NeighbourFactor(tm). It just disappears between the branches.

Feedpoint:

The blue wires coming out of the ground are buried radials.

Feedpoint box:

Inside there is a female UC-1 connector, radial wires that have connectors soldered on, a 5µH coil leading from the hot wire to the vertical part and a 1,5nF HV cap shunt to the ground.

Measurements

Simulation may be accurate but there were no features like random bushes, trees and trellis. 😉

First approach (5µH and 1,5nF):

Wooooow! There is a resonance, although too high but measurable by the analyzer.

I wound a second coil (~8µH):

Second approach (8µH i 1,5nF):

The resonance curve flattened out but also shifted down. I decreased the capacitance down to 450pF and finally to 150pF.

Final effect (8µH i 150pF):

The resonance is at 3,7MHz, exactly where I wanted.

How does it perform?

I user this antenna without a tuner. Characteristics are just like of a typical vertical antenna, very short range (~50km) communication is next to impossible. I worked Japan quite easily, so it is an antenna for long ranges and keep in mind that any antenna is better than no antenna 🙂

Parts and budget

Generally speaking – it is dirty cheap. The most expensive part is the feedline (RF-7 coax). A reel of LGY cable cost me less than 10EUR, an Amidon ferrite core about 4EUR. Caps and other small elements were taken from my junk box.

Necessary corrections

Last fall I had to trim the trees – they were starting to be brittle and break often. I lost about one meter of available mounting height

A quick reminder of the original antenna:

Shortened antenna


The only change is the length of the vertical wire. It is now 6 meters tall. Shortening an already short antenna does no good, the resonance shifts out of the desired and. To match it again I would have to either increase the inductance at the base (lossy) or increase the top capacitance.

I added another horizontal wire on top:

Simulation results


The scenarios are:

  1. Original antenna (7m high)
  2. Shortened antenna (6m high)
  3. Shortened antenna with extra wire
  4. Antenna with a „quater web” top (see further text)
  5. Antenna with a „half web” top

Switching from scenario 1 to 2 decreased significantly the resistance of the antenna, adding the extra wire (scenario 3), increased the resistance a little. Reactance is also important so scenario 3 is much better than 2.

Matching

That is how the original match looked like:

Match for scenario 2 (requires extra inductance):

Adding an extra top wire decreased the inductance, down even from the original design:

Technically speaking I unwound several turns from the coil until satisfactiory SWR of about 1,2 indicated by my IC-7200. The capacitance remained the same.

Some photos


Still stealthy, the loosely hanging wire is the extra one. In the background is a dipole for 40m and some radials for SP2SWT Trident vertical.

Some ideas

I have three horizontal wires now, why not connect them by the ends? Every amount of metal at the top will increase the electrical length and the less inductance at the base, the more efficient the antenna.
vertical_4_d
vertical_5_d

Simulation data for scenarios 4 and 5 shows increased resistance, however there is a problem with an opposite sign of reactance (too much top capacitance). An LC match calculated by MMANA-GAL turned out to be a sort of capacitive divider with no inductance (that is one cap shunt do ground and other in series with the driven element) – I have never seen such match in the wild, so probably such antennas require a completely different type of matching (maybe gamma). Radiation characteristic is still very omnidirectional, additional wires make sort of a reflector, therefore there is a small amount of gain in the opposite direction. Theese ideas are still waiting to be tried 🙂

Tips:
BTC 15RXzysGYaV6sZnnztBFB9zupjNGDZysPj
LTC Ld1zhCLjvHmvmMFp9NKcTJU7AjAtSBmgaU

Artur SP2AGX

Opublikowano w dziale: Konstrukcje i sprzęt, SP2AGX DIY

Komentuj

Musisz być zalogowany aby komentować.