home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HAM Radio 1 / HamRadio.cdr / ant / anttutor / antenna.3 < prev    next >
Text File  |  1989-07-16  |  8KB  |  119 lines

  1. Part 3 - Upper HF Frequencies:
  2.  
  3.    This is probably the frequency region where most amateurs are really 
  4. concerned about their antennas and probably where the most $$$ are spent. Here
  5. the rotary antenna is very popular and being competitive in the pileups is 
  6. very important.
  7.  
  8.    Other than the usual ground planes, dipoles and long wires, the most 
  9. often used antennas in the 10 to 30 meter frequency range are the Yagi and the
  10. cubical quad.
  11.  
  12.    First my thoughts on the quad. It may be a fine antenna for some 
  13. amateurs. It is surely an inexpensive antenna but is difficult to keep in the 
  14. air. It really has high Q in that it's front to back ratio detunes rapidly 
  15. versus frequency. I strongly doubt that it has greater than 1 dB gain over a 
  16. properly designed Yagi (more on this later). The usual way a quad is tuned is 
  17. to maximize the front to back ratio. This does not necessarily mean maximum 
  18. gain. I personally feel the quad is popular because its construction is simple
  19. and low cost. A quad using aluminum tubing would probably do much better but 
  20. would obviously be unwieldly. One big plus for the quad, and I may add its 
  21. original invention was for this reason, is its lower static reception level 
  22. during rain and snow storms. This is unquestionably true. I've gone the quad 
  23. route twice. Despite 2 years of work on a 3 element quad, it never could 
  24. compare with a well designed 3 element Yagi and hence was finally scrapped in 
  25. favor of the Yagi. Tests at VHF and UHF on scaled quads have never 
  26. successfully shown the gains claimed except on the loop Yagi which I will 
  27. discuss later in this teleconference.
  28.  
  29.    In this frequency range, the Yagi is King especially among the DXCC 
  30. Honor Roll members. This antenna has been around the amateur community since 
  31. the late 1930's. Many people have used Yagi antennas but few have really paid 
  32. any attention to proper element lengths. Recent work on scaling and especially
  33. on element tapering have been thoroughly discussed by the late Jim Lawson, 
  34. W2PV, in a series of articles in Ham Radio from August 1979 thru December 
  35. 1980. These articles show that on 20 meters the elements may have to be 
  36. lengthened as much as 12 inches and more to equal the free space length of an 
  37. equivalent untapered element. The results of not performing this extension are
  38. lower gain and poorer pattern than expected!
  39.  
  40.   This same series of articles is probably the best collection of 
  41. references on Yagi design to date. W2PV meticulously explored all details. Of 
  42. greatest interest are his charts and patterns showing what can be done and how
  43. to do it. This is must reading for the serious HF'er. 
  44.  
  45.    W2PV also shows how to use computer aided optimization, a technique 
  46. that is presently beyond those without access to a large computer, but surely 
  47. something that will be within the realm of home computers in the not too 
  48. distant future. The principle advantage to computer-aided Yagi design is the 
  49. ability to optimize gain, front-to-back ratio or side lobes. One big problem 
  50. is bandwidth, typically 250 to 300 KHz. maximum at 20 meters. This is true 
  51. because of the feed systems we amateurs use and the cutoff of the first 
  52. director causing the pattern to break up at the top of the band. As a word to 
  53. the wise, design your Yagi antenna on the high side of your favorite operating
  54. frequency since this type of antenna cuts off rapidly above the design center 
  55. but drops performance slowly as the frequency is decreased.
  56.  
  57.    All things being equal and optimum, the boom length, not the number of
  58. elements, is the important parameter when determining the gain of a Yagi 
  59. antenna. A larger number of elements than required insures a good pattern over
  60. a wider bandwidth but more elements can also be a negative since there are 
  61. more things to go wrong both electrically and mechanically! Maximum gain on a 
  62. one wavelength boom is about 10 dBd! Compare this with the high gains you hear
  63. amateurs bragging about on the HF bands.
  64.  
  65.    Another interesting phenomenon on Yagi's is the improved pattern at 
  66. certain boom lengths. This was first discovered by Peter Viezbicke and 
  67. reported in NBS Technical Note #688 and later confirmed by W2PV. The NBS data 
  68. showed slightly higher gain at certain boomlengths which is probably due to 
  69. some pattern cleanup. Suffice it to say that for best pattern and gain, the 
  70. boomlength of a Yagi antenna should be an odd number of quarter wavelengths (
  71. eg .25, .75, 1.25, etc.) long. (The only known exception is the famous W2PV 
  72. 0.575 wavelength boom published in the Yankee Clipper Contest Club Bulletin. 
  73. However, this design is asymmetrical about the axis and uses very close 
  74. reflector spacings and is believed to be a special case).  We will discuss the
  75. NBS Technical Note in depth in the VHF/UHF portion of this talk because the 
  76. antennas in that report are mostly longer than the typical designs used on HF.
  77.  
  78.  
  79.    Boom resonances can be a problem especially at HF and where mono-band 
  80. Yagi's are often stacked Christmas tree fashion for multiband operation.  
  81. Again, computer optimization has shown that these effects are real.  Gain and 
  82. front-to-back ratio can be significantly decreased when one Yagi is placed 
  83. close to another one even though they are on different frequency bands.  
  84. Computer techniques have been used to reduce these effects by re-tweaking the 
  85. element lengths to offset the detuning effect but even then the results show 
  86. bandwidth may be decreased by up to 50% of the original design.  Some amateurs
  87. have used insulated boom mounting clamps in an attempt to offset this effect. 
  88. Another technique but an ungamely one is to rotate the offending antennas at 
  89. right angles to the lower antenna.  If you place one antenna in close 
  90. proximity (1 to 2 meters at HF) to another, check the VSWR carefully before 
  91. and after the change.  If the pattern or the VSWR shifts or changes, it is a 
  92. possible sign of an interaction problem.
  93.  
  94.    Let's not forget the log periodic array!  "The Log-Periodic Dipole 
  95. Array" by Peter Rhodes, K4EWG, QST, Nov. '73, "The Log-Yag Array" by K4EWG and
  96. J. Painter, W4BPP, QST, Dec. '76 and "The Log-Periodic V Array" by K4EWG, QST,
  97. Oct. '79 articles are must reading. The addition of the new WARC bands in the 
  98. future will make log-periodic antennas much more practical.  Their main 
  99. andvantage is good gain, VSWR and pattern over a very wide frequency range 
  100. rather than the usual narrow bandwidth of the conventional Yagi antenna.  One 
  101. amateur antenna manufacturer presently employs a log-periodic feed system to 
  102. some of their antennas to increase bandwidth. The log-periodic structure 
  103. forces current and therefore pattern by its unique feed system and I think we 
  104. will see more antennas of this design in the not to distant future.
  105.  
  106.    Summary: We've come a long way in the HF region. There will be a swing
  107. towards wider bandwidth and perhaps LPA's will find their way into the 
  108. amateurs bag of tricks as more spectrum and bands become available (eg. 18 and
  109. 24 MHz.).  We are getting more discriminating and will demand good patterns 
  110. and gain at the same time!  In the future I see the use of computer aided 
  111. design to improve patterns and gain as well as bandwidth.  Wider bandwidth 
  112. feed systems are needed. The LPA is one example, the use of the open sleeve 
  113. dipole is another.  Amateurs have notoriously ignored the feed systems and 
  114. consistently used narrow band feed systems.  We must develop wider feed 
  115. systems and consistently used narrow band feed systems.  We must develop wider
  116. bandwidth feed systems in the future.
  117.  
  118. (End of Part 3)
  119.