home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HAM Radio 1 / HamRadio.cdr / ant / anttutor / antenna.4 < prev   
Text File  |  1989-07-16  |  11KB  |  173 lines

  1. .Part 4 - VHF and UHF Antennas:
  2.  
  3.    The spectrum above 50 MHz has special significance to the development 
  4. of antennas and antenna arrays.  This is the frequency range where you can 
  5. build a really high gain antenna without owning a large piece of real estate. 
  6. It is also the region where antennas can be tested easily in preparation for 
  7. scaling them to the HF region.  At the upper end of our frequency spectrum the
  8. antennas are more aking to optics.  I'll divide this segment of the spectrum 
  9. into two parts, the VHF and UHF regions.
  10.  
  11.    The two major types of antennas used in the VHF spectrum (50 to 225 
  12. MHz) are the collinear array and the Yagi structure.  The collinear array 
  13. usually consists of a group of 1/2 wavelength dipoles in front of a screen or 
  14. set of half wave reflectors.  In the later case, it technically could be 
  15. called an array of two element Yagis.  The unique thing about the collinear is
  16. the simplicity of the feed system which usually is an open wire line.  The 
  17. collinear is usually quite broadband, unlike most high gain antennas, and 
  18. efficiency and gain can be quite high.  The extended expanded collinear is a 
  19. stretched out version that has less elements and was described in an article I
  20. wrote in Dec. '74 QST.  Both the conventional and the extended expanded 
  21. collinears were widely used in the days before good Yagi designs were 
  22. available and are still in use by some 144 and 432 EME operators.  This type 
  23. of antenna has two main drawbacks:  1. It is large and hence it can be large 
  24. enough, an expression the late Sam Harris, ex W1FZJ, used to use for antenna 
  25. that couldn't stay up under adverse weather and 2.  Its size usually prevents 
  26. mounting other antennas on the same mast.
  27.  
  28.    The workhorse in the VHF spectrum is truly the Yagi antenna. The first
  29. high gain VHF Yagi designs were published by Carl Greenblum (QST, Aug/Sept. 
  30. '56), J. Kmosko, W2NLY and H. Johnson, W6QKI (QST, Jan. '56) and Dr. Hermann 
  31. Ehrenspeck and H. Poehler (IEEE, PGAP, Oct. '59, pp 379-386). Unfortunately, 
  32. these Yagis weren't always as good as claimed and had only fair cleanliness in
  33. the side lobe and front-to-back ratio. In Jan. '72 (QST pg 96 and March pg 101
  34. corrections), Don Hilliard, W0EYE, now W0PW, published his 4.2 wavelength 15 
  35. element Yagi based on the unpublished works of Peter Biezbicke at NBS. Don and
  36. I urged Pete to publish his work and he finally did so in Dec. '77 in NBS 
  37. Technical Note #688, now out of print. This publication was the result of 
  38. extensive studies done by the NBS in the 1950's to develop high gain arrays 
  39. for ionospheric scatter and included models with boomlengths of 0.4 to 4.2 
  40. wavelengths plus new information on scaling and boom corrections. In August 
  41. 1977 "Ham Radio" I published a full length article on the NBS report including
  42. all the necessary details to build your own Yagis and sketched several models 
  43. for 50 thru 432 MHz. There are some errors in the NBS publication which are 
  44. corrected in my article. Not correct was the gain of the 2 element Yagi which 
  45. should be approximately 5.0 dBd, not 2.6 as reported by NBS (they must have 
  46. had some measurement errors). The NBS Yagis are not the only Yagi designs 
  47. available but they are easily duplicated and near the maximum gain attainable 
  48. for the appropriate boom lengths. They have excellent patterns and are easily 
  49. stacked for additional gain.
  50.  
  51.    One more point in passing. The trigonal reflector system in NBS 688 
  52. definitely is no good on the 3.2 wavelength and shorter booms. It actually 
  53. reduces gain by up to 1.5 dB! By lengthening all three elements in this 
  54. reflector system, I have been able to recover all the gain but no real gain 
  55. improvement over a single reflector. I have not tested the trigonal reflector 
  56. on the 4.2 wavelength designs.
  57.  
  58.    In Feb. 1978 QST, Wayne Overbeck, N6NB, published an antenna he named 
  59. the Quagi. It is basically a Yagi using a quad driven element and reflector. 
  60. It is low in cost using a wooden boom and fed directly with coax cable. DL9KR 
  61. and others have done further optimization on the Quagi and have used arrays of
  62. 16 to do 432 MHz EME. This design could still use some optimization in gain 
  63. and only a limited number of designs are available. 
  64.  
  65.    Other versions of the Yagi have also been used including the log-
  66. periodic fed Yagi developed by the late Oliver Swan and now manufactured by 
  67. KLM (See Ham Radio, Jan '76, pg 46). The log periodic antenna discussed 
  68. earlier in this talk has never found much favor with amateurs since there is 
  69. no need for the bandwidth and it has less gain than a well designed Yagi. 
  70. Along these lines, we can now make high gain Yagis with clean patterns using 
  71. the NBS designs. These antennas seem to stack well in larger arrays yielding 
  72. the 20 plus dBs required for 144 and 220 MHz EME. One EMEer, Dave Olean, 
  73. K1WHS, is using an array of 24 of the 2.2 wavelength NBS type Yagis stacked 8 
  74. feet apart for EME and he has worked stations all over the world who are only 
  75. using single Yagis and moderate power.
  76.  
  77.    Most recently, with the help of a large computer, a special program 
  78. and a local person interested in the design of VHF antennas, we were able to 
  79. develop a very unique Yagi, an 8 element one on a 12 foot boom for 144 MHz 
  80. that had extremely high gain (greater than 11.5 dBd true gain) with excellent 
  81. pattern (all lobes down 20 dB). It worked so well that I made 8 copies and 
  82. first tested them on a 144 MHz EME DXpedition to Rhose Island where 25 
  83. stations were worked off the Moon in two nights of operation. Computers will 
  84. undoubtedly be useful in the future as this work continues.
  85.  
  86. UHF:
  87.  
  88.    The 420 MHz and up area is in a transisition region. Long Yagi 
  89. antennas can be made with high gain such as the NBS and Guenter Hoch, DL6WU, 
  90. types. The later designs are an extension of the Greenblum designs mentioned 
  91. earlier and can be designed up to 20 wavelengths (see VHF Communications, #3 
  92. and #4, 1977, and #3, 1982). These designs show an increasing gain of 
  93. approximately 2.2 dB for every doubling of the boom length which is about the 
  94. maximum so far reported. Indeed I built a 9.25 wavelength (21 foot) 432 MHz 
  95. Yagi using this design material and achieved a verified gain of almost 17 dBd 
  96. at the 1981 Central States VHF Conference in Sioux Falls, SD.
  97.  
  98.    Long backfire ("A New Method For Obtaining Maximum Gain from Yagi 
  99. Antennas", IEEE, PGAP, Vol 7, Oct. '59) antennas have been tried by the EMEers
  100. but gains have failed to live up to claims. The short backfire ("The Short-
  101. Backfire Antenna", H. W. Ehrenspeck, Proc IEEE, Vol 53, Aug '65) has been 
  102. duplicated by myself and others and gains of approximately 15 dBi have been 
  103. achieved. Perhaps more work should be done in this area as an array of short 
  104. backfire antennas has the potential of higher gain without the problems of the
  105. surface tolerances on the parabolic reflector.
  106.  
  107.    Loop Yagi: Another popular UHF antenna is the loop Yagi developed in 
  108. 1974 by Mike Walters, G3JVL (Radio Communications, RSGB, Jan '75 and Sept '78).
  109. Although it looks like a quad, it is distinctly different in that it uses 
  110. wide but thin metal scraps for elements. Mike started out with wires but could
  111. never achieve high gains (like discussed earlier on quads). He recons that the
  112. wide but thin strap improves bandwidth and hence gain. The loops are bolted 
  113. directly to a metallic boom thus solving the mechanical problems of mounting 
  114. elements at UHF. It is a very practical antenna for 902 MHz and above and has 
  115. worked well for me on 902, 1296 and 2304 MHz. G3JVL has even designed and 
  116. tested to specifications a 10 GHz model. The principle designs use 26, 38 and 
  117. 45 elements. The gain on the 45 element model (which is 16 wavelengths long) 
  118. is 21 dBi! G3JVL has also published correction factors so that the loop width 
  119. thickness and boom size can be scaled.
  120.  
  121.    Dishes: There is something esoteric about the parabolic dish antenna. 
  122. It just has to work but the typical dish only has a 55% efficiency at best. 
  123. Furthermore, it has a large wind surface. Therefore, it is not too popular 
  124. except at frequencies where loop Yagis are no longer economical and for EME 
  125. where it can often be mounted close to the ground. More on this subject later.
  126.  
  127.  
  128.    High Performance Arrays: I'd now like to turn to the subject of high 
  129. performance arrays and more specifically EME (Earth-Moon-Earth) antennas. EME 
  130. affords a unique property, viz. that due to the approximately 2-1/2 seconds it
  131. takes a radio wave to traverse the 450,000 mile path to the Moon and back, the
  132. EMEer can make improvements to his antenna system and actually hear the 
  133. difference by listening for his own echos. Furthermore, EME antennas have such
  134. high gain (typically greater that 20 dBi) that you can listen to the noise 
  135. generated by the sun to measure beamwidth, patterns and hence determine actual
  136. antenna gain (see "Requirements and Recommendations for 70-cm EME", J. 
  137. Reisert, W1JR, Ham Radio, June '82) as well as system noise figure. 
  138.  
  139.    Large Yagi arrays are becoming increasingly popular especially for 
  140. EME. WB0TEM has 24 5.75 wavelength 19 element Yagis on 432 while K1WHS has 24 
  141. 14 element 2.2 wavelength Yagis on 144 MHz. Both stations have big signals and
  142. are able to work small (1 or 2 Yagi) stations off the Moon.
  143.  
  144.    However, the really big EME stations use parabolic dishes up to 40 
  145. feet in diameter!  The advantages of a dish for EME operation are numberous 
  146. despite the low (55%) efficiency (some commercial antenna manufacturers have 
  147. claimed up to 80% efficiency but use cassegranian feed systems that are quite 
  148. complex). First off, the feed system can be changed to permit multiband EME. 
  149. Circular polarization is also possible by using dual dipole feeds or the W2IMU
  150. multimode horn. Dish type antennas are usually much quieter on reception 
  151. because of low side lobes and hence are very desireable with the low sky 
  152. temperatures experienced on 432 MHz and above. On 432 MHz where linear 
  153. polarization is still predominant, the most efficient dishes are using the EIA
  154. symmetrical "E" and "H" plans and works well with a dish with a 0.45 to 0.5 F/
  155. D ratio. VE7BBG has such a feed with a W2IMU horn built into the center and 
  156. has made cross band (23 to 70 cm) EME QSO's. A single dipole in front of a 
  157. splasher plate is definitely not recommended due to its unequal "E" and "H" 
  158. beamwidths! We still have a long way to go to improve efficiency and the 
  159. offset parabola recently introduced to EMEers by W2IMU from Bell Labs has 
  160. considerable advantages if the construction can become feasible for amateurs.
  161.  
  162.    Summary: The VHF/UHF frequency region is a good test bed for 
  163. developing and improving antennas. Recent developments in the Yagi and loop 
  164. Yagi have greatly advanced the state of the art in VHF/UHF communications. 
  165. Antenna patterns have improved and hence the noise temperature of the antennas
  166. used is now more compatible with the state of the art preamplifiers. The NBS 
  167. Yagi data now gives everyone interested a recipe for a suitable antenna 
  168. without guesswork. EME antennas have taken a big leap forward in performance 
  169. and made EME operation almost commonplace. We still need to do more work in 
  170. the area of low loss feed systems especially for Yagi arrays.
  171.  
  172. (End of Part 4)
  173.