home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Ham Radio 2000 / Ham Radio 2000.iso / ham2000 / antenna / discone1 / discone1.txt next >
Text File  |  1993-12-30  |  11KB  |  203 lines

  1. DISCONE1.TXT
  2. by Frank Kamp
  3. K5DKZ
  4. DEC 1993
  5.  
  6.                     A DISCONE ANTENNA PROJECT
  7.  
  8.  
  9.      If you are not familiar with this type of antenna, don't feel
  10. bad.  It is not one of your more popular HF or even VHF radiators. 
  11. It is widely used as a base antenna for emergency services (police,
  12. fire, ambulance).  It's primary claim to fame is it's very
  13. broadband performance.  A discone designed to cover 144 mhz can
  14. work equally well up through 1296 mhz.  Feedpoint impedance is 50
  15. ohms unbalanced.  Ideal for 50 ohm coax or hardline.  It is
  16. vertically polarized, omnidirectional, and can best be compared to
  17. an extremely broadband ground plane antenna.  Not much good for UHF
  18. DXing, but it makes a dynamite scanner antenna.
  19.  
  20.      As the name implies, this antenna includes a disc which is
  21. horizontally oriented.  The disc is driven at it`s center by the
  22. center conductor of the coax feedline.  Immediately below the disc
  23. is the cone which is connected to the coax shield.  The disc is
  24. centered over the apex of the cone.  Disc diameter is 0.7 times the
  25. free space quarter wavelength at the lowest frequency of interest. 
  26. The slant height of the cone is equal to a full free space quarter
  27. wavelength at the lowest frequency of interest.
  28.  
  29.      If you take a vertical cross-section through the center of the
  30. cone, the bisecting plane will form an isosceles triangle with the
  31. cone.  All sides of the triangle are equal.  Each included angle is
  32. 60 degrees.  The vertically running feedline exits at the apex of
  33. the cone and describes a 30 degree angle to the cone's surface. 
  34. Okay, enough geometry.  What we have here is a frisbee balanced on
  35. top of a dunce cap.
  36.  
  37.      The mechanical difficulties involved in constructing this
  38. thing for HF become obvious when we consider a cone slant height of
  39. about 32 feet for 40 meters.  AT 50 mhz this dimension drops to
  40. five feet.  At 2 meters we can easily get by with 2 feet.  We can
  41. also simplify the construction by simulating the disc and cone with
  42. a skeletal wire frame.
  43.  
  44.      The discone I built was constructed of #12 copper clad steel
  45. wire salvaged from an old antenna project.  Slant height of the
  46. cone was chosen at 2.5 feet and the final design included eight
  47. wires to simulate the cone; eight wires to simulate the disc.  Disc
  48. diameter was 21 inches.  Since this particular discone had a low
  49. frequency cutoff of around 100 mhz, none of these dimensions proved
  50. critical.  Good results were obtained on 2 meters with variations
  51. as much as +- 1.0 inch.  With this antenna sitting on it's radials
  52. (oops, I mean skeletal cone) on the shack floor, I got an SWR of
  53. 1.1 to 1 all across the 2 meter band.  That was with eight wires
  54. each for the disc and cone.  With six wires each, the SWR was 1.2
  55. to 1.  Four wires gave an SWR of 1.4 to 1.  Two wires resulted in
  56. an SWR of 2.5 to 1.
  57.  
  58.      This test was only done on 2 meters.  I suspect that the
  59. higher frequency performance of this antenna would be much more
  60. adversely affected by the lower wire counts.  I settled on eight
  61. wires for that reason.  Besides, that use up all the wire I had.
  62.  
  63.      There is nothing sacred about using wire.  Tubing; copper,
  64. brass or aluminum would serve as well.  Since the entire structure
  65. is supported at the apex of the cone, all the weight is supported
  66. in compression by the mast with no unbalanced cantilevered loads. 
  67. This makes the weight problem become less of a factor.  Obviously,
  68. the lighter the better as long as the skeletal structures still
  69. simulate disc and cone.  I would not recommend soft drawn copper
  70. wire as a material unless the cone slant height was less than 1.5
  71. feet.  That would put the cutoff frequency at about 160 mhz.  Too
  72. low for 2 meters but good for 220, 440, and up.  At UHF this thing
  73. might even make a decent mobile antenna.
  74.  
  75.      My final construction progressed as follows:
  76.  
  77. A 2 X 2 inch copper plate, 0.250 inch thick, was drilled for
  78. mounting a standard SO style coax connector in it's exact center. 
  79. Eight holes, to pass the #12 wire were drilled, equally spaced, on
  80. a 1.75 inch bearing circle around the coax mounting.  A one inch
  81. long section of copper pipe (approx 1.50 inch inside diameter) was
  82. soldered to the copper plate so that it was concentric with the
  83. coax connector mounting.  You will want to remove the coax
  84. connector before soldering the pipe to the plate.  Use some kind of
  85. fixturing to hold the pipe in alignment with the plate.  After the
  86. pipe is bonded to the plate and before the assembly has had a
  87. chance to cool off completely, mount the coax connector by
  88. soldering it to the plate.  Use of the higher quality SO connectors
  89. that use high temperature dielectric (like teflon) is highly
  90. recommended.  (But then, we wouldn't use anything less in a VHF/UHF
  91. application, would we?)   Tinning all parts before assembly also
  92. helps.  The 2.50 foot wires were then soldered into the eight holes
  93. in the plate and to the copper pipe resulting in a very rugged,
  94. electrically sound assembly.  Unless you have access to a very
  95. large soldering iron, you will need to use a torch to solder this
  96. assembly together.  Take care when soldering the wires not to
  97. reflow the pipe to plate joint.
  98.  
  99.      Two 3 X 3 inch scraps of thick printed circuit board material
  100. were etched to remove the copper and drilled to put a half inch
  101. hole in their centers.  One of these insulating spacers was
  102. attached to the copper plate with 4-40 machine screws.  The copper
  103. plate is easy to work and sufficiently thick to drill and tap for
  104. the screws.  Use flat head screws and recess them into the
  105. insulating plate so that the second insulating spacer can be
  106. epoxied flush to the top of the first.  Rough up the interface
  107. between the two insulators with sandpaper before gluing.  Allow the
  108. epoxy to cure overnight before continuing.  I used 100 mil thick G-
  109. 10 glass epoxy circuit board because that was what was available. 
  110. A quarter inch thick section of Delrin or Teflon would do even
  111. better and not require epoxy.  The objective here is to
  112. electrically insulate the cone from the disc.
  113.  
  114.      Solder a two inch (or so) length of solid copper wire into the
  115. center connection of the SO connector.  Drill a hole in the exact
  116. center of a 3 X 3 inch copper or brass plate to pass the unsoldered
  117. end of the solid copper wire.  Brass shim stock 0.060 inches thick
  118. makes an adequate plate here.  The plate is bolted to the top of
  119. the insulator with 4-40 hardware (stainless if possible).  Locate
  120. the holes carefully to avoid shorting the thin plate to the thicker
  121. one.  Solder the wire at the center of the thin plate and solder
  122. your disc skeletal wires to it as well.
  123.  
  124.      Using some sort of template or gauge, bend the skeletal cone
  125. wires out so that they form a cone with a base diameter of 2.5
  126. feet.  You now have a discone antenna that will work well on 144,
  127. 220, and 440 mhz.   If you contemplate using it on frequencies
  128. higher than that, you will want to add a circular hoop of wire to
  129. the base to stabilize it.
  130.  
  131.      I found that adding the stabilization hoop was as challenging
  132. as building the antenna.  First, we need to get 94 inches of
  133. copper-clad steel wire into as perfect a 2.5 foot diameter circle
  134. as possible.  That is the easy part.  The hard part is getting it
  135. all to lie in one plane.  The wire was joined by overlapping it by
  136. a quarter of an inch, wrapping it with buss wire, and soldering. 
  137. Similar buss wire wraps were used to connect the hoop to the base
  138. of the cone.  Almost any size buss wire will do.  Leads cut from
  139. half watt resistors are ideal.
  140.  
  141.      Don't rely on sight alone before doing the final soldering. 
  142. I found that I could be off as much as two inches before the thing
  143. didn't look right.  Measure both the length of the radials as well
  144. as their spacing on the hoop.  A cloth tape measure of the kind
  145. found in most sewing boxes makes the measuring task much easier. 
  146. I found that attaching opposing wires first made the job easier
  147. too.  
  148.  
  149.      Once all the wires are attached and soldered, re-measure again
  150. to make sure it is right.  You may have to adjust the bends in the
  151. radials to ensure that the feedline drop is as vertical as possible
  152. and perpendicular with the horizontal at all angles to the cone. 
  153. One caution.  Don't try to bend the ends of the radial wires around
  154. the hoop.  Soldered buss wire connections will prove more than
  155. adequate and prevent a lot of frustration.  If you really want the
  156. maximum performance from this design, you may want to consider
  157. adding a second hoop halfway up the cone for added stabilization. 
  158. I have not used my discone above 900 mhz and can't say if the added
  159. stabilization is really needed.  The finished product looks like an
  160. unsuccessful attempt to build a tomato tree, but it is fairly
  161. stable and best of all, it works.
  162.  
  163.                This is certainly not the only way to build a discone antenna. 
  164. I used wire because it was cheap and easy to work.  I prefer a
  165. soldered assembly for it's ruggedness and electrical integrity. The
  166. wire stabilizing hoop could be eliminated if tubing were used or a
  167. higher cutoff frequency were desired.  I also like to use
  168. connectors at both ends of the feedline to facilitate antenna
  169. maintenance without having to run extension cords for soldering in
  170. difficult places.  
  171.  
  172.      Installing this antenna is particularly easy.  A length of RG
  173. 52 coax with PL-259 connector is inserted up the center of the
  174. mast, holding my beams.  Connection is made to the SO connector at
  175. the base of the discone and the discone is dropped into the  center
  176. of the mast.  A couple of self tapping screws into the copper pipe
  177. hold the antenna to the mast.  I just realized that may not be so
  178. easy for folks who do not have tilt over towers.  Oh well, you get
  179. the idea.  The discone should be mounted as high on the tower as
  180. you can get it.  Don't forget to provide a rotator loop for the
  181. discone feedline should your mounting require it.
  182.  
  183.      As a final thought, I wonder what the surge impedance of #12
  184. wire inside a 1.5 inch copper pipe is?  Wouldn't it be neat to use
  185. sections of copper pipe for the mast and have it act as a homebrew
  186. hardline as well as support mast?  Why, if we chose the height of
  187. our mast judiciously we might even be able to use it as a vertical
  188. on the HF bands.  Wonder how good a top hat the discone would make. 
  189. Wonder if we could use such a system simultaneously on HF and 220? 
  190. Anyone for a 14/220 repeater?
  191.  
  192.      Serious prospective builders may have noticed the lack of
  193. sketches and diagrams in this short article.  That is because ASCII
  194. graphics is a conflict in terms.  If you do need a sketch, or if
  195. you have any comments, you may write me at 907 Dumont, Richardson,
  196. TX 75080.  I will send you a sketch if you enclose an S.A.S.E.
  197.  
  198.  
  199.                                END
  200.  
  201.  
  202.  
  203.