home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Tech Arsenal 1 / Tech Arsenal (Arsenal Computer).ISO / tek-20 / antenna1.zip / ANTENNAS.1 < prev   
Text File  |  1991-06-13  |  14KB  |  218 lines

  1. Antenna Tutorial - Part 1
  2.  
  3.  
  4.         Through the courtesy of the Teleconference Radio Net and net manager
  5. Rick Whiting, W0TN, we've received a transcript of the June 2nd
  6. Teleconference by Joe Reisert, W1JR. Joe spoke on the subject "Antennas and
  7. Antenna Systems, Where is the State of the Art Going?"
  8.  
  9.         Joe's talk did an excellent job of covering the whole spectrum of
  10. antennas - from HF through UHF - and made heavy use of references in the
  11. amateur and professional literature.
  12.  
  13.         For the next couple of weeks, we'll be serializing Joe's talk here in
  14. the Ham Radio Tutorials section of the Message Board. The initial series of
  15. messages will be left shortly - to be followed by four remaining sections of
  16. the talk in the coming weeks.
  17.  
  18.         After the series is presented on the Message Board, it'll also be
  19. found archived away in the XA7 database - so that you'll be able to readily
  20. refer back to it in the future.
  21.  
  22.         We hope you find the series interesting and useful. It covers a broad
  23. range of technical material on a subject of interest to all amateurs. Your
  24. discussion of the Joe's text is welcomed!
  25.  
  26.  
  27.  
  28. PART I - Overall Summary and Definitions
  29.  
  30.         Good evening, my fellow amateurs. It is a great pleasure to be here
  31. tonight. I feel honored to be selected to speak at this very large and
  32. possibly largest ever teleconference. Many thanks go to the Honeywell Amateur
  33. Radio Clubs and, in particular, Dave Meldrum, KA1MI, and Rick Whiting, W0TN,
  34. for the confidence they have placed in me and also for their helpful hints
  35. and suggestions to make this presentation a success.
  36.  
  37.         Tonight my talk will be about "Antennas and Antenna Systems, Where is
  38. the State of the Art Going?" I will divide the talk into four separate
  39. segments. The first part will deal with general terms and definitions which
  40. will set the stage for the rest of the talk. The other three segments will be
  41. the "low HF" (40 through 160 meters), the "middle HF" (10 through 30 meters)
  42. and finally VHF/UHF and EME antennas. In most cases I will be talking about
  43. the top of the line, state of the art or future antennas and antenna systems.
  44.  
  45.         There is probably no other amateur radio topic that inspires such a
  46. vigorous line of conversation as the subject of antennas. Virtually every
  47. amateur has some interesting story to tell about his or her favorite antenna
  48. or antenna system or one yet to be fully tested. In reality there is no
  49. better place to spend you time improving the performance of your station
  50. since if the same antenna is used for transmitting and receiving, every dB of
  51. improvement in gain yields a two dB overall station improvement, one dB on
  52. transmit and one dB on receive. The old saw still stands... "If you can't
  53. hear them you can't work them."
  54.  
  55.         If there is one big complaint that can be leveled against the amateur
  56. community it is that they almost never use true gain standards when
  57. evaluating antenna performance below 30 MHz. Typical performance is measured
  58. in dBs above my last antenna or above a long wire in the trees of how many
  59. guys I beat out in the pile up on XZ2XX. Seldom regarded are changes in radio
  60. propagation, power of the competition, or operator savvy not to mention good
  61. luck in being at the right frequency or timing of the call. Another problem
  62. is the sheep following the wrong leader copying an antenna that Joe Blow uses
  63. because he works more DX than I do without regard for his physical setup,
  64. power or operating ability. The trouble with this kind of approach is that
  65. you never really know what you have. You even may have built a real good
  66. antenna and replaced it with a poorer one. The situation I've described is
  67. not hopeless or beyond even the novice doing antenna tests if you understand
  68. your limitations and make a few basic tests.
  69.  
  70.         Typical amateurs can only measure a few antenna parameters such as
  71. VSWR and in the case of a rotary beam, front to back ratio. Therefore, the
  72. commercial manufacturers make sure that these parameters are good.
  73.  
  74.         Let me be more specific about these parameters and first look at
  75. VSWR. All kinds of myths have evolved such as the one that says a 1:1 VSWR is
  76. necessary for an antenna to be working properly. This is entirely false. More
  77. recently, there has been an upsurge in the belief since many of the modern
  78. solid state rigs will only put out power if the VSWR is below 1.5:1. The
  79. lowly antenna tuner is now enjoying a big comeback. We have gone to solid
  80. state rigs that don't require tuning but now we have to add an antenna tuner
  81. that takes more time to adjust than the old pi-networks we all used to use
  82. that would literally load into any VSWR.
  83.         To further muddy the water, the typical VSWR measuring gear used by
  84. amateurs is patterned after the monimatch, a breakthrough in its time but an
  85. instrument that is sadly lacking in accuracy when compared to a good
  86. directional coupler like the Bird Model 43 thru-line wattmeter and its
  87. equivalent toroid directional hybrid VSWR meter. Whenever I hear someone tell
  88. me their dipole covers the full 80 meter band with a 3:1 VSWR I just laugh to
  89. myself and wonder if they have a lossy feedline, a dummy load or just another
  90. incorrect reading VSWR bridge.
  91.  
  92.         Probably the most important antenna parameter is gain. Gain is an
  93. antenna property dealing with its ability to radiate power in a desired
  94. direction or conversely to receive energy preferably from a desired
  95. direction. It is a relative quantity, not measured in watts or ohms, etc.
  96. Hence gain must be referenced to something such as a dipole or an isotropic
  97. radiator, a theoretical antenna that radiates power equally well in every
  98. direction. HF'ers rarely measure this very important parameter and usually
  99. blindly accept the manufacturers claims especially if the front to back looks
  100. good. Many persons wrongly feel that if an antenna has good front to back it
  101. has good gain. This is not always true and will be discussed later in this
  102. teleconference. In many cases the antenna manufacturer can't even measure
  103. gain or compares his antenna to the competition and inflates his gain figures
  104. by adding a single finagle factor to the competition's claims. Now don't
  105. misinterpret my remarks as a slap at the manufacturers. I have noticed a
  106. significant improvement in this area in recent years but we still have a long
  107. way to go and I hope to give some guidance on this subject later in this
  108. teleconference.
  109.  
  110.         VHF'ers realized this problem years ago when they organized a antenna
  111. measuring parties. Some of the setups have gotten very exotic but the
  112. accuracy can be quite good. The main things that must be taken into
  113. consideration are an accurate gain reference antenna, a well illuminated
  114. source antenna, accurate measuring instrumentation and a reality as to what
  115. to expect. Two excellent articles on the subject are "Antenna Performance
  116. Measurements" by Dick Turrin, W2IMU in November '74 QST pgs 35 thru 41 and
  117. "UHF Antenna Ratiometry" by Dick Knadle, K2RIW in February '76 QST pgs 22
  118. thru 25.
  119.  
  120.         The National Bureau of Standards in Boulder, Colorado has done alot
  121. of work in gain measurements and NBS Report 5539 entitled "Methods of
  122. Accurate Measurement of Antenna Gain" by H. V. Cottony is well worth reading.
  123. NBS developed an antenna gain standard which consists of 2 full wave dipoles
  124. mounted 1/4 wavelength in front of a 1.6 by 2 wavelength reflector that
  125. yields an accurate gain of 9.31 dB over a dipole. This standard was later
  126. redesigned for the EIA (Electronic Industries Association) by Richard Yang, a
  127. consultant to the Andrew Corporation to a simpler and smaller reference which
  128. consists of 2 half wave dipoles space 1/4 wavelength in front of a 1 by 1
  129. wavelength reflector and yields 7.7 dB gain over a dipole. The EIA adopted
  130. this smaller reference and incorporated it into EIA Standard 329 entitled
  131. "Minimum Standards for Land Mobile Communications Antennas, Part 1, Base and
  132. Fixed Station Antennas." This reference antenna standard is the one most
  133. commonly used by amateurs and is often referred to incorrectly as the NBS
  134. Standard when it is actually the EIA Standard.
  135.  
  136.         While on this subject, the EIA has issued another standard, RS-409
  137. entitled "Minimum Standards for Amateur Radio Antennas, Part 1, Base and
  138. Fixed Station Antennas." It uses a half wave dipole for reference and is more
  139. apropos to HF antennas. This standard is very specific about the range itself
  140. including the reference antenna height, the source antenna height, the
  141. minimum distance between antennas and the minimum gain of the antenna under
  142. test. It should be noted that the the formula for minimum separation distance
  143. between the source and reference antennas is often quoted in the popular
  144. literature as 2 D squared/lamda where D is the largest aperture dimension of
  145. the antenna under test. This minimum can introduce an error of up to 1 dB.
  146. A better antenna separation standard and the one used by the EIA is 10 D
  147. squared/lamda which is accurate to 0.2 dB.
  148.  
  149.         There is a crude but informative method of gain measurement that can
  150. be done on rotary beams using simple amateur techniques. It relies on the
  151. fact that gain results by redirecting the power radiated in many directions
  152. into a single direction or directions. If the half power bandwidth of the
  153. radiated signal can be measured, the gain can be calculated using the formula
  154. 41253 divided by the product of the beamwidth in the horizontal and the
  155. beamwidth in the vertical plane. Using a locally generated low power signal
  156. (such as a local amateur), you first measure the half power bandwidth of your
  157. antenna (the points where the signal is down 3 dB from the direct heading).
  158. The vertical beamwidth can be estimated to be 5 to 15 percent greater than
  159. the horizontal beamwidth. To give a numerical answer, a typical well designed
  160. 3 element Yagi has a 60 to 65 degree beamwidth in the horizontal or "E" plane
  161. and 70 to 75 degrees in the vertical of "H" plane. Dividing 41253 first by 65
  162. and then by 75 yields a gain of 8.5 or approximately 9.25 dB. This is
  163. isotropic gain which is approximately 2.15 dB above the gain of a dipole.
  164. Therefore the gain of a typical 3 element Yagi is roughly 7.1 dB over a
  165. dipole. By measuring your beamwidth over the frequency bands of interest you
  166. can estimate the gain. The wider the beamwidth, the lower the gain and vice
  167. cersa. The only restriction to this formula is that all side lobes and read
  168. lobes should be at least 15 dB below the main lobe. If not, the gain may be
  169. lower than calculated. For further information on this subject, I refer you
  170. to "Antennas" by John Kraus.
  171.  
  172.         Always be aware of the beamwidths quoted for a specific antenna. This
  173. parameter can usually be accurately measured and tells you if the gain is
  174. true gain or specsmanship. Also, some manufacturers list half beamwidth. To
  175. convert, just multiply by 2 and proceed. Check the gain reference carefully.
  176. Some sources quote isotropic gain which is 2.15 dB above the gain of a
  177. dipole.
  178.  
  179. Transmission Lines and Baluns:
  180.  
  181.         No antenna talk would be complete without at least a few words on
  182. transmission lines and baluns. Time does not permit a long segment on this
  183. subject. A few general rules apply. Use good low loss non-contaminating types
  184. of coax cable such as RG 213. Most RG-8 is poorly shielded, contaminating and
  185. deteriorates rapidly meaning your feed line becomes a big attenuator after a
  186. few years. The CATV foam coax is low loss, inexpensive and 75 ohms. It will
  187. require special connectors and matching transformers (such as synchronous
  188. transformers) if you want to go between 50 ohm sources. Make sure no water
  189. gets inside as some of the older types of this line will draw water through
  190. like a sponge and then cause discontinuities. I prefer Andrew Corp. Heliax or
  191. its equivalent at VHF and UHF. It costs more but has long life and is very
  192. low loss making it less costly in the long run. Oper wire lines are great and
  193. low loss but require special handling techniques and are particularly
  194. vulnerable when humidity or rain is present.
  195.  
  196.         Baluns are a subject that invokes strong arguments. Suffice it is to
  197. say that a balun probably doesn't help much on wire antennas and dipoles. On
  198. directional antennas it can prevent re-radiation which will reduce front to
  199. back ratio. I prefer the balun types that do not require extra wires or
  200. windings that interrupt the feedline. My article in September 1978 Ham Radio
  201. and the one by Walt Maxwell, W2DU in March 1983 QST discuss this balun type
  202. in detail.
  203.  
  204. Part 1 Summary:
  205.  
  206.         To summarize this portion of the teleconference, we need some
  207. accurate antenna gain references. EIA Standard RS 409 may be a step in the
  208. right direction. A good directional coupler type of VSWR indicator is a must
  209. for the serious amateur. As a side benefit, it may be used to measure output
  210. power if the FCC changes the amateur regulations to PEP output power as
  211. discussed in the recent Notice of Proposed Rulemaking. Amateurs can determine
  212. gain if they make the effort to measure or study the beamwidths and antenna
  213. patterns on their antennas and calculate gain as I have described. Hopefully
  214. in the not to distant future there will be general agreement on amateur
  215. antenna standards so we can objectively compare antennas.
  216.  
  217. [End of Part 1]
  218.