home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Tech Arsenal 1 / Tech Arsenal (Arsenal Computer).ISO / tek-20 / antenna2.zip / ANTENNAS.2 < prev   
Text File  |  1991-06-13  |  10KB  |  166 lines

  1. Part 2 - Lower HF Frequencies
  2.  
  3.     In the past few years we have enjoyed some of the greatest radio 
  4. propagation ever. Now the sun spots are declining and the fervent DX'ers and 
  5. those looking for a challenge are heading for the lower frequencies. All kinds
  6. of new or improved systems are evolving and I will now attempt to cover this 
  7. frequency range and development.
  8.  
  9. Simple Antennas:
  10.  
  11. 1. 1/2 wave dipole is hard to beat. It has good directivity, very efficient 
  12. and the ground reflection in the far field is the only real loss (and that we 
  13. have no control over!). The biggest problem is broadbanding especially on 80 
  14. meters. The open sleeve dipole invented by H. E. King and J. L. Wong (IEEE 
  15. PGAP, pg 201-204, March 1972) is now being explored for HF. If it can be 
  16. successfully scaled down from 225-400 MHz., it could improve bandwidth by a 2 
  17. to 5 factor.
  18.  
  19. 2. Inverted Vee - radiates equally poor in all directions. Not really my 
  20. favorite antenna!
  21.  
  22. 3. Verticals: There are many articles on this antenna type by Jerry Sevick, 
  23. W2FMI, Paul Lee, ex W3JM and now K6TS (?) etc. There are several popular 
  24. lengths - 1/4, 3/8, 1/2 and 5/8 wavelength. See Ham Radio September 1981 for 
  25. an interesting article on the 1/2 wavelength vertical by VE2CV. The main 
  26. problem is ground losses. The ground plane is an exception since it has 3 or 4
  27. resonant radials and hence is very efficient. Typical resistance for the 
  28. conventional vertical 1/4 monopole is 30 to 36 ohms. Top loading, especially 
  29. with a top hat is recommended to improve efficiency especially on shortened 
  30. verticals. Also bandwidth can be very narrow especially on shortened verticals
  31. since they are highly reactive. I am somewhat against verticals for QTH's 
  32. where ground conductivity is poor or where there are lots of local 
  33. obstructions. A good vertical has most of its radiation near the current point
  34. which is usually the base! Absorbtion by trees, local objects, houses, etc. is
  35. very detrimental. Also we have very little control over the far field unless 
  36. we live on or near a salt marsh or alkaline flat in the prairie. 
  37.  
  38. 4. Loops, Quad, Delta, side-fed Delta loop and Bi-Square. Great antennas if 
  39. you have the space. The most popular seems to be the delta loop apex up fed on
  40. the lower corner up part way up the side.
  41.  
  42. 5. Slopers: This is typically a 1/4 or 1/2 wavelength antenna that hangs off 
  43. a tower and in a semi-vertical fashion and therefore may have some directivity
  44. (due to the tower acting as reflector) and a low angle of radiation. I prefer 
  45. the G5RV antenna (June 1977 Ham Radio Horizons) since it is shorter than a 1/2
  46. wavelength dipole. It consists of 51 feet of wire each side of the center 
  47. insulator fed with 30 feet of 300 ohm feed line which then connects directly 
  48. to a 50 ohm coax line. It does have poor VSWR over most of the band but never 
  49. infinity. Advantages are multiple band operation (eg. 80/40/20/10) and it acts
  50. like a collinear (with gain) on harmonic bands. At my station I use three G5RV
  51. antennas as slopers spaced equally around a 97 foot tower and hence get good 
  52. coverage over most of the world on multiple HF bands with fair directivity.
  53.  
  54. 6. Beverage or traveling wave antenna is especially good for receiving despite
  55. its low efficiency. This is true because the outside or ambient noise is very 
  56. high and hence compensates for the loss. Use a trifilar wound transformer and 
  57. a low noise high dynamic range preamp to make up for the losses. Keep the 
  58. height up at say 10 feet so no one walks into antenna and files a law suit 
  59. against you. This happened locally when a horseback rider was knocked off a 
  60. horse by a local's beverage antenna! The length should be greater than a 
  61. wavelength at the operating frequency but 2 wavelengths is probably the 
  62. maximum recommended length. To keep noise down, use a wire with at least 30% 
  63. copper and is PVC coated. I have used beverages for transmitting and John 
  64. Belrose, VE2CV, has recently written an article on same in a recent QST.
  65.  
  66. Guys and Guy Wires: They must be tested for resonances especially if they are
  67. not broken up with insulators. The difficulty is testing. One test is to 
  68. monitor VSWR carefully and remove or change a guy. Any changes indicate 
  69. problems. Likewise, the front to back ratio carefully monitored on a local 
  70. controlled station can give a feel for the problem. In some rare cases such as
  71. sloper arrays, etc., they can actually be part of the array such as working 
  72. like reflectors, etc.
  73.  
  74. ARRAYS:
  75.  
  76. 1. Yagi: Very large at HF, especially if full size! Bandwidth can be a big 
  77. problem. One 75 meter fan (W2HCW) had problems hearing the Russian SSB 
  78. stations operating on 3640 KHz, despite the fact that he was very strong over 
  79. there when transmitting in the US phone band at 3800 KHz. When he turned his 
  80. beam 180 degrees he could hear them but now they couldn't hear him. It turns 
  81. out that the front to back ratio flipped over below 3700 KHz!
  82.  
  83.     Many stations on 75/80 meters are using wire Yagi beams quite 
  84. successfully even at low heights (30 to 50 feet). They do work but there is 
  85. much tuning needed to determine correct lengths, etc. The problem of narrow 
  86. bandwidth mentioned above must be considered. Loaded Yagi antennas have even 
  87. narrower bandwidth.
  88.  
  89. 2. W8JK: This antenna has been around a long time and is very successful at 
  90. HF but it is bi-directional.
  91.  
  92. 3. The ZL Special and KB9CV modern version of same is seldom considered but I
  93. think a worthwhile antenna. It is essentially a 2 element log periodic 
  94. invented over 10 years before the log periodic! It has excellent gain (like 
  95. the W8JK), directivity and is uni-directional. The feed system forces the 
  96. pattern so it does not have the limited bandwidth and pattern reversal 
  97. problems as severely as the Yagi does. See Ham Radio, May 1976, "Understanding
  98. the ZL Special."
  99.  
  100. 4. LPA (log periodic array): It is essentially a wide-band uni-directional 
  101. antenna. It has a sort of cardiod pattern at its lower frequency end so a 
  102. reflector is worthwhile. Make the low frequency cutoff a few % below the 
  103. lowest frequency of interest to enhance the lower frequencies. The best 
  104. references are George Smith's articles is 73, Ham Radio and QST. Other good HF
  105. articles of interest on the subject are:
  106.     - "Log Periodic Antenna Design," Ham Radio, Dec. '79 by P. Scholz 
  107. W6PYK and G. Smith W4AEO.
  108.     - "Vertical Monopole Log-Periodic Antennas for 40 & 80 Meters," Ham 
  109. Radio, Sept. '73 by G. Smith.
  110.     - "Feed System for Log Periodic Antennas," Ham Radio, Oct. '74, G. 
  111. Smith W4AEO.
  112.  
  113. 5. The bobtail array: This simple array has recently enjoyed a comeback. It 
  114. consists of three 1/4 wavelength verticals spaced 1/2 wavelength joined at 
  115. their tops by a single wire. Usually a high impedance antenna tuner is used at
  116. the base of the middle vertical to match the high impedance to coax. This 
  117. antenna has 3 to 5 dB gain and is bi-directional. Recently articles have 
  118. appeared in 73 magazine on how to feed the array directly with coax at the top
  119. of the array.
  120.  
  121. 6. Vertical Arrays: In the last decade or so, many amateur radio state of the
  122. art advances have been made in vertical arrays by the late Jim Lawson, W2PV (
  123. QST, March and May 1971), Dana Atchley, W1CF et al (QST April 1976), "Updating
  124. Phased-Array Technology," W1CF (QST August 1978) and Richard Fenwick, K5RR and
  125. R. Schell, PhD (QST April 1977). They have used computer aided techniques to 
  126. design optimum 2, 3 and 4 element arrays using triangles, squares and lines of
  127. verticals. Their work has considerably improved not only the gain but also the
  128. front to back and patterns of arrays.
  129.  
  130.     More recently, Roy Lewellen, W7EL (QST, Aug. 1979 pgs. 42/43) and 
  131. Forrest Gehrke (Ham Radio, May, June, July 1983 and other articles to follow 
  132. which will tell all!) have shown how to improve the feed systems of such 
  133. arrays to guarantee that the mutual coupling between elements will not 
  134. deteriorate the gain and patterns in the real world. This work and computer 
  135. aided work in the future will have a big effect on operations in the lower HF 
  136. region.
  137.  
  138. 7. Other Arrays: Don't forget "V" beams and Rhombics. They can yield high 
  139. gain. The principle problem is patterns which are not always very good (side 
  140. lobes, etc.). These types of antennas are particularly good if you have lots 
  141. of real estate and only are interested in one or two directions. I think the 
  142. sloping terminated "V" beam is particularly worthwhile.
  143.  
  144. 8. The active antenna array: Last but not least let us explore the active 
  145. array. This usually consists of a small (0.5 to 1.5 meters) vertical monopole 
  146. feeding the high input impedance of a low noise high dynamic range FET preamp.
  147. Arrays of these are in commercial service and can provide extremely high 
  148. directivity. I am presently working on one for myself for solving some HF 
  149. receiving problems. The chief advantages of such a scheme are that it is small
  150. and doesn't need an elaborate grounding system. Phasing is easy since the 
  151. outputs are not reactive and mutual impedance affects are low compared to a 
  152. conventional full-sized array. Also don't overlook ferrite loaded antennas and
  153. loops. A good reference for HF DXing and antennas is ON4UN's book on 80 meter 
  154. DXing.
  155.  
  156. Summary: There is lots to be done. Computer aided design will help. We must 
  157. explore optimum topology for vertical arrays (2, 3 and 4 elements etc.) to 
  158. find best layout. Maybe we should look at the Mill's Cross! The sloper system 
  159. used today can probably be improved. The software just emerging in the last 
  160. few years will greatly help in the design of high performance arrays. Don't 
  161. overlook the log periodic or the ZL Special. The biggest problem to solve may 
  162. be the wideband feed system. Only now is the open sleeve dipole by Howard King
  163. and J. Wong (IEEE PGAP March 1972) being explored. If it can be successfully 
  164. scaled from the 225 to 400 MHz spectrum, it could potentially yield a 2 to 5 
  165. times bandwidth increase over the present half wave HF dipole!
  166.