home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Antennas / Antennas_CD-ROM_Walnut_Creek_September_1996.iso / articles / bestant / best_ant.txt < prev    next >
Text File  |  1996-06-30  |  22KB  |  670 lines

  1.      WHICH ANTENNA IS THE BEST
  2.  
  3.        R. P. Haviland, W4MB
  4.  
  5.  
  6. I have always made a practice of log-
  7. ging the information which comes
  8. across in DX QSOs. Typically, this in-
  9. dudes antenna type and height, and
  10. rig type or power.
  11.  Some years ago, a question of an-
  12. tenna usage prompted me to do a
  13. short analysis of the logs, to develop
  14. antenna type and height data. Very
  15. recently, a similar analysis by ZL1OI,
  16. but of U.S. stations, was reported.
  17. Also very recently, thoughts of a new
  18. antenna system for W4MB prompted
  19. an extensive review of log data. The
  20. idea was to try to get an answer, or at
  21. least an indication of answers, to typi-
  22. cal questions, such as:
  23.  
  24.    Which antenna is the best?
  25.    How important is height?
  26.    How important is power?
  27.  
  28. This is a report of these studies.
  29.  
  30. Relative Antenna Usage
  31.  
  32.  The analysis started with a review
  33. of usage, of the two studies previously
  34. reported, plus the data from the latest
  35. logs. The results are summarized in
  36. Table 1.
  37.  
  38.  Results of the three analyses are
  39. very similar, showing exactly the
  40. same relative order of usage and sur-
  41. prisingly small differences between
  42. U.S. and DX stations. Very nearly
  43. three-fourths of the stations use
  44. beams, and one-fourth use simple an-
  45. tennas. The Yagi dominates the beam
  46. usage; almost three times as many as
  47. its closest competitor, the quad. Verti-
  48. cal antennas are somewhat more
  49. popular than dipoles.
  50.  
  51.  The data at W4MB is primarily for
  52. 15-meter contacts, and is markedly
  53. influenced by European practices,
  54. since a majority of QSOs are with
  55. these stations. Comments received
  56. indicate that a major factor in the use
  57. of verticals is space for installation.
  58. This seems to be true for the suburbs,
  59. where many of the verticals are at
  60. ground level, and for the cities, where
  61. antennas are at roof height. Other
  62. comments indicate that the quad
  63. would be more popular if space were
  64. available, and that ready availability
  65. of commercial triband Yagis is a factor
  66. in their popularity.
  67.  
  68.  It will be noted that the difference
  69. between any of the three usage fig-
  70. ures and the average of the three is
  71. small, at most just over 3 per cent.
  72. This difference may not be significant.
  73. For example, for the W4MB data, 3
  74. per cent would amount to a ten- to fif-
  75. teen-station change. However, there
  76. is some reason to believe that some of
  77. the indicated difference is real. The
  78. last data are for a period of relatively
  79. high solar activity, and reflects a
  80. change in QSO area. For example,
  81. the recent data include more USSR
  82. stations, which are often users of
  83. quads. As will be seen, the improved
  84. conditions can be responsible for the
  85. increased percentage of simple anten-
  86. nas. No reason for the decrease in the
  87. use of "other" antenna types has
  88. appeared; these others include rhom-
  89. bics, long wires, log periodics, and
  90. SO on.
  91.  
  92. Signal Strength as a
  93. Measure of Performance
  94.  
  95.  The only performance measure
  96. available from the logs at W4MB is
  97. the signal-strength report given to the
  98. DX station. For the last five years, I
  99. have taken some effort to make these
  100. reports meaningful. The report is the
  101. S-meter reading on my TS-820, with
  102. enough attention being given to en-
  103. sure that it was the maximum, inter-
  104. ference-free signal. The meter calibra-
  105. tion of the 820 was checked just after
  106. purchase and found to be almost ex-
  107. actly 5 dB per S-unit. The relative and
  108. absolute values have been checked at
  109. intervals since, most often by check-
  110. ing the crystal calibrator signal, but
  111. also by using a signal generator. Sig-
  112. nal-strength-indication stability seems
  113. to be excellent.
  114.  In most radio circuits, signal
  115. strength is a statistical variant follow-
  116. ing a Rayleigh distribution.' How-
  117. ever, this analysis is dealing with
  118. many circuits and a combination of
  119. factors, including transmitter power,
  120. antenna design, and solar activity.
  121. Thus, it seemed that the signal
  122. strengths should follow the Gaussian
  123. distribution fairly closely.t Also, it
  124. seemed that the distribution data
  125. could be used to check the results for
  126. bias, since a systematic change would
  127. change the distribution in some
  128. respect .
  129.  Accordingly, a section of the log
  130. was examined for signal-strength
  131. probability. The results are shown in
  132. Fig. 1, the curve indicated by the Xs.
  133. On this type of graph paper, a Gaus-
  134. sian, or "normal," random distribu-
  135. tion plots as a straight line. Since the
  136. curve is not straight, the distribution
  137. departs from Gaussian. However, it
  138. should be noted that there are upper
  139. limits, due to legal restrictions on radi-
  140. ated power, and practical limits on
  141. antenna height. These have the effect
  142. of bending the upper part of the curve
  143. downward, as observed. Neglecting
  144.  
  145. 'Rayleigh distribution -- A mathematical state-
  146. ment of a natural distribution of random
  147. variables.
  148.  
  149. Gaussian distribution -- A distribution of ran-
  150. dom variables comparable to that found in
  151. nature, characterized by a symmetrical and
  152. continuous distribution decreasing gradually
  153. to zero on either side of the most probable
  154. value.
  155.  
  156. this effect, the distribution below
  157. about S7 is very nearly Gaussian.
  158.  Also shown are points for two other
  159. types of data, for contacts where
  160. height was given, and where power
  161. was given. (In QSOs, often only
  162. power or type of transmitter is given).
  163. These samples fall very close to the
  164. upper curve. Overall, the data indi-
  165. cates that the height and power data
  166. are associated with about a one S-unit
  167. stronger signal, as compared with an
  168. average contact. The difference be-
  169. comes smaller as signal strength in-
  170. creases.
  171.  Inspection of the raw data showed
  172. a tendency for the QSOs where power
  173. and height were given to be longer
  174. than QSOs where they were not.
  175. They tended to be more "rag chews"
  176. than "hello-goodbye" contacts. Part-
  177. ly, these occurred under conditions of
  178. better signal or less QRM. Also, the
  179. longer period gave a greater chance
  180. of observing a short-term increase in
  181. signal strength. Thus, the observed
  182. difference in the three sets of samples
  183. seems to be an observable fact, rather
  184. than some fault of the method of
  185. analysis.
  186.  
  187. Performance of
  188. Simple Antennas
  189.  
  190.  The performance of simple anten-
  191. nas -- dipoles and verticals -- was
  192. considered first. For each value of sig-
  193. nal strength, the percentage of sta-
  194. tions using these antennas was deter-
  195. mined. The results are shown in Fig.
  196. 2. The performance character is strik-
  197. ing, and the trend is definite. Simple
  198. antennas do get signals through, but
  199. the signals tend to be on the low side;
  200. markedly lower than the signals from
  201. beams.
  202.  The measured data can be approxi-
  203. mated reasonably well by a simple re-
  204. lation: for each unit increase of signal
  205. strength, there will be about a five per
  206. cent reduction in the number of sig-
  207. nals from dipoles, and about another
  208. five per cent reduction in the signals
  209. from verticals; there will be a corre-
  210. sponding increase in the number of
  211. signals coming from beams.
  212.  While these antennas tend to pro-
  213. duce weaker signals, the performance
  214. is not really that bad. Verticals, for ex
  215. ample, account for about 18 per cent
  216. of all antennas. Comparing this value
  217. with the curve in Fig. 2 shows that the
  218. average expected signal from a verti-
  219. cal is nearly S6. For a dipole the
  220. usage is 13 per cent, which intersects
  221. the dipole curve at (18 + 13) or 31
  222. per cent, again nearly S6. These are
  223. perfectly respectable signals, some 25
  224. dB above normal noise levels; not
  225. broadcast quality, but excellent com-
  226. munications quality. To the limits of
  227. analysis accuracy, verticals and di-
  228. poles, as used, give identical results.
  229.  
  230. Performance of
  231. Beam Antennas
  232.  
  233.  For this analysis, the amount of
  234. data restricted beam consideration to
  235. only two types, Yagis and quads. The
  236. percentage of these at each signal
  237. level is shown in Fig. 3. This seems to
  238. indicate a striking, indeed startling, re-
  239. suit: as a family, Yagis seem to out-
  240. perform quads. Over the range of S4
  241. to S9 signals, those from quads are
  242. nearly constant in percentage, while
  243. over the same range, those from
  244. Yagis increase in percentage, by
  245. about 5 per cent use for each unit of
  246. signal strength.
  247.  
  248.  Obviously, this is an important find-
  249. ing. If it is really true, it could settle the
  250. long arguments of quad os Yagi. Ac-
  251. cordingly, some additional tests were
  252. made. The first of these was to re- ex-
  253. amine the source data for antenna
  254. size. Since the usual quad has two
  255. elements, any antenna with more
  256. than two elements was considered a
  257. "large quad." Also, since a two-ele-
  258. ment quad is usually considered to be
  259. equal to a three-element Yagi, de-
  260. signs with four or more elements were
  261. considered "large Yagis." While some
  262. of the antenna notes recorded the
  263. specific design, TA33, Th-6, and so
  264. on, there were not enough recorded
  265. as these or as mono-banders to per-
  266. mit detailed evaluation.
  267.  The results of this size analysis is
  268. shown in Fig. 4. Here, the percent-
  269. age of the smaller Yagis is plotted
  270. first. The trend to increasing percent-
  271. age with increasing signal still ap-
  272. pears, but the larger Yagis seem to be
  273. increasing at a faster rate. This sug-
  274. gests that the apparent better per-
  275. formance of Yagis as compared with
  276. quads is partly due to larger antennas.
  277.  A different way of looking at the
  278. data is shown in Fig. 5. This is de
  279. veloped from the number of antennas
  280. of a given type producing a given sig-
  281. nal, plotted as a percentage of the
  282. total number of that type. It seems
  283. clear that there are two main group-
  284. ings, one for the simple antennas --
  285. verticals and dipoles, and the other
  286. for the beams -- the quads and
  287. Yagis .
  288.  On the average, the beam group
  289. produces about 11/2 S-units, about
  290. 71/2 dB greater signal level than do
  291. the simple antennas. Interestingly,
  292. this is very nearly the theoretical gain
  293. of three-element Yagis and two-ele-
  294. ment quads. Also interestingly, the
  295. beam group seems to produce a more
  296. consistent signal: at low signal levels
  297. the beams are about two S-units bet-
  298. ter than the simple antennas.
  299.  Data for the big antennas, the four
  300. or more element Yagis and three or
  301. more element quads, are also shown.
  302. The number of such antennas is
  303. rather small, so the points are rather
  304. scattered. It seems to indicate about
  305. one-half S-unit improvement in signal
  306. as compared with the smaller beams.
  307. Again, this is interesting in that it rep-
  308. resents about the expected gain in-
  309. crease.
  310.  Plotted in this way, the type/signal-
  311. strength data indicates that there is no
  312. difference between quads and Yagis,
  313. or between dipoles and verticals. In-
  314. stead, the data suggests strongly that
  315. the significant factor is the amount of
  316. gain, rather than the type of antenna
  317. which produces the gain, at least for
  318. the types surveyed. However, before
  319. considering this relative comparison,
  320. factors common to all antenna use
  321. should be looked at.
  322.  
  323. Effect of Antenna Height
  324.  
  325.  The early W4MB study included
  326. evaluation of antenna height. This
  327. was done again for this second study.
  328. Results are tabulated in Table 2, and
  329. plotted in distribution form in Fig. 6.
  330. A small difference, up to about 10
  331. per cent deviation from the average,
  332. is found between the two data peri-
  333. ods. This may be real, or it may be
  334. due to "sampling noise." There are
  335. some differences between the two
  336. periods. The second covers a period
  337. of improved propagation, which
  338. would tend to increase the percentage
  339. of marginal signal contacts, as ob-
  340. served. The second period also in-
  341. cludes a larger fraction of 10-meter
  342. contacts, where height is known to be
  343. less important.
  344.  
  345.  More important than the matter of
  346. usage is the effect of antenna height.
  347. To study this, signal reports were tab-
  348. ulated for height blocks of 0-15 feet,
  349. 15-30 feet, and up to 120-240 feet.
  350. The reason for this grouping choice
  351. was the sometimes-used approxima-
  352. tion that doubling the height will im-
  353. prove the signal by one-half to one S-
  354. unit. The results of this analysis are
  355. shown in Fig. 7.
  356.  
  357.  While five height-groups are plot-
  358. ted, only three curves are shown. The
  359. data for the 0-15 height, shown by
  360. Xs, follows a Gaussian distribution al-
  361. most exactly. Data for the groups.
  362. 15-30 feet and 30-60 feet follow the
  363. distribution fairly closely, but with a
  364. different slope, and with a small in-
  365. crease in average signal strength. The
  366. change in slope indicates that the sig-
  367. nal for these groups is more consistent
  368. than that for the low group. The dope
  369. change is also apparent for the
  370. 60-120 foot group, which shows a
  371. further increase in average signal
  372. strength .
  373.  
  374.  The 120-240 foot group seems to
  375. fall along a line which is parallel to,
  376. but above, the 0-15 foot group. A
  377. check of the source data did indicate
  378. that this high antenna group included
  379. many simple antennas mounted on
  380. apartment roofs. An attempt was
  381. made to evaluate the effect of anten-
  382. na type, but there were not enough
  383. such contacts to be meaningful.
  384.  
  385.  Overall, it appears that high anten-
  386. nas behave according to reputation.
  387. There is a definite increase in average
  388. signal strength, in the range of 1-2 S-
  389. units. There is also good indication of
  390. greater signal consistency; a high an-
  391. tenna will make contacts, where a low
  392. one may not.
  393.  
  394.  The first W4MB study did not eval-
  395. uate power, but an evaluation was
  396. done for this study. These data are
  397. tabulated in Table 3, together with
  398. the ZL101 data for comparison. The
  399. influence of the one-package trans-
  400. ceiver, of about 180 watts input,
  401. seems clear. Comparison of the two
  402. sets indicates a greater percentage of
  403. high-power stations in the U.S.A.,
  404. certainly in line with our reputation.
  405.  
  406.  There seems to be increasing use of
  407. powers in the range of 1 to 30 watts.
  408. It is most pronounced on 10 meters,
  409. partly due to new commercial trans-
  410. ceivers of this class, partly due to CB
  411. conversion, and partly due to
  412. power/band restrictions of some
  413. license classes in some countries.
  414. However, QRP operation is not re-
  415. stricted to 10 meters; growth seems tc
  416. be occurring on all bands.
  417.  
  418.  The results of the signal strength/
  419. power study are shown in Fig. 8.
  420. With one exception, the trend is deal
  421. signals, and more consistent signals.
  422. The average increase is almost exactly
  423. in accord with power, i.e., two S-
  424. units for 10 dB increase.
  425.  
  426.  The exception is for the power class
  427. 10-30 watts, which appears to be bet-
  428. ter than the 30-100 watt class. This
  429. may be real -- several QRP operators
  430. have indicated that they took special
  431. care with the antenna installation.
  432. Many more samples would be needed
  433. to separate the effects of power and
  434. antenna size.
  435.  
  436.  Some time ago, W4MB ran a two-
  437. month check of power benefit by
  438. operating at 180 W PEP rather than
  439. the usual 1500-1600 watt level. The
  440. number of contacts made in a month
  441. did not change greatly, but a differ-
  442. ence in operating practice was neces-
  443. sary to do this. Whereas, with the
  444. linear, a short CQ had a high proba
  445. bility of one or more replies, the CQ
  446. replies dropped way down when oper-
  447. ating "barefoot," and it was necessary
  448. to start replying to DX stations CQs to
  449. keep the number of contacts up.
  450. Power does make a difference.
  451.  
  452.  Re-evaluation of
  453.  Beam Antenna Type
  454.  
  455.   Several methods of checking the
  456.  possible difference between quads
  457.  and Yagi beams were considered.
  458.  The two finally adopted are covered
  459.  here.
  460.  
  461.  If one type of beam is truly better, it
  462.  should perform better under poor
  463.  conditions. This would be reflected as
  464. s an increase in the percentage of con-
  465. tacts using that type of antenna.
  466.  
  467.  The measure of conditions adopted
  468. was the A index, the second numeri-
  469. cal value transmitted by WWV. It was
  470. found that a reasonable sample size
  471. could be obtained by selecting con-
  472. tacts where A was ten or less for good
  473. conditions, and A of fifteen or greater
  474. for poor conditions. Contacts for in-
  475. termediate values, or for days when
  476. the A index was not recorded, were
  477. ignored. For comparison, the per-
  478. centage of antenna use for all values
  479. of A was also tabulated. The results
  480. are shown in Table 4.
  481.  
  482.  First, it is noted that the variations
  483. between the three sets of data is
  484. small. The largest is for dipoles,
  485. changing by 4.6 per cent from the all-
  486. A-value column to the poor column.
  487. For small Yagis, the percentages
  488. show a small increase from poor to
  489. good conditions, but almost exactly a
  490. compensating decrease for large
  491. Yagis. For quads, there is a decrease
  492. of 4.2 per cent between good and
  493. poor conditions; the small increase in
  494. large quads does not compensate, so
  495. there is a net decrease in the number
  496. of quad contacts under poor condi-
  497. tions.
  498.  
  499.  A check of the logs was made to
  500. see if this decrease were real. One
  501. factor noted was the almost complete
  502. absence of USSR contacts under poor
  503. conditions. Since a high percentage
  504. of these stations use quads, the ob-
  505. served change could be real. How-
  506. ever, it must be remembered that one
  507. percentage point is only two contacts
  508. for the poor column. Accordingly, the
  509. sampling noise is large.
  510.  
  511.  Because of this, a second method
  512. of checking was sought. The logs
  513. were again reviewed. It was found
  514. that a fair amount of QSO data gave
  515. height, power, and type of antenna.
  516. Since height and power are shown to
  517. be important, this data was checked
  518. for two groups; one included all an-
  519. tenna types, but only those stations
  520. running linears or over 400 watts
  521. (assumed to be the lower limit of lin-
  522. ears). The second group included on-
  523. ly Yagis, for stations operating at the
  524. same power level.
  525.  
  526.  The results of this analysis are
  527. shown in Fig. 9. The curve shown is
  528. copied from Fig. 1, the contacts giv-
  529. ing height, the other remaining vari-
  530. able. The o-points are for linear-
  531. power level contacts in general, com-
  532. pared with the x-points for contacts
  533. using Yagis. As seen, there is essen-
  534. tially no difference in signal perform-
  535. ance, and no difference when com-
  536. pared with contacts stating height.
  537.  
  538.  The number of contacts used in this
  539. compilation is not great, sixty-five for
  540. the all-antenna group, and thirty-six
  541. for the Yagi group. As a result, there
  542. is appreciable chance for error. How-
  543. ever, the indication that there is no
  544. real difference seems clear.
  545.  
  546.  Comparing the four tests of beam
  547. type makes it appear that there is little
  548. or no difference between Yagis and
  549. quads. The important factor, as noted
  550. before, seems to be antenna gain.
  551.  
  552. Summary and Conclusions
  553.  
  554.  While there is some possibility of
  555. error due to sampling noise, this sta-
  556. tistical analysis indicates the following:
  557. Beam antennas produce better sig-
  558. nals than simple antennas on the
  559. average, by almost exactly the anten-
  560. na gain. For the common beams this
  561. amounts to about two S-units. There
  562. is good indication that the beams pro-
  563. duce a more consistent signal.
  564.  
  565.  Higher antennas produce better
  566. signals, by approximately one-half S-
  567. unit for doubled antenna height. An-
  568. tennas above thirty feet appear to
  569. produce somewhat more consistent
  570. signals than lower ones.
  571.  
  572.  Increasing the power improves sig-
  573. nal strength, almost exactly a 10 dB
  574. increase of signal for each 10 dB in-
  575. crease of power. Higher power sig-
  576. nals also appear to be appreciably
  577. more consistent than low-power
  578. ones.
  579.  
  580.  Although some tests appear to indi-
  581. cate that the Yagi beam produces
  582. stronger signals than the quad beam,
  583. other tests indicate absolutely no dif-
  584. ference. It appears that the gain of the
  585. particular antenna is much more im-
  586. portant than the type, and it may be
  587. the only significant factor.
  588.  
  589.  The most important single variable
  590. in received signal strength is propaga-
  591. tion variability, typically a range of 35
  592. dB over the 5-95 per cent limits. (The
  593. range of signals in this log period is
  594. from SB to S9 + 40 dB, a total range
  595. of 85 dB). The range is so great that a
  596. combination of legal power limit, and
  597. maximum practical antenna height
  598. and gain cannot compensate for it.
  599. However, the super station is appre
  600. ciably more likely to get some signal
  601. through under poor condition.
  602.  
  603.  There is one overall conclusion:
  604. The single most important factor in
  605. getting good signal reports is choice of
  606. frequency band and time, as needed
  607. to catch optimum conditions. Using
  608. this variable, any station can be a
  609. good DX station.
  610.  
  611. Notes on Extending
  612. the Study
  613.  
  614.  The solution to reducing the sam-
  615. pling noise mentioned several times is
  616. to increase the sample size -- the
  617. number of contacts studied. For ex-
  618. ample, a tenfold increase in the num-
  619. ber of samples will reduce the noise to
  620. about one-third. This may not be
  621. easy. The data segment of the W4MB
  622. logs is limited by rig and power
  623. changes at one end, and antenna
  624. changes at the other. It seemed best
  625. to avoid these added variables. Even
  626. so, some 1800 contacts were ex-
  627. amined -- not all QSOs give useful
  628. data.
  629.  
  630.  Since an improvement in analysis
  631. will require looking at some ten to
  632. twenty thousand QSOs, an extended
  633. study might make a good club project
  634. -- especially if the club has a comput-
  635. er available. The extra number of
  636. QSOs would allow some additional
  637. studies, such as variations in usage
  638. between continents or even countries.
  639. Just for example, it appears that UA
  640. antennas are much more likely to be
  641. quads, and DLs are much more likely
  642. to use linear amplifiers.
  643.  
  644.  If this club approach is used, some
  645. checks of the data will be needed. Dif-
  646. ferent operators have different report-
  647. ing practices, and a "station correc-
  648. tion factor" may be required. Devel-
  649. oping this from the data will take extra
  650. work .
  651.  
  652.  It is probably best to avoid analysis
  653. of contest and pile-up data. Contest
  654. reports are too stylized (5 x 9), and
  655. pile-up QSOs are apt to be influenced
  656. by the well known "DX-report" factor.
  657.  
  658.  Such an extended study would be
  659. interesting. Well done, it should pro-
  660. vide a definitive answer as to whether
  661. it is gain that is important, or whether
  662. antenna type also enters the picture.
  663. And perhaps it could look at the less
  664. common antenna types for usage and
  665. performance.
  666.  
  667.  Oh yes: W4MB's new antenna? It's
  668. a quad, except on 10 meters, where it
  669. is a Quagi. Why? It seemed a good
  670. idea at the time. It still seems so.