home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Antennas / Antennas_CD-ROM_Walnut_Creek_September_1996.iso / articles / inslants / inslants.txt < prev    next >
Text File  |  1996-06-30  |  20KB  |  455 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5. INSULATED ANTENNAS
  6.  
  7. R. P. Haviland, W4MB
  8. 1035 Green Acres Circle, North
  9. Daytona Beach, Florida 32119
  10.  
  11.  
  12.  
  13. INTRODUCTION
  14.  
  15. By an insulated antenna, I mean one which has enough thickness of
  16. insulation on its surface to affect its characteristics. The more
  17. accurate term found in the technical literature is "dielectric
  18. coated antenna".
  19.  
  20. There isn't much about insulated antennas in the Amateur
  21. literature. I could find nothing in the bibliography in the 1988
  22. edition of the ARRL Antenna Handbook (1). Rosen's
  23. cross-referenced bibliography, From Beverage to Oscar (2),
  24. produced no search matches. I do remember a short note in one of
  25. Bill Orr's columns to the effect that use of insulated wire in
  26. quads caused detuning, but I havn't been able to find the exact
  27. column. There is a little more in the technical literature, but
  28. we'll get to that later.
  29.  
  30. CONCEPTUAL APPROACH TO INSULATION EFFECTS
  31.  
  32. We can get a general idea of the effect of an insulating coating
  33. on an antenna by taking a simple dipole and considering only
  34. major (first-order) effects. As sketched in Fig. 1, let Rw be the
  35. radius of the conductor of an antenna, and Rd be the radius of a
  36. surrounding insulation, a dielectric, where Rd is always greater
  37. than Rw. The dielectric constant of the insulation is K times
  38. that of the surrounding air. For simplicity assume that the
  39. magnetic permeability of the wire and insulation are the same as
  40. for air, and that the losses in the insulation can be neglected.
  41.  
  42. A short length of such insulated conductor will have resistance,
  43. inductance and capacitance. To the first order, we can write:
  44.  
  45.      Z=XL-XC+R+A*f*f+()+()                                    
  46. (1)
  47.  
  48. Where Z is a per-unit impedance
  49.       f is the operating frequency
  50.       XL is the reactance due to inductance of the wire
  51.       XC is the reactance due to capacitance of the wire
  52.       R is the RF resistance of the wire
  53.       A is a resistance representing energy loss by radiation
  54. from the wire,
  55. and the () represents smaller terms which are neglected.
  56.  
  57. Since the simplifying assumptions are that there is no inductive
  58. or resistive effects, the presence or absence of the insulation
  59. can only affect the C term, and possibly the A term. Let us
  60. concentrate on the first.
  61.  
  62. If the insulation were essentially absent, the C term must be the
  63. same as for a bare wire. And if the the insulation extended to
  64. infinity, the unit capacity would be increased by the amount of
  65. the dielectic constant. With practical amounts of insulation, the
  66. C term will be greater than for a bare wire, but by a small
  67. amount.
  68.  
  69. The square root of the quantity L*C is the reciprocal of a
  70. frequency, and taken over the entire length of the wire is the
  71. resonant frequency of the antenna. Since the effect of the
  72. insulation is to increase C, it is also changing the resonant
  73. frequency, moving it lower. The amount of change is small for a
  74. thin layer of insulation. The ratio of no-insulation frequency to
  75. coated frquency is always less than the square root of the
  76. dielectric constant, K.
  77.  
  78. We can get an idea of the way the resonant frequency varies by
  79. further simplifying assumptions. Let the capacitance be composed
  80. of two capacitors in series. C1 is that of a coaxial capacitor
  81. formed of the wire and a conductive cylinder of radius Rd, with
  82. the space between filled with the dielectric. C2 is the capacity
  83. between the conductive cylinder and infinite space, with air as
  84. the dielectric.
  85.  
  86. A look at the equations in Terman's Radio Engineer's Handbook (3)
  87. quickly shows that a lot of "number shoving" can be avoided if it
  88. is assumed that the antenna is spherical rather than cylindrical,
  89. since the resulting symmetry simplifies the equations for C.
  90. While this changes the details somewhat, the principle is exactly
  91. the same.
  92.  
  93. The equations needed are:
  94.  
  95.      C1=1.412*K*(Dw*Dd)/(Dw-Dd)                               (2)
  96.      C2=1.412*Dd                                              (3)
  97.  
  98. Diameter being used rather than radius. Combining these by the
  99. series capacitance formula and taking the square root of the
  100. result gives the relative variation in frequency as the amount of
  101. insulation (Dd/Dw or Rd/Rw ratio) is changed. This quantity is
  102. plotted in Fig. 2 for a dielectric constant of 3.
  103.  
  104. With no insulation, the resonant frequency is that of an isolated
  105. wire. As the insulation thickness increases, the frequency
  106. decreases linearly with the thickness ration for a time. When the
  107. thickness is equal to the wire size, the rate of change is about
  108. half the initial. With insulation of ten times wire size, the
  109. relative resonant frequency has reduced to nearly the limiting
  110. value, the reciprocal of the square root of the dielectric
  111. constant, 0.58 times the free space value in this case.
  112.  
  113. METHOD OF MOMENTS ANALYSIS
  114.  
  115. This is a very approximate analysis, but it shows the overall
  116. trend to be expected, and some of the intermediate details. More
  117. accurate results needs a much more complex analysis.
  118.  
  119. One approach to this can be developed from the Method of Moments,
  120. widely used in antenna analysis. You will recall that this
  121. divides the antenna into segments, establishes an impedance
  122. matrix Zmn of the self and mutual impedances of the segments, and
  123. calculates the matrix values from the fields generated. The
  124. matrix is then inverted to calculate the currents in the
  125. segments, the pattern and the drive conditions.
  126.  
  127. This approach was followed by J. H. Richmond of Ohio State
  128. University in a study done for NASA (4). He found that adequate
  129. accuracy could be had if the impedance matrix was considered to
  130. be composed of two parts,
  131.  
  132.      Z=Zmn+Z'mn                                          (4)
  133.  
  134. where Zmn is the matrix for for the antenna with no insulation
  135. present. The additive matrix Z'mn contains all of the effects of
  136. the insulation.
  137.  
  138. The elements of this add-on matrix are of the form:
  139.  
  140.      Z'mn=P*F(l)                                         (5)
  141.  
  142. where P is a function of the insulation dielectric constant and
  143. dimension, and it's multiplier F(l) is solely a function of
  144. segment length factors multiplied by constants.
  145.  
  146. The complete expression for P is:
  147.  
  148.      P=(K-1)/K*LN(Rd/Rc)                                  (6)
  149.  
  150. Where the LN term is the natural logarithm of the radii ratio.
  151.  
  152. The relations involved in obtaining the impedance matrices and
  153. their solutions have been written as a Fortran computer program
  154. by Richmond. This is available as a well documented paper copy in
  155. a NASA Contractors report (5) or alternately from the NTIS (6).
  156. (While well documented, it is not always easy to follow the
  157. translation from the equations to the computer code).The program
  158. is quite lengthy, about 1000 lines, and uses the complex
  159. arithmetic common in Fortran. Input and output are by the punched
  160. cards common in large computer installations of the 70's. I have
  161. not checked, but the source and compiled code should also be
  162. available on tape from NTIS.
  163.  
  164. The Fortran code is standard, and anyone with a small computer
  165. Fortran compiler, 1977 version, could get the program running at
  166. the cost of some typing effort. Alternatively, the nine line
  167. Fortran subprogram which generates the matrix Z'mn could be
  168. translated to BASIC, and be included in Mininec, adding to it's R
  169. and X impedance matrices in the same fashion as is done for
  170. lumped loads. However, for the purpose of this article, even this
  171. seemed to be more work than was justified.
  172.  
  173. Looking at equation 5 again, it is clear that all solutions
  174. involving insulation must include as one endpoint the
  175. corresponding value with no insulation. Further, even though the
  176. wire part of one antenna is different from that of another,
  177. equation 6 shows that the effect of adding insulation to the
  178. second will be proportional to that of the first. This means that
  179. we can take a particular example solution, and develop from this
  180. values for many design situations. Let us do this for resonant
  181. frequency, confining our effort to wire antennas.
  182.  
  183. To do this simply, we need three curves. The first is a curve of
  184. resonant length with no insulation. As has been shown many times,
  185. this is a function of the length to diameter ratio of the antenna
  186. conductor, or alternatively, the wavelength to diameter ratio.
  187. Fig 3 shows this as a fraction of free-space wavelength for
  188. monopoles and dipoles (7). Fig. 4 gives the resonant loop
  189. circumference for equal sided quads and for equilateral delta
  190. loops (8). The resonant length can also be determined by using
  191. one of  the available versions of Mininec.
  192.  
  193. The second curve needed is the P-factor, given by equation 6.
  194. This is plottted in Fig. 5 as a function of the ratio of
  195. insulation to wire diameters (or ratio of radii). Dielectric
  196. constant is used as a parameter, and intermediate values should
  197. be interpolated betweeen the curves. The P-factor can also be
  198. determined with a calculator using Eq. 6.
  199.  
  200. Finally, the length factor with added insulation is secured from
  201. Fig. 6 for dipoles/monopoles, or from Fig. 7 for quads and
  202. deltas. The correct curve is selected using the "no-insulation"
  203. value from Figs. 3 or 4, interpolating between curves as
  204. necessary. Then the "with insulation" length factor is read off
  205. at the intersection of the curve and the P-factor from Fig. 5.
  206. These last curves are developed from a curve in Richmond and
  207. Newman (9), and from the example data given.
  208.  
  209. The results of using the ensemble of curves will be reasonably
  210. accurate for small amounts of low-K insulation, but of lesser
  211. accuracy as the insulation size grows. For such situations, the
  212. more exact Fortran program of Richmond could be used. However, he
  213. warns that its calculation accuracy decreases as the insulation
  214. becomes large compared to wire size. In such cases, full scale
  215. measurements of a working prototype are indicated if an
  216. application is critical with respect to element length, as in
  217. parasitic arrays.
  218.  
  219. DRIVE RESISTANCE AND OTHER FACTORS
  220.  
  221. Returning to the discussion following equation (1), the square
  222. root of the quantity L/C is a resistance, from which the drive
  223. resistance is developed. Since The C term is increased by the
  224. addition of insulation, the drive resistance decreases as the
  225. thickness of insulation increases. The maximum change is of the
  226. same order as for the resonant frequency, i.e., a reduction by
  227. the square root of the dielectric constant K.
  228.  
  229. A three-graph proceedure could be also used to develop the drive
  230. resistance of the element. This has not seemed worthwhile, since
  231. it is so variable in arrays, and since any change is easily
  232. matched out. The reduction is approximately by the same ratio as
  233. for the resonant frequency.
  234.  
  235. Richmond and Newman (9) state that another factor will appear if
  236. the more exact analysis of the computer program is used,
  237. specifically that the bandwidth of the antenna decreases. The
  238. statement is also made by Lammensdorf (10) in his report of
  239. experimental measurements on insulated antennas . Both refer to
  240. the fact that adding insulation narrows the antenna conductance
  241. response curve. In Amateur terms, the SWR bandwidth will be less
  242. for insulated than for bare antennas, even though they both are
  243. matched at the center frequency. In most situations, the effect
  244. can be neglected.
  245.  
  246. SOME EXAMPLE SITUATIONS
  247.  
  248. Before closing, let us look at a few typical situations, for some
  249. using both the approximate graphical method described here and
  250. the more exact and measured results of the references.
  251.  
  252. For the first, assume that a dipole is made of an 8" length of
  253. RG-59/U coax with the outer cover and the braid outer conductor
  254. stripped off. What is the resonant frequency?
  255.  
  256. For this, the length/diameter ratio is 8/.025 or 320. The ratio
  257. of insulation to conductor diameter is .146/.025, or 5.8, and the
  258. dielectric constant is 2.3. From Fig. 3 the bare wire length
  259. factor is about .48. From Fig. 4, the P-factor is .9. The
  260. resonant frequency with insulation is .425 wavelengths by
  261. interpolation. Ref. 9 shows a value of .425 for both theoretical
  262. and measured resonance.
  263.  
  264. Suppose the same wire were formed into a quad loop. The
  265. perimeter/ radius ratio is about 600, and the free space length
  266. factor is about 1.18 (Fig. 3). with insulation this reduces to
  267. .93 (Fig 4). Ref (7) shows a theoretical value of .92, and a
  268. measured value of .95 for such a loop.
  269.  
  270. Going outside of the range for which test data is available,
  271. suppose that a 10 meter dipole is made from a piece of old RG8/U
  272. with the jacket and braid stripped off. Does the antenna need
  273. shortening from standard design length?
  274.  
  275. The insulation ratio for this wire is about .285/.082 or 3.5
  276. average. Dielectric constant is 2.26. Normal length is about 16
  277. feet, for a L/D ratio of 2350, giving a length factor of .455.
  278. The P-factor is about .69. The resonant frequency occurs at a
  279. length factor of .415. The dipole should be shortened to 15 feet
  280. 2 inches length if the length is critical, as for a Yagi
  281. director. Otherwise, the change probably can be ignored, since it
  282. is of the same order as changes due to height above ground, or to
  283. nearby objects.
  284.  
  285. In contrast, what is the effect of Formvar insulation of a 40
  286. meter dipole of #12 wire? Wire tables show this gives 12 turns
  287. per inch, for an insulation diameter of 82.5 mils, compared to
  288. 80.8 for bare wire. The diameter ratio is 1.025, By calculation,
  289. the P-factor is about 0.06. Fig.- shows that this amount of
  290. insulation does move the resonant point slightly, but this small
  291. chamge is negligible in practical situations.
  292.  
  293. CONCLUSIONS
  294.  
  295. The overall conclusions are:
  296.  
  297. -Adding insulation to the wire does change its performance,
  298. especially if the insulation is thick or of high dielectric
  299. constant.
  300.  
  301. -In most real-world situations involving use of thin layers of
  302. insulation on wires, the effect is not likely to be seen, since
  303. it is about the same as that due to other causes.
  304.  
  305. -In critical applications, as in Yagi parasitic elements, the
  306. efects of insulation require compensation, by the approximatiate
  307. method shown here, or preferably by more exact calculation.
  308.  
  309. -The state of theory is such that extreme conditions of thickness
  310. or high dielectric constant will need full scale measurements for
  311. accuracy.
  312.  
  313. Haviland/high gain yagi
  314.  
  315.  
  316. Legend for Program
  317.  
  318. Computer program to generate dimensions for a optimum High Gain
  319. Yagi for any frequency, and to give a shape plot. Tabulated
  320. dimensions should be transfered to a full size pattern and used
  321. to bend the elements to proper shape.
  322.  
  323. The program is in Commodore 64 Simons' Basic, but the numerical
  324. part will run on most small computers without change. The plot
  325. routine will require re-writing.
  326.  
  327.  
  328.  
  329. Legend for plot
  330.  
  331. A high resolution plot of the position of the element centers.
  332. The director is the element with the deep V at the center. All
  333. elements are 1.5 wavelengths long at the design frequency.
  334.  
  335. hHaviland,High Gain Yagi, Legends#
  336. fR.P.Havland,1035 Green Acres Circle,N, Daytona Beach FL 32019
  337.  
  338. Fig. 1
  339. General principle of a shaped element. A half wave dipole section
  340. is formed into a V. The center of radiation is away from the apex
  341. of the V. Radiation from this point arrives at the center of
  342. radiation of the outer sections at least partly in phase with
  343. their radation, despite the fact that the outer sections are
  344. end-driven out of phase with the center. This produces gain.
  345.  
  346. Fig. 2
  347. Computer program to give dimensions of a three element version of
  348. the shaped element array. Written in Commodore 64 Simons' BASIC,
  349. translation for other computers should not be difficult.
  350.  
  351. Fig. 3
  352. Tabular output of the computer program for a freqency of 147 MHz.
  353. X and Y are normal geometric coordinates. The 0's indicate that
  354. the end of the element has been passed. These values may be
  355. scaled for other frequencies.
  356.  
  357. Fig. 4
  358. High resolution computer plot of the data of Fig. 3, showing the
  359. center line of the elements. Although each element is 1.5
  360. wavelength long, the shaping makes the reflector appear longer
  361. and the director shorter than the radiator.hHaviland,High Gain
  362. Yagi, Legends#
  363. fR.P.Havland,1035 Green Acres Circle,N, Daytona Beach FL 32019
  364.  
  365. Fig. 1
  366. General principle of a shaped element. A half wave dipole section
  367. is formed into a V. The center of radiation is away from the apex
  368. of the V. Radiation from this point arrives at the center of
  369. radiation of the outer sections at least partly in phase with
  370. their radation, despite the fact that the outer sections are
  371. end-driven out of phase with the center. This produces gain.
  372.  
  373. Fig. 2
  374. Computer program to give dimensions of a three element version of
  375. the shaped element array. Written in Commodore 64 Simons' BASIC,
  376. translation for other computers should not be difficult.
  377.  
  378. Fig. 3
  379. Tabular output of the computer program for a freqency of 147 MHz.
  380. X and Y are normal geometric coordinates. The 0's indicate that
  381. the end of the element has been passed. These values may be
  382. scaled for other frequencies.
  383.  
  384. Fig. 4
  385. High resolution computer plot of the data of Fig. 3, showing the
  386. center line of the elements. Although each element is 1.5
  387. wavelength long, the shaping makes the reflector appear longer
  388. and the director shorter than the radiator.
  389.  
  390. fR.P.Haviland,1035 Green Acres Circle,N, Daytona Beach FL 32019
  391.  
  392. References
  393.  
  394. (1) F. M. Landstorfer, "A new type of directional antennas",
  395. Antennas Propagat. Soc. Int. Symp. Dig.,pp. 169-172, 1976
  396.  
  397. (2) Chang-Hong Liang and David K. Cheng, IEEE Trans. Antennas and
  398. Propagation, v 31 n 3, May 1983
  399.  
  400. Insulated Antennas
  401. Captions
  402.  
  403.  
  404.  
  405. Fig. 1
  406. Cross section of an insulated antenna. Rw- radius of wire, Rd-
  407. radius of dielectric, K- dielectric constant of insulation. The
  408. diameter ratio may be used.
  409.  
  410.  
  411. Fig.2
  412. Very approximate effect of insulation with dielectric constant of 3 on a spherical antenna, showing reduction of resonant frequency as insulation thickness increases. The limit of reduction is 1 over the square root of the dielectric constant.
  413.  
  414. Fig. 3
  415. Resonance length factor of dipoles and monopoles as a function of its length to diameter ratio. For quarter-wave verticals over an infinite ground, use the dipole curve with twice the monopole length to diameter ratio. "Half-wave" dipoles are always shorter than the free-space one-half wavelength at resonance.
  416.  
  417. Fig. 4
  418. Resonance length factor of a square quad loop as a function of its circumference to radius ratio. Use for equilateral delta loops with negligible error. "One-wavelength" bare conductor loop perimeters are always longer than the free-space wavelength at resonance.
  419.  
  420. Fig. 5
  421. Insulated antenna "P-factor" as a function of the insulation to wire diameters (or radii). Interpolate between curves for the exact dielectric constant. Use equation 6 for values outside the curves.
  422.  
  423. Fig. 6
  424. Approximate shortening effect of insulation on dipoles. Select the uninsulated length factor curve using data from Fig. 3, and for the P-factor from Fig. 5, interpolating as necessary. For monopoles use one half this indicated length. See text for values beyond the data shown.
  425.  
  426. Fig. 7
  427. As Fig. 6, but for loops. Enter with data from Figs. 4 and 5. Insulated loops may have a perimeter less than one wavelength at resonance.
  428.  
  429.  
  430. hR.P.Haviland,1035 Green Acres C N, Daytona Beach FL 321119
  431.  
  432.  
  433. cInsulated Antennas
  434. REFERENCES
  435.  
  436.  
  437. (1) Topical Bibliography on Antennas, The ARRL Antenna Book, 15th ed., ARRL, Newington, CT. 1988
  438.  
  439. (2) From Beverages thru Oscar - A Bibliography 1908-1988, Didah Publishing, Nashua, NH. Available on disk or microfiche.
  440.  
  441. (3) F. E. Terman, Radio Engineer's Handbook, McGraw-Hill, NY, 1943
  442.  
  443. (4) J. H. Richmond, Radiation and Scattering by Thin-wire Structures in the Complex Frequency Domain, NASA Report CR-2396, May 1974. Available from NTSC and from depository libraries.
  444.  
  445. (5) J. H. Richmond, Computer Program for Thin-wire Structures in a Homogenous Conducting Medium, NASA Report CR-2399, June, 1974. Availability as (4)
  446.  
  447. (6) National Technical Information Service, 5285 Port Royal Road, Springfield, VA 22161
  448.  
  449. (7) The ARRL Antenna Book, Current ed., ARRL, Newington, CT.
  450.  
  451. (8) R.. P. Haviland, The Quad Antenna, CQ Books, Hicksville, NY, Summer, 1992
  452.  
  453. (9) J. H. Richmond and E. H. Newman, Dielectric Coated Antennas, Radio Science, v11, n1, pp. 13-20, National Bureau of Standards
  454.  
  455. (10) David Lammersdorf, An Experimental Investigation of Dielectric Coated Antennas, IEEE Trans. Ant. Prop., AP-15, N.6, Nov. 1967, pp 767-771