home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Antennas / Antennas_CD-ROM_Walnut_Creek_September_1996.iso / articles / longwire / longwire < prev   
Text File  |  1996-06-30  |  15KB  |  364 lines

  1.  
  2.  
  3. THE UNI-DIRECTIONAL LONG WIRE ANTENNA
  4. R. P. Haviland, W4MB
  5.  
  6. When the frequency of a signal fed to a half-wave dipole is
  7. increased above it's resonance value, the antenna lobe at right
  8. angles to the antenna pattern first develops a dimple at the 90
  9. degree point. With further increase, the lobe splits into two
  10. lobes, narrower than the original, each at about 45 degrees to
  11. the original lobe.
  12.  
  13. With further increase in frequency, additional lobes are formed.
  14. A step in this process is shown in Fig. 1. This is for a
  15. frequency at which the antenna is essentially 3 wavelengths long.
  16. The general rule is that the number of lobes between 0 and 90
  17. degrees is equal to the antenna length in wavelengths, for
  18. integer lengths. If there are fractional parts of a wavelength,
  19. there is also a lobe at 90 degrees. This is fully formed if the
  20. fraction is 1/2, and shows the dimple leading to two lobes for
  21. fractions between 1/2 and unity.
  22.  
  23. This pattern appears to be somewhat different from the construct
  24. usually shown in textbooks. These show a line parallel to the
  25. 0-180 degree axis, tangent to the end lobes. This is intended to
  26. show that the intensity of the minor lobes is equal to gain of
  27. the end lobes in the direction at right angles to the antenna.
  28. The difference is due to the presentation, which is usually
  29. linear in textbooks, and is logarithmic here.
  30.  
  31. EFEECT OF END FEED
  32.  
  33. When the feed is off center, the pattern changes, becoming
  34. asymmetric. An example is shown in Fig. 2, which is for a 6
  35. wavelength antenna, fed 1/4 wavelength from the left end. Note
  36. that there are six lobes between 0 and 90 degrees, and also
  37. between 90 and 180 degrees. However the two halves are different,
  38. the lobes away from the feed being the largest.
  39.  
  40. The reason for the asymmetry lies in radiation from the antenna.
  41. A wave starting from the feed point and traveling towards the far
  42. end is losing energy by radiation. As a result, the wave
  43. reflected from the far end back to the source is smaller than the
  44. exciting wave. The antenna is acting as a combination of a
  45. travelling wave antenna and a normal antenna with a standing wave
  46. present. The currents are considered later.
  47.  
  48. This feed location is convenient, since it gives a low impedance
  49. feed point. On the other hand, nominally, it can be used only at
  50. one frequency, losing the multiple frequency capability of a true
  51. end fed antenna such as the Zepp. It is also convenient from an
  52. analyitical view. The program used for analysis, Mininec, has no
  53. provision for direct voltage feed. This could be modeled by
  54. adding a transmission line section to form a Zepp, but at the
  55. expense of more complexity and time. The simple approach is used
  56. here.
  57.  
  58. EFFECT OF ANTENNA RESISTANCE
  59.  
  60. The above patterns are for ideal conditions, for antenna
  61. conductors so large that their resistance can be neglected. When
  62. conductor resistance is appreciable, there are further pattern
  63. changes.
  64.  
  65. The magnitude of these is shown in Fig. 3. One direct effect is a
  66. decrease in antenna efficiency, due to the current squared loss.
  67. Another is changes in lobe structure. The main effects of this
  68. are a reduction in intensity of the main lobe, the one off the
  69. far end of the antenna. At the same time the F/B ratio degrades.
  70. These effects are the reason very fine wire "invisible" do not
  71. always perform well. And, of course, iron and stainless steel
  72. wire is poorer than copper.
  73.  
  74. A "feel" for wire size effect can be obtained from Fig. 4. This
  75. shows the calculated RF resistance as a function of wire size, at
  76. a frequency of 20 MHz. Multiply the radius in meters by 80,000 to
  77. get the wire diameter in mils. For example, #12 wire has a radius
  78. of 0.001 meters, very closely.
  79.  
  80. RESISTANCE LOADING
  81.  
  82. Instead of using small wire to make the lobe changes, we can
  83. obtain superior results by placing a concentrated resistance at a
  84. point where it will affect the wave reflected from the far end of
  85. the antenna. A convenient place is the first far-end current
  86. maximum, at one quarter wavelength from the end.
  87.  
  88. Fig. 5 shows the pattern with a 1000 ohm load resistance at this
  89. point. The far lobe gain is essentially unchanged, but the lobe
  90. at the feed end has decreased, giving a F/B of about 10 DB.
  91.  
  92. Instead of a single loading resistor, several can be used. Fig 6
  93. shows the efect of three 333 ohm resistors, one at each high
  94. current point from the far end. Gain has decreased slightly, and
  95. the F/B has increased further, to about 14 DB.
  96.  
  97. The value of resistance giving best F/B is a function of antenna
  98. length and diameter, and also varies with height. The best ratio
  99. obtained in many trials is a F/B of 28 DB, with a resistance of
  100. 400 ohm, for a free space antenna.
  101.  
  102. It is not necessary to place the resistance at the antenna. It
  103. can be at the end of a transmission line, which allows placing
  104. the resistance at ground level for convenient adjustment. For
  105. example, such a line can be placed at both ends of the antenna,
  106. giving voltage feed at one end, and resistance loading at the
  107. other. The far end line can be made of resistance wire,
  108. cancelling the reflected wave as is common in rhombic
  109. installations. (This has not been studied, but would seem to
  110. eliminate the need for resistance adjustment when maximum F/B is
  111. desired.)
  112.  
  113. CURRENT ON THE ANTENNA
  114.  
  115. Fig. 7 shows the current along the 6 wavelength end fed antenna
  116. with no loading, and Fig. 8 the phase of the current. There are
  117. essentially 12 half-waves of current along the antenna,
  118. alternating in phase by 180 degrees, as shown in Fig. 8. Note
  119. that the antenna is not exactly at the 6 wavelength resonant
  120. point. This is shown by the fact that the current at the feed
  121. point is not exactly at 0 degrees phase, and by the changes in
  122. current magnitude along the antenna. The apparent "spike" in the
  123. phase plot comes from the plot routine's interpretation of
  124. slightly more than 180 degree phase shift as compared to 
  125. slightly less.
  126.  
  127. Figs. 9 and 10 show the corresponding plots for the same length
  128. antenna with a loading resistance at the far end. Now the current
  129. along the antenna is a combination of a major component, the wave
  130. traveling down the antenna, plus a standing wave component due to
  131. the interaction of the small component reflected from the far end
  132. of the wire. The reduction in current along the wire is due to
  133. loss by radiation and resistance. As is true in terminated
  134. transmission lines, the phase of the current increases linearly
  135. along the antenna, to a good approximation. The antenna is acting
  136. as a traveling wave antenna, akin the Beverage and others of this
  137. class.
  138.  
  139. EFFECT OF GROUND
  140.  
  141. Fig. 11 shows the vertical plane pattern for a 6 wavelength long
  142. antenna at 20 meters or 66 feet above ideal earth. Since there is
  143. no loading, the F/B ratio is poor, about 3 DB. As a result of the
  144. height, the main lobes are relatively strong. The pattern at
  145. lower hights is similar, but with the low angle lobes redduced in
  146. size.
  147.  
  148. Fig. 12 shows the vertical plane pattern for this antenna
  149. installed as a sloper, with the high end at 35.8 meters or 117.4
  150. feet, and the low end at 8 meters or 26.25 feet. While this
  151. antenna is not loaded, the F/B ratio in the plane of the antenna
  152. has improved, to about 9 DB. This improvement is also shown in
  153. Fig. 12, a horizontal cut at 4 degrees above the horizon. Note
  154. that the reference angle is 180 degrees from that of the previous
  155. plot. 
  156.  
  157. However, this apparent improvement in F/B does not occur for
  158. other vertical planes or elevation angles. This is shown by Fig.
  159. 14, the same antenna but for the horizontal cut at 8 degrees
  160. above the horizon. The maximum lobe intensity is at 40 degrees to
  161. the line of the antenna.
  162.  
  163. It is likely that other combinations of length and slope angle
  164. will give better patterns, especially if two such slopers are
  165. used back-to-back. Such an antenna becomes a half rhombic, in the
  166. vertical plane, and rhombic design factors apply to it. These are
  167. not explored further here.
  168.  
  169. BROADBAND OPERATION
  170.  
  171. The matter of use at other frequencies has been mentioned above.
  172. Fig. 15 summarizes the main pattern features for a 90 meter long
  173. wire in free space, nominally designed for 20 MHz. Feed is a
  174. quarter wavelength from one end (at 20 meter wavelenth
  175. execitation), with a 400 ohm load resistance a quarterwave from
  176. the other end.
  177.  
  178. Both maximum gain and maximum F/B occur for a frequency about 10
  179. percent below the 20 MHz design value. Forward lobe gain equals
  180. or exceeds that of a dipole over the range 4 to 32 MHz. The lobe
  181. in the opposite direction is from 3 to 16 DB smaller.
  182.  
  183. Fig. 16 shows the drive point impedance for the range of
  184. frequency. Drive resistance is close to 300 ohms for the range 8
  185. to 30 MHz, and becomes large only above 30 MHz. Drive reactance
  186. varies less than 200 ohms from zero over the range from 11.5 to
  187. 30.5 MHz, becoming large below 8 MHz. The values are within range
  188. of a open wire line antenna matcher of normal design.
  189.  
  190. Figs. 17 through 25 show the free space patterns at frequencies
  191. of 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 and 20 MHz. As frequency
  192. increases, the number of lobes increases and the main lobes move
  193. closer to the axis of the antenna. At the same time the F/B
  194. increases from about 4 DB to about 14 DB.
  195.  
  196. This arrangement makes a useful multi-frequency antenna. It is
  197. probably not quite as good as a true end fed, end loaded design,
  198. the double ended Zepp, but this design has not been investigated
  199. in this study.
  200.  
  201. OTHER DESIGNS
  202.  
  203. The data shown here is for a single antenna dimension, 90 meters
  204. or nominally 6 wavelengths in length. To a close approximation,
  205. the performance of other lengths can be obtained by scaling. For
  206. example, for a 3 wavelength design, patterns and drive
  207. resistances are those for a frequency just twice the value for
  208. Figs. 15-25. This approximation neglects the effect of wire size,
  209. but this will be small unless "invisible antenna"  wire sizes are
  210. involved.
  211.  
  212. For more detail, calculate the performance of the specific design
  213. with Mininec. Since no small angle wire intersections are
  214. involved, any version should give adequate answers.
  215.  
  216. CONCLUDING NOTE
  217.  
  218. There is little practical experience with distibuted resistance
  219. loading to increase F/B, and as far as a literature search goes,
  220. none with lumped far end loading. Perhaps some farm / ranch
  221. owning amateur will undertake practical trials. It appears that
  222. performance approaw
  223.  
  224.  
  225. THE UNI-DIRECTIONAL LONG WIRE ANTENNA
  226. R. P. Haviland, W4MB
  227.  
  228. CAPTIONS
  229.  
  230.  
  231. Fig. 1. Free space pattern of a center fed antenna 3 wavelengths
  232. long.
  233.  
  234.  
  235. Fig. 2. Free space pattern of an end current fed antenna 6
  236. wavelengths long. The feed is 1/4 wavelength from the left end.
  237.  
  238.  
  239. Fig. 3. Effect of radiator resistance on a long wire antenna.
  240. Efficiency, forward gain and F/B ratio all decrease as wire
  241. resistance increases. Calculated by Mininec with resistance load
  242. at each wire segment.
  243.  
  244.  
  245. Fig. 4. RF resistance of a wire as a function of wire size, at 20
  246. MHz. Multiply size in meters by 80,000 for size in mils.
  247. Resistance varies as the square root of frequency.
  248.  
  249.  
  250. Fig. 5. Free space pattern for the antenna of Fig. 2, but with a
  251. 1000 ohm resistance located 1/4 wavelength from the end opposite
  252. the feed. Note the improvement in F/B. There is an 0.8 DB loss in
  253. gain of the main lobe.
  254.  
  255.  
  256. Fig. 6. Same as Fig. 5, but with 333 ohm resistors at 1/4, 1/2
  257. and 3/4 wavelengths from the end opposite the feed. Note the
  258. Further improvement in F/B, and the added 0.2 DB loss in gain.
  259.  
  260.  
  261. Fig. 7. Current distribution of the antenna of Fig. 2, with
  262. current value shown for each Mininec calculating segment. The
  263. actual curve would have more rounded points, as for a sine wave.
  264.  
  265.  
  266. Fig. 8. Phase of the current of Fig. 7, showning that the
  267. standing wave predominates. The apparent spike is a phase of just
  268. over 180 degrees at segment 21. Compare to that at segment 44.
  269.  
  270.  
  271. Fig. 9. Current distribution for the antenna of Fig. 5. The
  272. dominant component is now that of a travelling wave progressing
  273. from the feed to the right. There is a small standing wave
  274. component impressed on this.
  275.  
  276.  
  277. Fig. 10. Phase of the current of Fig. 9. Primarily, the phase
  278. steadily increases along the antenna. The small standing wave
  279. component shows in the detail variation.
  280.  
  281.  
  282. Fig. 11. Vertical plane pattern for the antenna of Fig 2,
  283. installed relatively high above earth. The azmuith choice makes
  284. the feed at the right.
  285.  
  286.  
  287. Fig. 12. Same as Fig. 11, but with the antenna installed as a
  288. sloper. See text.
  289.  
  290.  
  291. Fig. 13. Horizontal plane cut pattern at 4 degrees elevation for
  292. the sloper antenna. See Fig. 14.
  293.  
  294.  
  295. Fig. 14. Same as Fig. 13, but for the cut 8 degrees above the
  296. horizon. Note that maximum gain at this elevation is at 40
  297. degrees to the antenna axis.
  298.  
  299.  
  300. Fig. 15. Lobe gain versus frequency for the 6 wavelenth at 20
  301. meters antenna of Fig. 5.
  302.  
  303.  
  304. Fig. 16. Drive point resistance and reactance as in Fig. 15. The
  305. antenna is easily fed with 300 ohm twinlead or open wire line.
  306.  
  307.  
  308. Fig. 17. Free space pattern for the antenna of Fig. 5 at 2 MHz.
  309.  
  310.  
  311. Fig. 18. Free space pattern for the antenna of Fig. 5 at 4 MHz.
  312.  
  313.  
  314. Fig. 19. Free space pattern for the antenna of Fig. 5 at 6 MHz.
  315.  
  316.  
  317. Fig. 20. Free space pattern for the antenna of Fig. 5 at 8 MHz.
  318.  
  319.  
  320. Fig. 21. Free space pattern for the antenna of Fig. 5 at 10 MHz.
  321.  
  322.  
  323. Fig. 22. Free space pattern for the antenna of Fig. 5 at 12 MHz.
  324.  
  325.  
  326. Fig. 23. Free space pattern for the antenna of Fig. 5 at 14 MHz.
  327.  
  328.  
  329. Fig. 24. Free space pattern for the antenna of Fig. 5 at 16 MHz.
  330.  
  331.  
  332. Fig. 25. Free space pattern for the antenna of Fig. 5 at 18
  333. MHz.ching that of a rhombic is possible.
  334.  
  335.  
  336. Sidebar for
  337. The Uni-directional Longwire Antenna
  338. R. P. Haviland, W4MB
  339.  
  340.  
  341.  
  342. It is well known that an endfed antenna has pattern distortion,
  343. with the lobe in the direction of the far end being stronger than
  344. the lobe in the direction of the feed end. The effect is most
  345. noticable in antennas which are several wavelengths long, the
  346. long wire antennas.
  347.  
  348. W4MB examines this phenomena in detail, with a view of
  349. determining the amount of directivity available. He then shows
  350. how the directivity can be increased, by introducing resistance
  351. loading at the end away from the feed point. Such antennas are
  352. members of the class called traveling-wave antennas, The Beverage
  353. being the most common in Amateur useage.
  354.  
  355. Since the antenna analysis program, Mininec, is not designed for
  356. true end or voltage feed, the analysis is based on current point
  357. feed, at one-quarter wavelength from the end. W4MB also shows how
  358. this feed technique can be used to give low impedance feed while
  359. retaining the broadband capability of the end-fed long wire.
  360.  
  361. Because if the space needed, the long wire is not an antenna for
  362. everyone. For those with space, it is an useful alternate to the
  363. Yagi, giving good performance in a simple antenna. It is also a
  364. useful antenna for portable or emergency use.