home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Antennas / Antennas_CD-ROM_Walnut_Creek_September_1996.iso / articles / supergan / supergai.txt < prev   
Text File  |  1996-06-30  |  54KB  |  1,229 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4. SUPERGAIN ANTENNAS
  5. Possibilities and Problems
  6. R. P. Haviland, W4MB
  7.  
  8.  
  9. In principle, any desired amount of gain can be developed from an
  10. antenna of arbitrary size. The phenomena of high gain from very
  11. small antennas is called "Supergain".
  12.  
  13. THE OPTICS APPROACH TO PROOF OFSUPERGAIN
  14.  
  15. To see why this statement might be so, let us recall the
  16. construction used in optics, known as Huygens principle. This
  17. states that every point on a wave front can be regarded as a
  18. source of radiation, as sketched in Fig. 1. At the end of a short
  19. period of time, the envelope of all of these individual wavelets
  20. forms the new wave front. For example, this construct explains
  21. why a shadow is not perfectly sharp, and why interference fringes
  22. form.
  23.  
  24. The construct is applicable to all wave propagation, including
  25. the signals from antennas. But for this discussion, let us
  26. reverse the direction of application of the construct. Now, in
  27. Fig. 1, the right most wavefront is regarded as existing at some
  28. instant. Each point on it has been created by the sum of the
  29. individual point waves of an earlier wavefront. Thus the leftmost
  30. wave represents the position of the front at an earlier time.
  31. This process can be repeated again and again, until the source of
  32. the wave is reached.
  33.  
  34. In tracing the front back toward the source, there is no
  35. restriction in the number of steps. Therefore, a given pattern
  36. can be generated by many different sizes of antenna. But this is
  37. just a different way of repeating the opening sentence.
  38.  
  39. THE END-FIRE ANTENNA APPROACH TO PROOF OF SUPERGAIN
  40.  
  41. We can develop the same conclusion by a completely different
  42. approach. Consider the case of two parallel ideal half-wave
  43. dipoles fed 180 degrees out of phase, and at various spacings.
  44. These form the basic end-fire array, also known as the flat-top
  45. beam or the 8JK antenna.
  46.  
  47. Following Kraus(1) in his book on antennas, the radiation pattern
  48. of this antenna can be regarded as the product of two terms, one
  49. for the coupling between the antennas, and one for the phase
  50. relations of the two sources. The complete expression for the
  51. gain in the plane at right angles to the antennas is:
  52.  
  53.      G=SQR(2*R11/(R11-R12))*SIN(D/2*Sin(Ang))           (1)
  54.  
  55. Where G is the gain
  56.       R11 is the radiation resistance of an element
  57.       R12 is the mutual resistance between elements
  58.       D is the element spacing
  59.       ANG is the angle from the line perpendicular to the
  60. elements.
  61.  
  62. At very large distances the mutual resistance is zero. It
  63. increases cyclically as the separation becomes less, then
  64. monotonically, and is equal to the radiation resistance of a
  65. single element when the spacing is zero . As a result, as the
  66. spacing of the dipoles is reduced, the magnitude of the coupling
  67. term becomes large, while the angle term becomes small. The
  68. overall effect is shown in Fig. 2, which shows the magnitude of
  69. the two terms as a function of distance, and the magnitude of
  70. their product, the gain. The surprising result is that an array
  71. of two dipoles at near zero separation has a gain of 4 db, nearly
  72. 3 db more than that of a single dipole occupying essentially the
  73. same space.
  74.  
  75. Now let us follow an approach used by Schelkunoff and Friis(2).
  76. Suppose we have a two element array, with some spacing, say a
  77. quarter wavelength, and that these are fed out of phase with a
  78. current of one ampere. The currents can be represented by the
  79. number pair, 1,-1. In the plane at right angles to the antennas,
  80. the radiation pattern is the figure 8 of the end-fire array.
  81.  
  82. Now suppose that each element is replaced by a pair of elements,
  83. one fed by a current 1,-1, the other by -1,1. Let the spacing be
  84. half the original spacing, or 1/8 wavelength. Suppose also that
  85. the total width of the array is kept the same as the original, or
  86. 1/4 wavelength. Now two elements are at the same place at the
  87. center of the array, so they can be replaced by a single element
  88. carrying twice the current. The array is now of three elements,
  89. with currents of 1,-2,1. The pattern is the figure 8 of the
  90. original antenna pair pattern multiplied by another figure 8 due
  91. to spacing between the two pairs of antennas. The directivity of
  92. the antenna has been increased, even though there has been no
  93. change in overall dimensions.
  94.  
  95. In principle this process can be extended without limit by adding
  96. elements and changing the excitation currents. The successive
  97. currents are:
  98.       2 elements,    1,-1
  99.       3 elements,    1,-2,1
  100.       4 elements,    1,-3,3,-1
  101.       5 elements,    1,-4,6,-4,1
  102.       6 2l2ments     1,-5,10,-10,5,-1
  103.      etc.
  104. Each time there is a further increase in gain.
  105.  
  106. The minus currents mean that the particular element is delivering
  107. power to the exciting system. This is not a common design
  108. problem, but with inductors and capacitors of low resistance this
  109. can be handled with standard design equations. 
  110.  
  111. While these approaches are not rigorous in the mathemetical
  112. sense, they can be made so. Thus the statement that any desired
  113. amount of gain can be developed from an antenna of arbitrary size
  114. is soundly based.
  115.  
  116. Antennas which develop gain or directivity beyond that normal for
  117. their size are commonly called Supergain Antennas, and are said
  118. to be in the supergain regime.
  119.  
  120. DIMENSIONS OF SUPERGAIN ANTENNAS.
  121.  
  122. Some work by Harrington(3) and Chu(4) provides a method of
  123. determining when an antenna is normal and when it is supergain (a
  124. summary of this is found in Hansen(5) ). Let the antenna be
  125. enclosed in a the smallest sphere which just encloses all
  126. elements of the antenna. Then the maximum gain which can be
  127. developed by an antenna operating by the normal regime is:
  128.  
  129.      Gnmax=(2*PI*A/LAM)squared+4*PI*A/LAM                (2)
  130.  
  131.            Where A is the radius of the enclosing sphere, and LAM
  132. is the wavelength. Any antenna having greater gain is in the
  133. supergain regime. This equation is plotted in Fig. 3.
  134.  
  135. As an example, consider a half wave dipole. The radius of the
  136. enclosing sphere A/LAM is 1/4, so:
  137.  
  138.      Gnmax=(6.28/4)squared+12.56/4                       (3)
  139.  
  140. or a gain of 5.6 relative to isotropic, or 7.4 db. Since the
  141. known gain of a practical dipole is 2.14 db it is definitely in
  142. the normal gain range.
  143.  
  144. However, assume that the dipole is shortened to a length of 1/16
  145. wavelength by loading. For this case, from the figure, Gnmax is
  146. 0.93 relative to isotropic, or to -.27 db. Now the gain of a
  147. shortened dipole approaches the constant value of 1.5 or +1.76 db
  148. as the dipole length is shortened. Thus markedly shortened
  149. dipoles are in the supergain region.
  150.  
  151. Now consider the two element flat-top beam. When the elements are 
  152. very close together, the sphere of containment is essentially the
  153. same as for a dipole, 1/4 wavelength in radius. The supergain
  154. point is essentially 7.4 db. Since the gain of a two element
  155. flat-top beam approaches 4.0 db, it also operates in the normal
  156. regime, but by a smaller margin than for a full size dipole.
  157. Decreasing the length of the elements in the array will place it
  158. in the supergain regime, as will using the method of element
  159. doubling described above.
  160.  
  161. For a one wavelength loop, the basic element of quads, the sphere
  162. radius is half the diagonal of the loop, or .35 wavelengths. From
  163. Fig. 3 Gnmax is 9.3, relative to isotropic, or to 9.65 db. Since
  164. the gain of a single quad loop is 3.4 db, it is operating in the
  165. normal regime. As for the dipole, the gain becomes constant as
  166. the size is decreased, so very small loops are also supergain
  167. regime devices.
  168.  
  169. It seems clear from these examples that the common basic antennas
  170. operate in the normal regime. But it also seems clear that it is
  171. not difficult to throw antenna designs into the supergain regime.
  172.  
  173. SUPERGAIN PROBLEMS- DRIVE RESISTANCE.
  174.  
  175. In a pair of coupled circuits driven by a voltage in one circuit,
  176. the drive impedance is:
  177.  
  178.      Zin=Z11-Z12*Z12/Z22                           (4)
  179.      where Zin is the input impedance
  180.            Z11 is the self impedance of the first circuit
  181.            Z22 is the self impedance of the second circuit
  182.            Z12 is the mutual impedance.
  183.  
  184. When the coupled circuits are two identical antennas, as for the
  185. flat top beam example above, Z11 and Z22 are equal. Also, as the
  186. antennas are moved closer together, Z12 approaches Z11 in value.
  187. Acordingly, the drive resistance decreases markedly for elements
  188. very close together.
  189.  
  190. Actually, this is not altogether bad. The distant field of an
  191. antenna is proportional to the current flowing in it. For a given
  192. power, the current increases as the drive resistance falls. Thus
  193. the gain also increases.
  194.  
  195. The phenommena of drive resistance decrease and current increase
  196. is even more marked when adjacent antennas are driven in the
  197. opposite polarity sense, a characteristic of the element doubling
  198. technique. Hansen(5) reports a calculation of Yaru, for a 9
  199. element symmetrical array, compressed to 1/16 of its original
  200. size. The calculated currents in amperes are:
  201.  
  202.      I0, I8     8,893,659,368.7
  203.      I1, I7   -14,253,059,703.2
  204.      I2, I6     7,161,483,126.6
  205.      I3, I5    -2,062,922,999.4
  206.      I4           260.840,226.8
  207.  
  208. The net current is only 19.5 amperes. Maintaining the required
  209. currents requires that component values be maintained to one part
  210. in 10000 million.
  211.  
  212. Note the alternation of phase from one element to the next. This
  213. is characteristic of this method of supergaining. Variations of
  214. the technique will be found in the literature, with phase
  215. difference of less or more than 180 degrees. The characteristics
  216. of marked phase change between adjacent elements, and power being
  217. fed from some elements to the source network exists in these
  218. variations.
  219.  
  220. The current values per element are much less with fewer elements,
  221. as tabulated above, and the accuracy requirements are less
  222. severe. The limit of reasonable design is considered below.
  223.  
  224. SUPERGAIN PROBLEMS- ELEMENT RESISTANCE
  225.  
  226. Real world antenna elements have some resistance, which must be
  227. accounted for. In Equation 1, this enters in the coupling term,
  228. as:
  229.  
  230. G=SQR(2*(R11+R1L)/(R11+R1L-R12))*SIN(D/2xSin(Ang))     (5)
  231.      Where R1L is the loos resisatance.
  232.  
  233. The result of this resistance is shown by the curves of Fig. 3.
  234. For a given value of resistance there is a spacing giving maximum
  235. gain. At lesser spacings the gain falls rapidly. The rapidly
  236. increasing currents in the elements causes an equally rapid
  237. increase in power lost in the element resistances.
  238.  
  239. One result of the element resistance is that the antenna
  240. efficiency is less than 100 percent. The radiating efficiency is:
  241.  
  242.      EFF=R11/(T11+R1L)X100   percent    (6)
  243.  
  244. This calculation is valid if the current on the elements is a
  245. half sine curve. This is never exactly true, but the departure
  246. form the sine curve is small in practical antennas.
  247.  
  248. Computer programs for calculation of antenna performance close to
  249. and in the supergain regime should include element resistance as
  250. a factor. In the case of Mininec, this can be done by introducing
  251. a loading resistance in the pulse at the center of the radiator.
  252. In standard Mininec this must be done manually. It is easy to
  253. write a small routine to add this automatically, based on the
  254. length and diameter of the element.
  255.  
  256. A suitable relation for copper tubular elements, from Terman(6),
  257. is:
  258.  
  259.      R=83.2*SQR(FREQ)/DIA                        (7)
  260. Where R is the resistance in milli-microhms per centimeter of
  261. length
  262.       FREQ is the frequency in Hertz
  263.       DIA is the conductor diameter in centimeters.
  264.  
  265. For example, the resistance of 1 inch tubing at 14 MHz is 3.6
  266. milliohms per foot. For Aluminum, this value is multiplied by the
  267. conductivity ratio, or by 1.6, but check the value for the alloy
  268. used.
  269.  
  270. Slightly better modelling of resistance divides the load
  271. resistance among the segments used in the model. This can also be
  272. done by a short routine added to Mininec. Some versions, and
  273. other antenna modelling programs have this included.
  274.  
  275. In the regime of normal operation, element resistance is not of
  276. great importance unless the elements are very thin. Fig. 5 shows
  277. a Mininec calculation of efficiency for a dipole as a function of
  278. element diameter. Normal sizes of tubing and even wire do not
  279. have great loss. The situation becomes different, of course, with
  280. the high currents of the supergain regime.
  281.  
  282. Texts normally neglect other effects of element resistance. One
  283. is the fact that current distribution changes. This is shown in
  284. Table 1, giving the theoretical sine wave currents at several
  285. points, plus Mininec calculated currents with and without element
  286. resistance included. For the normal range of operation the
  287. current change itself is negligible. However, there can be
  288. changes in drive resistance and reactance, as shown in Figs. 6
  289. and 7. In particular, the change in reactance also means a change
  290. in resonant frequency. This is shown in Fig. 8 for one particular
  291. wire size. The effects are appreciable in the wire sizes found in
  292. "invisible antennas".
  293.  
  294. SUPERGAIN PROBLEMS- Q AND BANDWIDTH
  295.  
  296. The fact that individual element currents are high while the
  297. effective radiating current remains low means that there is a
  298. large amount of energy stored in the space surrounding a
  299. supergain antenna. This is a way of saying that the Q of the
  300. antenna is high. In turn, this means that the usable bandwidth of
  301. a supergain antenna will be low.
  302.  
  303. The above mentioned work of Chu and Harrington gives data on
  304. this. They consider that the radiation leaving the enclosing
  305. sphere can be described by a set of spherical harmonics. (The
  306. colored multi-segmented bouncing balls found on computer displays
  307. are an example of these.) A large number of terms in the harmonic
  308. series is necessary to describe the pattern of narrow beam, high
  309. directivity antennas.
  310.  
  311. If point-source antennas were really available, the number of
  312. sources in any size sphere would be unlimited. But in the real
  313. world, antennas must have physical size, preferably around a half
  314. wavelength in length. Thus, practically, the number of terms in
  315. the series is determined by the number of elements in the array.
  316.  
  317. The derived relation between antenna Q and the size of the
  318. enclosing sphere is shown in Fig. 9. The number N on each curve
  319. is the number of terms in the harmonic series. For our purposes,
  320. the number of terms is also the number of radiating elements in
  321. the antenna, each being a half-wave long, or at least a large
  322. fraction of this length.
  323.  
  324. The intersection of each curve with the Q=1 axis is the size of
  325. the enclosing sphere for an antenna which is just at the boundary
  326. betweeen normal and supergain regimes. This point can also be
  327. taken as the normal design point for an antenna of N elements.
  328.  
  329. If supergain operation is attempted by reducing the length of the
  330. elements or moving them closer together, operation moves along
  331. the numbered curve to the intersection with the new enclosing
  332. sphere size. Accordingly, the antenna Q increases. This is the
  333. consequence of the increase in energy stored in the space
  334. surrounding the antenna. The nature of the curves is such that
  335. the Q change for antennas with a large number of elements becomes
  336. very high if appreciable size change is attempted. This shows
  337. clearly in Fig. 10, which shows the Q for a 2:1 improvement in
  338. gain directivity, as a function of the original enclosing sphere
  339. size.
  340.  
  341. At the present state of knowledge and technology, size reduction
  342. and supergaining will have to be limited to antennas which are
  343. initially small in the sense of having relatively few elements.
  344. The situation may change if room temperature super-conductors
  345. become available, but there will still be the matter of
  346. bandwidth.
  347.  
  348. To see the importance of this, recall that a Q of 1000 would mean
  349. that an antenna on 80 meters would have a bandwidth of 3.5 kHz.
  350. Even a Q of 100 is troublesome if variable frequency operation is
  351. needed. Perhaps a new term would be in order: instead of being
  352. rock-bound, the supergain antenna station would be wire-bound to
  353. a single frequency.
  354.  
  355. It should be noted that this antenna bandwidth limitation is not
  356. the same as that usually encountered in feeding the antenna.
  357. Antennas themselves are wideband when operating in the normal
  358. radiation regime. The proof of this is that retuning of the
  359. "match-box" restores full operation. Since the antenna has not
  360. changed, the usual limit is due the the matching system, not the
  361. antenna.
  362.  
  363. SUPERGAIN AND THE DIPOLE
  364.  
  365. It was noted earlier that physically small antennas are easy to
  366. supergain. This is the case for short dipoles. As the length of a
  367. dipole reduces, (in fractions of a wavelength), its gain
  368. decreases slowly, from the initial 2.15 db to a constant value of
  369. 1.76 db. Even an elemental dipole has this gain. From Fig. 3, any
  370. dipole which fits in a .08 wavelength sphere, i. e., which is
  371. less than 0.16 wavelengths long, is operating in the supergain
  372. regime. The same is true for a ground-mounted vertical less than
  373. 0.08 wavelengths high.
  374.  
  375. The practical aspects of using short dipoles are well worked out.
  376. Just to review, the large reactance at the feed point can be
  377. canceled by a local reactance of opposite sign, by adding a
  378. loading coil, or by adding capacity at the dipole end: often a
  379. combination is used. This leaves a resistance, the sum of the low
  380. radiation resistance of the dipole plus the loss resistance of
  381. the dipole and the added elements. Separate impedance
  382. transformation may be used, or it may be combined with the
  383. reactance cancelling elements. Note that these steps do not
  384. change the operating mode of the antenna. For practical details,
  385. see, for example, the work of Hall(7) on dipoles and Sevik(8) on
  386. verticals.
  387.  
  388. A typical 2 meter "Rubber Duckie" has a length of 6 inches, about
  389. 0.16 wavelength. Assuming that the body of the transceiver is the
  390. effective ground, this is operating in the normal regime. The
  391. Short Duckie, 3-4 inches long is just at the edge of normal
  392. operation.
  393.  
  394. 160 meter antennas, in particular, are often in the supergain
  395. regime. For example, a 40 foot vertical has a length of of about
  396. .075 meters, just in the supergain regime. The feed resistance is
  397. about 2.3 ohms, not too difficult to feed. But an 8 foot whip has
  398. a length of 0.015 wavelengths. Reflecting the penetration into
  399. the supergain regime, the feed resistance is about 0.2 ohms. This
  400. antenna system will be low efficiency because of loss in matching
  401. and in element resistance. But it will have the same gain as the
  402. larger vertical, 1.5 db. The hoped-for room temperature
  403. superconductor whould have a big impact on the whip system.
  404.  
  405. Top hat loading is used to increase the feed resistance. For
  406. example, consider a common situation, a 20 meter dipole at 40
  407. feet, with the feed line ends tied together and fed against
  408. ground for operation on a lower band. On 160 meters the enclosing
  409. sphere radius has increased to 0.08 wavelengths, just out of the
  410. supergain regime. Mininec gives a gain of 1.8 db for this
  411. condition, with a drive resistance of 4.8 ohms.
  412.  
  413. Top loading of an 8 foot whip also helps, even though operation
  414. may still remain in the supergain regime. This is the principle
  415. of the DDRR antenna, (described in the ARRL Antenna Handbook (9)
  416. ).
  417.  
  418. The fact that a simple element can be operating in the supergain
  419. regime means that there are four array regime types:
  420.  
  421.      Normal array, normal elements
  422.      Normal array, supergain elements
  423.      Supergain array, normal elements
  424.      Supergain array, supergain elements.
  425.  
  426. A close spaced array of short loaded dipoles would be an example
  427. of the last.
  428.  
  429. SUPERGAIN AND END-FIRE ARRAYS.
  430.  
  431. The earlier discussion of endfire arrays promised an
  432. investigation of practical operation of these. Let us start with
  433. the two element array fed out of phase, the 8JK array. The
  434. general form of results with this beam alone are shown in Fig.
  435. 11, based on data in Lawson (10). This shows the expected gain
  436. increase and resistance decrease as spacing is reduced. Element
  437. resistance is not included.
  438.  
  439. To investigate the effects of conductor resistance on supergain
  440. operation, it is convenient to use the ELNEC version of Mininec,
  441. since it is set up for current feed, whereas the voltage feed of
  442. standard Mininec requires successive approximations to set
  443. currents precisely.
  444.  
  445. The example is based on two meter long elements, with a copper
  446. element radius of .00625 meter, about one quarter inch, operating
  447. at 73 mHz. Calculations were made with and without element
  448. resistance included. Results are essentially the same for a 20
  449. meter element one inch in diameter.
  450.  
  451. For a single 8JK, with a spacing of one meter and no element
  452. resistance, the drive impedances of each of the two elements are
  453. 33.4 +j47.8 ohms. Gain is  5.7 db,with a beamwidth of 90 degrees.
  454. With resistance included, the impedances are 33.6 +j47.8 ohms.
  455. This antenna is operating in the normal regime, with no special
  456. problems, and good efficiency.
  457.  
  458. Now suppose two of these are reduced to half spacing and combined
  459. into a 3 element array of the same boom length, as described
  460. above. Feed currents are 1,-2,1 amperes. With no resistance, the
  461. drive resistances are -16.8 -j6.5, 10.4 +j17.6 and -16.8 -j6.4
  462. ohms. The minus resistances mean that the two end elements are
  463. capturing power and feeding it to the center element. The gain
  464. has increased to 7.3 db, and beamwidth decreased to 56 degrees. 
  465.  
  466. With the effect of resistance included, the drive resistances are
  467. -16.7 -j6.4, 10.5 +j17.6 and -16.7 -j6.4 ohms. Gain has
  468. decreased, but only to 7.0 db. Except for he matter of designing
  469. three feeds, this amount of supergain appears practical.
  470.  
  471. With 4 elements at .333333 meters spacing, and currents of 1, -3,
  472. 3, -1 amperes, the no element resistance drive impedances are
  473. -2.7 -j24.3, .33 -j.93, .33 -j.93 and -2.7 -j24.3 ohms. Gain has
  474. increased further, to 8.4 db. Beamwidth is 48 degrees.
  475.  
  476. With element resistance considered, the impedances are -2.6
  477. -j24.3, .45 -j.93, .45 -j.93, and -2.6 -j24.3 ohms. Gain falls
  478. dramatically from the ideal condition, to 0.7 db, with a
  479. beamwidth of 90 degrees. This amount of supergain has become
  480. impractical.
  481.  
  482. An additional amount of supergain could be attained if the
  483. initial pair spacing was increased, or if the element resistance
  484. were decreased by a larger diameter or by silver plating. But the
  485. complexity of multiple feeds and of extremely low driving
  486. resistance does not make the attempt to increase the amount of
  487. supergain appear to be practical.
  488.  
  489. However, there is another feed technique which avoids part of the
  490. problems. The starting point for this is the unidirectional
  491. end-fire array, where the phasing between elements is equal to
  492. their spacing in degrees. For the 4 elements at .33333 meter
  493. spacing, the element currents are one ampere at 0, 29, 58 and 87
  494. degrees. 
  495.  
  496. With no element resistance, the drive impedances are 229 -j116,
  497. 255 +j40, 211 -j61 and 107 -j130 ohms. The main lobe gain is 3.9
  498. db, with a beamwidth of 76 degrees, and the back lobe is -2.9 db.
  499. With element resistance included, the element resistances are
  500. again 229 +j116, 255 +j40, 211 -j61 and 107 -j130 ohms. Gain and
  501. beamwidth remain the same. Except for the multiple feeds, this
  502. antenna is quite practical.
  503.  
  504. Hansen and Woodward (11) showed that the directivity of this type
  505. of antenna could be increased if the phasing between elements
  506. were increased. They concluded that the best design was obtained
  507. if the total phase shift across the antenna was equal to the boom
  508. length in degrees plus 171.9 degrees (3 radians), with the shift
  509. between each element in proportion. For the 4 element .3333 meter
  510. spacing, the phases are 0, 87, 174, and 261 degrees.
  511.  
  512. With these conditions and no element resistance, the computed
  513. element impedances are -24.2 +j77.0, 31.1+j36.9, 21.6 +j21.0 and
  514. 49.5 +j1.0 ohms. The main lobe gain is 7.8 db, with a beamwidth
  515. of 60 degrees.The backlobe gain is 1.6 db. The backlobe level is
  516. higher than theoretically obtainable. The reason for the high
  517. level was not investigated, but may be related to use of spacing
  518. below the best value, or to rounding of the phase relations.
  519.  
  520. Including element resistance changes drive impedances negligibly
  521. to -24.0 +j77.0, 31.2 +j36.9, 21.7 +j21.0 and 49.6 +j.1.0 ohms.
  522. Main lobe gain remains at 7.8 db, (actually a reduction of 0.018
  523. db) with a beamwidth of 60 degrees.The back lobe increases by
  524. 0.02 db.
  525.  
  526. This method of increased directivity is practical in this size
  527. antenna if single-frequency operation is needed. The technique
  528. may be extended to more elements, but feed network complexity
  529. seems too great to expect extensive use.
  530.  
  531. SUPERGAIN AND THE YAGI
  532.  
  533. We can start study of Yagis in the supergain regime by reviewing
  534. the extensive data in Lawsons book(10). His Figs. 2.4 and 2.5
  535. show that the gain of a particular two element length combination
  536. in low at small and large spacings, with a maximum at some
  537. intermediate spacing.
  538.  
  539. If element lengths are adjusted at each spacing, the gain
  540. increases as the spacing reduces, as shown in his Table 2.1, and
  541. summarized in Fig. 11. At least down to 0.025 wavelength spacing,
  542. the gain increases, with a limit of about 7.5 db. As the spacing
  543. decreases, the drive resistance decreases, from about 30 ohms at
  544. a typical 0.15 wavelangth spacing to 1.1 ohm at 0.025 wavelength.
  545.  
  546. At close spacing, the enclosing sphere radius is .25 wavelength,
  547. so the maximum normal gain is 8.5 db. The close-spaced 2 element
  548. Yagi is just outside the supergain regime. If the elements are
  549. shortened to less than about .2 wavelengths by loading, the beam
  550. will enter the supergain regime.
  551.  
  552. Fig. 12 shows the Q of the two element Yagi as calculated by
  553. Lawson. The plot is based on the assumption that the initial
  554. spacing is 0.5 wavelength, and that the smaller sizes result from
  555. attempts to move into the supergain region by reducing the
  556. element spacing. The Q is the ratio of element reactance to
  557. resistance, and is not precisely the same as that of Fig. 9.
  558. However, this Q is a true measure of array bandwidth.
  559.  
  560. Consider now a multielement beam, using Fig. 2.9 in Lawson. He
  561. shows a 4 element beam with a 0.7 wavelength boom to have a gain
  562. of 11 db if designed for maximum gain. The enclosing sphere
  563. radius is 0.43 wavelengths, with the maximum normal gain being
  564. just over 11 db. This antenna is at the boundary between the
  565. normal and the supergain regimes.
  566.  
  567. Suppose this antenna is shrunk until the boom length is 0.4
  568. wavelength. For this condition, the enclosing radius is 0.27
  569. wavelengths, with a maximum normal gain of 8 db. For the tuning
  570. conditions used by Lawson, he calculates a gain of 9.5 db. The
  571. shrunk beam is in the supergain regime.
  572.  
  573. Lawson does not report the drive resistance for these beams. It
  574. is not possible to determine if the loss of gain in shrinking the
  575. beam is due to element loss, or if different element lengths
  576. would restore the original gain. In general Lawson slanted his
  577. study to a balance of good performance features: gain, F/B ratio
  578. and easy drive. It appears that he purposely avoided the
  579. supergain conditions, since this demands  "single-minded"
  580. attention to gain.
  581.  
  582. We can investigate Yagi supergain by using the computer program
  583. YAGIMAX, which includes routines for optimizing for gain. For
  584. example, one design in the files included with the program is
  585. SUPER610, a 6 element beam on a 1 wavelength boom. The program
  586. gives a calculated gain of 11.84 db at 28.5 mHz, with a reduction
  587. of .62 db or less at 28 and 29 MHz. F/B ratio is nearly 30 db.
  588.  
  589. The enclosing sphere radius is .56 wavelengths, for a maximum
  590. normal gain of 13 db. The antenna is in the normal regime. The
  591. calculated pattern of the array is shown in Fig. 13A.
  592.  
  593. Suppose the boom is shortened to 60 percent of original length.
  594. With no other change, the effect is relatively small. The gain
  595. reduces to 10.35 db, a loss of 1.5 db. F/B ratio drops to 15 db.
  596. The drive resistance also reduces, from the original 20.7 ohms to
  597. 12.5 ohms. Since the enclosing sphere radius is .39 wavelengths,
  598. the normal maximum gain is 10.5 db. As also shown by the
  599. relatively high driving resistance, the antenna remains in the
  600. normal regime, but by a small amount.
  601.  
  602. Changing to the supergain condition requires retuning of
  603. elements. Using the optimization routine included in the program
  604. on the reflector has a small effect, changing from 10.36 db gain
  605. to 10.41 for a length reduction of 4.5 inches. F/B increases
  606. slightly, to 16.2 db. Drive resistance decreases, to 10.22 ohms.
  607.  
  608. Leaving this condition set and changing the first director has a
  609. small additional effect. A 5.8 inch increase in length increases
  610. the gain to 10.44 db, and reduces the drive resistance to 2.5
  611. ohms.
  612.  
  613. Moving now to the second director quickly shows the problems of
  614. supergain. For example, a 20 inch reduction in this director
  615. length increases the gain to 11.22 db.  F/B ratio drops to 7.3
  616. db. But the drive resistance drops to about 0.8 ohm. The step
  617. also produces pattern changes, the most marked being an increase
  618. in back lobe size, see Fig. 13B.
  619.  
  620. The detail performance is made evident by comparing Table 2, for
  621. theoriginal beam, and Table 3 for the size reduced retuned beam.
  622. The steps have converted an easily fed Yagi of good performance
  623. to a narrow band, hard to feed design. These are the penalties
  624. for maintaining the same gain in a beam of 60 percent theoriginal
  625. boom length.
  626.  
  627. Probably additional gain could be developed by tuning the other
  628. directors. But another effect must be watched. All analysis
  629. programs which have been used by the author become inaccurate
  630. when the degree of supergain becomes large. The most noticeable
  631. effects are very high values of gain, sometimes reaching 100
  632. times (+20db) as compared to usual values, and negative values of
  633. drive resistance.
  634.  
  635. A large part of the problem is the very high element currents
  636. calculated, and the mutual effects of these. The problems can be
  637. alleviated by using double precision arithmetic, and a large
  638. number of segments in moment analysis programs. However, the
  639. steps are not really worth while, because the drive resistance
  640. goes out of reasonable range. In fact, as noted by Kraus,
  641. supergain drive resistances can go below values which can be
  642. reached by the best transmission line short known.
  643.  
  644. The overall conclusions for Yagis are:
  645.  
  646. -Conventional Yagi maximum or near maximum gain designs are at or
  647. close to the lower limit of the normal operating regime. Quite
  648. small changes will throw the design into the supergain regime,
  649. with its attendant problems;
  650. -If the problems can be accepted, boom lengths can be shortened
  651. appreciably;
  652. -Although not shown here, it appears that a better supergain
  653. design compromise can be reached if the gain goal can be secured
  654. with director tuning only; this leaves reflector tuning for F/B
  655. ratio adjustment.
  656.  
  657. Another point to remember is that the single feed point of the
  658. Yagi is much simpler than the multiple feeds necessary with
  659. end-fire arrays.
  660.  
  661. There is, however, another important possibility which we have
  662. ignored so far. The antennas considered above have been one or
  663. two dimensional. But the enclosing sphere is three dimensional.
  664. It would seem possible to get better gain while avoiding the
  665. problems of supergain by going to three dimensional antennas. In
  666. the case of Yagis, this means stacking.
  667.  
  668. Lawson includes some data on this. He shows a 3 element 0.3
  669. wavelength boom Yagi at one wavelength elevation above ideal
  670. ground as having a gain of 14.10 db with a drive resistance of
  671. 16.6 ohms. Two such antennas spaced 3/4 wavelength and with the
  672. center at one wavelength give a gain of 16.27 db. Since the gain
  673. due to ground reflection is very nearly 5.0 db, the free space
  674. gain of these antennas would be 9.10 and 11.27 db.
  675.  
  676. The enclosing sphere for the single Yagi is about .29 wavelength,
  677. and for the stacked pair about .47 wavelength. The maximum normal
  678. gains are about 9.0 and 11.5 db respectively. The stacked pair
  679. remains in the normal operating regime, with none of the
  680. supergain problems. As compared to a long boom design of the same
  681. gain, the problems of boom length and rigidity have changed to a
  682. problem of vertical stacking and adjustment of double the number
  683. of feeds. The stacked array will usually have fewer elements for
  684. the same gain.
  685.  
  686. The overall conclusion seems to be that stacking should be
  687. considered for Yagis before supergain is attempted.
  688.  
  689. SUPERGAIN AND THE QUAD
  690.  
  691. In one sense, the quad in supergain conditions will behave the
  692. same as the Yagi. For the supergain regime, both depend on the
  693. fact that the mutual impedance approaches isolated element
  694. impedance at close spacings.
  695.  
  696. However, there is one difference. The quad is already a 3
  697. dimensional antenna. Further, the gain of an individual quad loop
  698. is greater than that of a dipole. In the usual configuration, the
  699. boom length is the same as in Yagis, but the element span is half
  700. that of the Yagi, and the height is much greater. 
  701.  
  702. A typical compromise design three element quad in free space will
  703. have a gain of 8.7 db with a boom length of .45 wavelength. The
  704. enclosing sphere radius is .42 wavelengths, for a maximum normal
  705. gain of 11 db. Such a compromise design is well in the normal
  706. regime.
  707.  
  708. Suppose the boom length is shrunk to .288 wavelength (a 20.5 foot
  709. boom on 20 meters). If elements remain the same, gain will drop
  710. slightly to 8.37 db. Drive resistance will also drop, to 84 ohms.
  711. Gain can be increased by retuning the elements or by adding
  712. reactance. Reducing the reflector perimeter and increasing that
  713. of the director (i.e., bringing the element resonances closer)
  714. will give gains as high as 9.8 db. For this condition, the
  715. enclosing sphere radius is .23 wavelengths, with a maximum normal
  716. gain of 7 db. The antenna is in the supergain regime. The drive
  717. resistance does drop appreciably for this tuning, but is still
  718. 12.2 ohms, not particularly troublesome to feed.
  719.  
  720. A second way of reducing the size of the enclosing sphere is to
  721. reduce the size of the elements by loading. The ways of doing
  722. this include inductive loading at or near high current points,
  723. capacitor loading between high voltage points, and "linear
  724. loading" by folding the sides to resemble a three wire
  725. transmission line. For example, it is not difficult to make a 20
  726. meter size loop which is resonant on 40 meters. There is some
  727. loss in gain, but even very small loops have a gain of 1.5. As
  728. for the dipole, these loops go into the supergain regime. One
  729. result is that the four classes of antenna arrays tabulated above
  730. also exist in the quad family.
  731.  
  732. As an alternate to loading, suppose that the loop is opened at
  733. the side opposite the feed point. The loop is now parallel
  734. resonant at its original operating frequency. Series resonance
  735. occurs at half this frequency. In one sense, the series resonant
  736. quad loop has been converted to a bent dipole of square
  737. configuration, with sides of .125 wavelength. Such a loop fits in
  738. a sphere of 0.088 wavelength radius, for a maximum normal gain of
  739. 1.5 db. Since the calculated gain of the bent dipole around the
  740. resonant point is about 0.2 db, the loop is in the normal regime.
  741. Drive resistance is about 10 ohms.
  742.  
  743. Arrays of these open loop quads can have good performance.
  744. Consider 2 identical open loops of .00625 meter radius copper
  745. tubing, each 2 meters on a side, spaced 2 meters to give a cubic
  746. antenna. The 8 meter conductor length means that the resonance
  747. point will be around 18.75 mHz.
  748.  
  749. The Mininec calculated performance of this antenna, including
  750. element resistance, shows a maximum director gain of 5.2 db at
  751. 19.7 mHz, with a drive resistance of 2.5 ohms. F/B ratio is poor,
  752. only 1.8 db. The maximum reflector gain is just over 6 db, with a
  753. F/B of 6.3 db, and a drive resistance of 3.4 ohms. Maximum F/B
  754. occurs for reflector action, and is 23.3 db at 19.6 mHz. Gain,
  755. however, has dropped to 5.0 db, with a drive resistance of 7.2
  756. ohms. Fig. 14 shows the variation in gain toward and away from
  757. the parasitic, and the drive resistance vs frequency. The antenna
  758. is narrow band, the gain dropping to 3.8 db at 19.4 and 19.7 mHz.
  759.  
  760. The antenna enclosing sphere is just 1.73 meters in radius, or
  761. .11 wavelengths at the best gain point. The maximum normal gain
  762. is 3.5 db. The antenna is in the supergain regime. Despite this,
  763. the feed resistance is not impossibly low. The calculated antenna
  764. efficiency is good, 92 percent. This does not include the loss in
  765. the matching section.
  766.  
  767. A trial at a spacing of 1 meter showed essentially the same
  768. performance, with a gain of 6 db at 19.7 mHz. Drive impedance was
  769. markedly reduced, however, to 0.9 ohm, and efficiency was 87
  770. percent.
  771.  
  772. This design seems to be good for mimimum space beams. These
  773. antennas could be scaled to 20 and 15 meters, by the multipling
  774. ratios 1.39 and .925. It would probably be worthwhile to increase
  775. tubing size. It would be possible to compensate for the
  776. relatively narrow bandwidth by designing for the top end of the
  777. band and adding capacity plates at open element ends for tuning.
  778. Experimental work on the matching system seems indicated; gamma
  779. and delta matches seem possible. Use of voltage feed to the open
  780. end of the driven element might be good. 
  781.  
  782. Some data on multi-element designs and other variations at or
  783. near the supergain regime is given in Haviland(12).
  784.  
  785. NEUTRALIZATION AND THE ANTENNA
  786.  
  787. The British Amateur, Les Moxon, G6XN (13), has concluded that the
  788. reason for the low driving resistance of the family of antennas
  789. which are size reduced is that the elements are over-coupled.
  790. This led him to the concept of antenna neutralization. The
  791. concept is the same as the neutralization employed in RF
  792. amplifier design, in which an out-of-phase voltage is coupled
  793. from the drive to the driven circuit.
  794.  
  795. The physical concept proposed by Moxon for a two element
  796. end-folded shortened beam is shown in Fig. 15. An additional pair
  797. of elements are introduced. These are not resonant, but are
  798. regarded as transmission line sections feeding the small voltages
  799. capacity coupled from the antenna element to the transmission
  800. line ends. The diagional placement makes the voltages out of
  801. phase, as required for neutralization.  Another physical layout
  802. is shown in the references.
  803.  
  804. This is not an easy design to analyze. The number of bends means
  805. that a large number of wires are involved. For really good
  806. accuracy there should be a minimum of 4 segments per wire in the
  807. neutralizing area, and preferably more. In addition, the problems
  808. of analysis of very closely spaced wires mentioned above appear.
  809.  
  810. So far, the results of Mininec analysis of capacity coupled
  811. neutralization has been inconclusive. Increases in drive
  812. resistance by a factor as large as 3:1 as compared to no
  813. neutralization have been found. However, in all cases tried, this
  814. increase was found at frequencies well away from those giving
  815. maximum or near maximum gain. At and around the maximum gain
  816. frequency, the drive resistance varied by no more than a few
  817. percent among the various conditions tried. This included various
  818. spacings, plus direct connection with resistive, capacitive and
  819. inductive isolation elements.
  820.  
  821. It is not apparent whether this finding is a real reflection of
  822. antenna performance, or whether it is due to the known analysis
  823. limitations of Mininec, or whether a larger computer would give a
  824. confirmable answer. In an effort to get an understanding of the
  825. concept, several different approaches were tried.
  826.  
  827. In one, a small additional amount of excitation was introduced at
  828. the center of the second element of a two dipole array. The
  829. magnitude of this was varied up to 50 percent of the main
  830. excitation, both in and out of phase to the main excitation.
  831. Reults as to drive resistance increase were again inconclusive,
  832. possibly because only 0 and 180 degree phase differences were
  833. used.
  834.  
  835. Fig. 16 shows the genesis of a different approach. At A two
  836. parallel dipoles are shown, the basic Yagi or 8JK beam, depending
  837. on excitation. If a connecting boom is introduced, as at B, and
  838. this is symmetrical, it has only a small effect, primarily
  839. equivalent to shortening the elements. See the discussion in
  840. Lawson(10) about this.
  841.  
  842. However, if the boom is not symmetric, it will introduce an
  843. additional current path. This path can in the direction of
  844. increasing  element coupling, as at C, or of reducing it, as at
  845. D. The amount of coupling can be changed by changing the
  846. intersection points, as in E and F. A further change can be made
  847. in the length of the coupling diagonal, which requires canting
  848. the elements, as at G.
  849.  
  850. Analysis of this family of designs seems to show convincingly
  851. that the concept of antenna neutralization is real. The first
  852. indication found is summarized in Table 4. This tabulates the
  853. gain and drive resistance for four spacings, with no boom and
  854. with symmetrical cross connection at five distances along the
  855. element, the last being at the ends. It was found that there is
  856. no particular effect when the connecting points are close to the
  857. center. But as shown, with widely separated diagonal connections,
  858. there can be marked increase in drive resistance, in some cases
  859. with gain loss, in others gain improvement.
  860.  
  861. Figs. 17 to 19 show typical overall effects. Fig. 17, drive
  862. resistance, shows a minimum near the single element resonant
  863. frequency, the minimum resistance increasing and the frequency of
  864. occurance decreasing as the element spacing increases. Figs. 18
  865. and 19 show the effect on gain away from and towards the undriven
  866. element, respectively, for two of the spacings. The most
  867. noticeable gain effects are on the low frequency side of the peak
  868. gain point, where the parasitic is acting as a director. Overall,
  869. conditions can be found to give a marked increase in drive
  870. resistance, plus a small improvement in gain with little change
  871. in F/B ratio. This is generally the claim of Moxon.
  872.  
  873. Much more analytical and experimental work on this concept is
  874. needed before design rules can be set forth. This brief account
  875. is included here in the hope of stimulating such work by others.
  876.  
  877. THE ZIG-ZAG BEAM
  878.  
  879. The antenna of Fig. 16G was described by Cumming (14) a number of
  880. years ago. He has regarded it as a special case of the Helix
  881. antenna, wound on an ellipse of zero minor axis. As seen above,
  882. it can also be regarded as the end point of a series of
  883. cross-diagonal feed. In the form described by Cumming, the
  884. antenna is used with a reflecting screen. The data given here is
  885. for the zig-zag (Z-Z) element alone, with no reflector, and for
  886. feed at the center of one end element.
  887.  
  888. The Z-Z is an end-fire array, with the direction of maximum
  889. radiation being a function of element length and spacing.
  890. The gain in the direction away from the feed (taken from the
  891. center of the antenna) is shown in Fig. 20. At each spacing,
  892. there is a change from reflector to director action. At close
  893. spacing the change is quite rapid as frequency is varied. (Note
  894. that there is a change in element length as the spacing is
  895. varied.)
  896.  
  897. The gain in the direction toward the feed is shown in Fig. 21.
  898. This also shows the change from director to reflector action, but
  899. this is much less marked than for the other lobe. Maximum gain is
  900. a function of spacing, reaching 8.6 db for the 0.1 wavelength
  901. between adjacent element ends case.
  902.  
  903. Fig. 22 shows the calculated drive resistances. The curves show a
  904. resistance minimum, which varies with spacing. Most if not all of
  905. the change in the frequency of the minimum is due to the
  906. lengthening of the element as spacing increases, since the span
  907. of the antenna was kept constant, rather than element length. The
  908. magnitude of the resistance at minimum increases as spacing
  909. increases, reflecting the reduction in coupling. It should be
  910. noted that the antenna approaches a long wire at large spacings.
  911.  
  912. This data was developed using Mininec 3.12. It is likely that
  913. calculated values would be different with earlier versions, which
  914. lack the small angle correction feature. The regular variation of
  915. the curves in Figs. 20-22 is an indication that the calculated
  916. results are trustworthy. Marked discontinuities over a range of
  917. conditions indicates that results are suspect, and should be
  918. checked, for example by increasing the number of segments used in
  919. analysis.
  920.  
  921. The enclosing sphere for these antennas is around 0.25
  922. wavelengths radius. The maximum normal gain is thus around 7.5
  923. db. At the wider spacings, the antenna is in the normal regime,
  924. but the close spacings it shows supergain. This is further
  925. indicated by the calculated decrease in bandwidth. For example,
  926. for  the 0.4 meter spacing, the gain varies by 1.4 db over the
  927. range from 61 to 78 mHz, while for a spacing of 0.1 meter, the
  928. frequency range is from 72.5 to 76.5 for the same variation.
  929. Drive resistance also changes with spacing and frequency.
  930.  
  931. Cumming shows a design using two mirror image zig-zag elements
  932. closely stacked, using a reflector screen. A measured gain of 6.2
  933. db at 64 mHz, increasing to 10.2 db at 86 mHz was obtained. SWR
  934. was an average of 1.8 and a peak if 2.2 over this band using 300
  935. ohm feed. Cumming notes that the antenna family can be regarded
  936. as a traveling wave antenna, of the slow-wave class, with a
  937. propagation velocity of 0.91. This suggests that very wide band
  938. operation could be obtained if the length of each rod was
  939. progressively decreased, as in the log periodic.
  940.  
  941. This is another antenna where more analysis and experiment is
  942. needed to develop practical design rules.
  943.  
  944. SUMMARY
  945.  
  946. The work reported here was started as a result of encountering
  947. supergain phenomena in a comprehensive study of Quads, reported
  948. elsewhere, Haviland (12).
  949.  
  950. In the process of study, several unexpected features have shown.
  951.  
  952. One is the degree to which quite common antennas are either in
  953. the supergain regime, or are close to it. The matter of regarding
  954. short dipoles as supergain antennas had not been encountered
  955. before.
  956.  
  957. Another was the importance of the enclosing sphere in determining
  958. whether attempts to achieve supergain were worthwhile. This was
  959. particulary noticeable when high gain Yagis were considered.
  960.  
  961. One feature which can only be called "disappointing" was the
  962. speed with which conditions became unattractive or even
  963. impossible in the practical sense as the supergain regime was
  964. entered. The small high gain and highly directive beam remains
  965. "pie in the sky".
  966.  
  967. On the other hand, some lines of approach with promise have
  968. appeared. One is the importance of stacking, both as a way of
  969. increasing performance while skirting the supergain regime, and
  970. in securing increased performance with short boom antennas.
  971. Others are the interesting miniaturization possibilities of the
  972. open loop quad, and the zig-zag antenna family. All of these, and
  973. in particular the possibility of antenna neutralization, need
  974. more work, both analytical and experimental.
  975.  
  976. LEGENDS, Supergain Antennas
  977.  
  978. Fig. 1     Illustrating Huygens Principle, where a new wave-front
  979. is created by the envelope of wavelets originating from each
  980. point on the original front.
  981.  
  982.  
  983. Fig. 2     Theoretical gain of a two element end-fire array, or
  984. 8JK antenna, showing the pattern factor, the coupling factor and
  985. the overall gain. Element resistance is neglected.
  986.  
  987.  
  988. Fig. 3     Maximum normal gain of an antenna from Harrington and
  989. Chu, as a function of the radius of the sphere just enclosing the
  990. antenna. If the gain is less than the curve value, the antenna is
  991. in the normal (gain) regime, if greater, in the supergain regime.
  992.  
  993.  
  994. Fig. 4     Effect of element resistance on the overall gain of a
  995. 8JK array. Compare to Fig. 2. Calculation is based on resistance
  996. being distributed along the antenna length. Ususal caculation
  997. assumes that the resistance is concentrated at the center of the
  998. element.
  999.  
  1000.  
  1001. Fig. 5     Calculated efficiency of a dipole as a function of
  1002. element size. Based on a 2 meter long element at 75 MHz. Curve is
  1003. approximately correct for any dipole of the same length/diameter
  1004. ratio, but the exact value varies due to skin effect on element
  1005. resistance.
  1006.  
  1007.  
  1008. Fig. 6     As for Fig. 5, but showing the effect of element size
  1009. on drive point resistance. See text.
  1010.  
  1011.  
  1012. Fig. 7     As for Fig. 5, but showing the effect of element size
  1013. on drive point reactance.
  1014.  
  1015.  
  1016. Fig. 8     Change in reactance with frequency for a fine wire
  1017. element with element resistance neglected and considered. The
  1018. resonant frequency is affected, with a small change in reactance
  1019. slope. The effects in Figs. 5-8 are commonly neglected in antenna
  1020. textbooks.
  1021.  
  1022.  
  1023. Fig. 9     Quality factors for antennas, specifically for the
  1024. TMmn and TEmn propagation modes, as a function of the enclosing
  1025. sphere radius in wavelengths. The quality factor is the ratio of
  1026. stored to dissipated energy, essentially the common Q. See text
  1027. for useage. After Harrington and Chu.
  1028.  
  1029.  
  1030. Fig. 10     Quality factors for antennas reduced 2:1 in size, as
  1031. a function of the original enclosing sphere radius. Note that
  1032. reducing the size of large antennas means that they rapidly
  1033. become narrow-band devices.
  1034.  
  1035.  
  1036. Fig. 11     Effect of element spacing of a two element Yagi, both
  1037. elements 0.5 wavelangths long. Gain decreases slowly as spacing
  1038. is reduced, but drive resistance reduces rapidly, becoming zero
  1039. at very close spacing.
  1040.  
  1041.  
  1042. Fig. 12     Quality factor for a two element Yagi, assuming that
  1043. original size is 0.5 wavelength spacing, and that spacing is
  1044. gradually decreased. This the drive point Q, the ratio of drive
  1045. reactance to drive resistance, and is not the same as that shown
  1046. in Fig. 9.
  1047.  
  1048.  
  1049. Fig. 13     Effect of shrinking the boom length of a 6 element
  1050. Yagi to 60% of its original size, and retuning some elements. A
  1051. is for the original size, B for the reduced size. Further element
  1052. adjustment can increase the smaller antenna gain. See text.
  1053.  
  1054.  
  1055. Fig. 14     Swept frequncy performance of a close-space two
  1056. element open-loop quad. Elements are of copper tubing, identical
  1057. in length. The marked change in drive resistance is
  1058. characteristic of close-spaced arrays, and is not normally found
  1059. at wide spacing. This antenna gives quite good performance in a
  1060. small space.
  1061.  
  1062.  
  1063. Fig. 15     Principle of "Antenna Neutralization" as developed by
  1064. Moxon, G6XN. Two dipoles are shortened by folding the element
  1065. ends, resulting in over-coupling and low drive resistance. The
  1066. coupling is opposed or "neutralized" by introducing a pair of
  1067. short elements which couple small out-of-phase components into
  1068. the wire ends. See text.
  1069.  
  1070.  
  1071. Fig. 16     Schematic of a family of direct coupled antennas. A,
  1072. no coupling, B neutral coupling, C positive coupling, D, E, F,
  1073. negative coupling of varying magnitude, G a variation of F. See
  1074. text for concept.
  1075.  
  1076.  
  1077. Fig. 17      Drive resistance of negative direct coupled antennas
  1078. of varying spacing. Both elements identical in size.
  1079.  
  1080.  
  1081. Fig. 18     As Fig. 17, but for Gain away from the parasitic
  1082. element (reflector action). Over much of the frequency range,
  1083. this mode gives the best forward gain.
  1084.  
  1085. Fig. 19     As Fig. 17, but for gain towards the parasitic
  1086. element (director action).
  1087.  
  1088.  
  1089. Fig. 20     Gain away from the feed point for a Zig-Zag antenna
  1090. of several element end spacings. Note that the span is kept
  1091. constant, which means that the element length increases as end
  1092. spacing increases.
  1093.  
  1094.  
  1095. Fig. 21     As Fig. 20 but for the gain away from the feed point.
  1096. In this direction, the antenna gives good wide-band performance.
  1097.  
  1098.  
  1099. Fig. 22     As Fig. 20, but showing the variation in drive
  1100. resistance.
  1101.  
  1102.  
  1103. Table 1     Distribution of current in a dipole for three
  1104. calulation conditions. Ideal assumes sine-curve distribution, as
  1105. ususally found in textbooks. No Res. is calculated by Mininec
  1106. with no element resistance. With Res. is calculate by Mininec
  1107. with element resistance divided among the 40 segments used in
  1108. calculation. See text.
  1109.  
  1110.  
  1111. Table 2     Gain and drive impedance vs frequency for a 6 element
  1112. 1 wavelength boom Yagi (Yagimax file SUPER610).
  1113.  
  1114.  
  1115. Table 3     Gain and drive impedance for the antenna of Table 2
  1116. reduced to 60% of its original length, with reflector and
  1117. directors 1 and 2 retuned. See text for steps followed.
  1118.  
  1119.  
  1120. Table 4     Gain and drive resistance for a family of two direct
  1121. coupled dipoles, with isolated element conditions for comparison.
  1122. Note that the effects are small until the end separation of the
  1123. neutralizing element becomes large, as in E and F of Fig. 16.
  1124. Mininec calculations with element resistance included. These
  1125. results were the first indication that the concept of antenna
  1126. neutralization can increase the drive resistance.m
  1127.  
  1128.  
  1129.  
  1130. 2
  1131. hR.P.Haviland,1035 Green Acres Cir N,Daytona Beach FL 32119
  1132. fc#
  1133.  
  1134.  
  1135.  
  1136.  
  1137. References, Supergain Antennas
  1138.  
  1139.  
  1140. (1) John D. Kraus, Antennas, any ed., McGraw-Hill, New York
  1141.  
  1142.  
  1143. (2) Sergei A. Schelkunoff and Harald T. Friis, Antennas, Theory
  1144. and Practice, Wiley, 1952
  1145.  
  1146.  
  1147. (3) R. F. Harrington, Time Harmonic Electromagnetic Fields,
  1148. McGraw-Hill, New York, 1961
  1149.  
  1150.  
  1151. (4) L. J. Chu, Physical Limitations of Omni-Directional Antennas,
  1152. J. Appl. Phys., V 19, Dec. 1848
  1153.  
  1154.  
  1155. (5) R. C. Hansen, Microwave Scanning Antennas, Academic Pr., New
  1156. York, 1966
  1157.  
  1158.  
  1159. (6) F. E. Terman, Radio Engineers Handbook, McGraw-Hill, New
  1160. York, 1943
  1161.  
  1162.  
  1163. (7) J. Hall, Off-Center Loaded Dipole Antennas, QST, Sep. 1974.
  1164. See summary in (9)
  1165.  
  1166.  
  1167. (8) J. Sevik, a High Performance 20-, 40- and 80 Meter Vertical
  1168. System, QST, Mar. 1974. See summary of this and related work in
  1169. (9).
  1170.  
  1171.  
  1172. (9) G. Hall ed., The ARRL Antemma Book, 15th ed, ARRL, Newington
  1173. Ct., 1988
  1174.  
  1175.  
  1176. (10) W. W. Hansen and J. R. Woodyard, A New Principle in
  1177. Directional Antenna Design, Proc. IRE, 26, 333-345
  1178.  
  1179.  
  1180. (11) J. L. Lawson, Yagi Antenna Design, ARRL, Newington Ct., 1986
  1181.  
  1182.  
  1183. (12) R. P. Haviland, Quads, publication scheduled May 1992, CQ,
  1184. Hicksville NY
  1185.  
  1186.  
  1187. (13) L. A. Moxon, hf antennas for all locations, RSGB, London,
  1188. 1982. See also Ham Radio, March 1979
  1189.  
  1190.  
  1191. (14) W. A. Cumming, A Nonresonant Endfire Antenna Array for VHF
  1192. and UHF, IEEE Trans. Ant. & Prop., Apr. 1955
  1193.  
  1194.  
  1195. ws2
  1196. hR.P.Haviland,1035 Green Acres Cir N,Daytona Beach FL 32119
  1197. fc#
  1198.  
  1199.  
  1200.  
  1201.  
  1202. Corrections, Supergain Antennas
  1203.  
  1204.  
  1205. Page 1, center to read, OF GAIN
  1206.  
  1207. Page 6, last para:
  1208.      Change .35 to .185
  1209.      Change 9.3 to "about 4"
  1210.      Change 9.65 to 6.0
  1211.  
  1212. Page 21,  first full para, change 0.27 to 0.32
  1213.  
  1214. Page 26, 2nd full para
  1215.      Change .42 to .29
  1216.      Change 11 to 9
  1217.      last line, delete "well"
  1218.  
  1219. Page 31, 2nd para, 2nd line, add "be" after "can"
  1220.  
  1221. References #4, date is 1948
  1222.  
  1223. Legends, Fig.4, "ususal"
  1224.  
  1225. Legends, Fig. 11, 2nd line, "Gain increases"
  1226.  
  1227. Fig. 16, Drive Resistance, renumber as 17.
  1228.  
  1229. Figs 17 to 21, renumber +1.