home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Antennas / Antennas_CD-ROM_Walnut_Creek_September_1996.iso / articles / trapant / trapants.txt < prev   
Text File  |  1996-06-30  |  7KB  |  170 lines

  1. DESIGN YOUR OWN TRAP ANTENNA
  2.  
  3. R. P. Haviland, W4Mb
  4.  
  5.  
  6. Even though the trap antenna seems to be sim-
  7. pie, designing one -- on paper or by cut-and-try --
  8. can be tedious. It's possible, however, to take the
  9. tedium out of the process by using a home computer
  10. or a programmable calculator. The antenna described
  11. in this article should perform acceptably on first use,
  12. and should be easy to adjust.
  13.  
  14.  The basic concept underlying the trap vertical, di-
  15. pole, or beam antenna is simple: the bottom (or half
  16. center) section is simply 1/4 wavelength long at the
  17. highest frequency. A parallel-resonant trap tuned to
  18. this operating frequency effectively isolates the rest
  19. of the antenna. On the next lower band, the bottom
  20. section will be less than 1/4 wavelength long (physical-
  21. ly). This length is electrically extended by the loading
  22. coil effect of the below resonance trap (looks like an
  23. inductance), and the combination must be brought to
  24. 90 degrees effective (electrical) length by a second sec-
  25. tion of tubing. A trap resonant at this lower frequen-
  26. cy can now be added if more bands are needed, or
  27. the antenna simply "stopped." Each additional band
  28. requires a trap, plus an extended metal section. At low
  29. frequencies, a loading coil can also be added to reduce
  30. section length.
  31.  
  32.  The challenge of trap antenna design lies in the fact
  33. that conversion from the physical length of sections
  34. to electrical length depends on the ratio of section di-
  35. ameter to wave length, so that the values must be re-
  36. calculated for each band. Also, the trap-to-loading coil
  37. effect must be redone for each band, with conversion
  38. from reactance to effective length also considered.
  39. Unless an organized approach is used, it's easy to get
  40. lost.
  41.  
  42.  For Amateur Radio purposes, the key to this or-
  43. ganized approach is a series of articles by Boyer,
  44. WGUIH (Ref. 1). The following summarizes the calculation
  45. steps involved and the equations used. (For explana-
  46. tions of the individual steps, refer to the Boyer series.)
  47.  
  48. INPUT the design parameters:
  49.   Number of bands
  50.   Operating frequencies, fn, (highest first, in order)
  51.   Section diameters, Dn
  52.   Trap capacity or inductance, Cn or Ln
  53.  
  54. CALCULATE for specified frequencies:
  55.   Trap inductance or capacitance, and reactance, Xn
  56.   Section characteristic impedance, Zo
  57. CALCULATE by looping:
  58.   Set first section length h to 90 degrees
  59. Loop for each band and for each trap
  60. Calculate the wave length =11808/f inches
  61. Calculate the section impedance
  62.   Zn = 60 (Ln*LAMDAn/Dn, - 1)
  63. Calculate the ratio of trap frequency to operating
  64. frequency fn/f'n =m
  65.   Calculate effective section length h' = mh
  66.   Calculate normalized trap reactance X'L = XL (1/m
  67.   - m)/Zn
  68. Add reactances X' = X'L + X
  69. Convert to length h = tan^-1* X'
  70.   Determine section length when all traps and sec-
  71. tions have been considered.
  72.  
  73. S = 90" - h
  74.  
  75. Coax can be used for Traps
  76.  
  77.  There is a special feature used in the program. This
  78. is a routine to calculate the number of turns of RG-58U
  79. coaxial cable required to resonate as a trap, as de-
  80. scribed by Johns, W3JIP, Ref.2, and to calculate the induc-
  81. tance. If other coil diameters are needed, some expe-
  82. rimental coils should be constructed and their frequen-
  83. cy measured. The number of turns required:
  84.  
  85.  N = 135.7f^-0.91 on 7/8 inch form
  86.  N = 68.86f^-0.86 on 1.5 inch form
  87.  
  88. The inductance is calculated from Wheeler's frequen,
  89.         L = ((D + 0.2)^2* N2)/(18*(D + 0.2) + 8*N
  90.  
  91. where the 0.2 is the diameter of RG-58. These rela-
  92. tions must all be changed if coax of another diameter
  93. and capacity per foot is used.
  94.  
  95.  The final step in the program is conversion of the
  96. dimensions and printing the results. The sketch of Fig.
  97. 1 should aid in keeping the quantities organized. (In
  98. the above equations, a prime is equivalent to chang-
  99. ing a subscript).
  100.  
  101. Program Listing
  102.  
  103.  The BASIC program for the calculation is given in
  104. the section, W4MB antennas. Each section of the program
  105. is set off by an REM statement to correspond to the
  106. program outline. The original program
  107. was in Sinclair BASIC, but should run on any common
  108. home computer with minor changes.
  109.  
  110.  Fig. 3 shows a sample run. A five-band version
  111. using only one-inch tubing would be difficult to build,
  112. mechanically, but could be done by using glass-fiber
  113. lines for support. A three-band version using two traps
  114. is very practical. The writer, as experimental station
  115. KK2XJM, used a six-band version covering 10, 12, 15,
  116. 18, 20, and 30 meters.
  117.  
  118.  The main calculation routine is also available for use
  119. on the HP 67/97/41 series of calculators.(Ref.3)
  120.  
  121. Construction Hints
  122.  
  123.  Note that these programs can be used for dipoles
  124. by entering wire diameter and by considering that the
  125. base section is measured from the center of the dipole
  126. to the first trap. When designing antennas using these
  127. programs, it is usually best to set the capacitance,
  128. since it is most difficult to change. Typical values for
  129. dipoles would be 25, 35, 50, and 100 pF for the 10-40
  130. meter traps.
  131.  
  132.  The ARRL Antenna Handbook has some hints on
  133. construction, and there have been many articles on
  134. construction of both integral traps for beams and dis-
  135. crete ones for dipoles. Lately, the author has used only
  136. the coaxial trap design for HF. Trap tuning in all cases
  137. is by changing coil turn spacing. Sections should be
  138. built to allow some length adjustment - about four
  139. inches. If necessary, sections can be cut shorter, but
  140. the need for this should be rare.
  141.  
  142.  To avoid making up new sections if they must be
  143. lengthened, a form of "capacity hat" may be used.
  144. This can be two lengths of small tubing clamped to
  145. the section to be lengthened at 90 degrees to each
  146. other. Tuning is accomplished by moving the "hat"
  147. toward or away from the top end of the section. The
  148. total length of each added section of tubing should
  149. be about twice the added length of section needed.
  150.  
  151.  If the section lengths are excessive, the required
  152. lengths can be reduced by using the "capacity hat,"
  153. a loading coil, or both. To calculate the effect of a
  154. loading coil, introduce a dummy frequency, a few per
  155. cent lower than the value of the next higher band fre-
  156. quency, and use a trap inductance equal to the value
  157. of the loading coil contemplated. It will probably be
  158. necessary to make several trials to arrive at reasonable
  159. values (see sidebar).
  160.  
  161.  Note that these programs are also usable for reso-
  162. nant single-band antennas because the length of these
  163. is equivalent to the length of the first section of the
  164. trap antenna. Boyer's articles provide information that
  165. allows calculating the SWR versus frequency for these
  166. trap antennas.
  167.  
  168.  
  169.  
  170.