home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ World of Ham Radio 1997 / WOHR97_AmSoft_(1997-02-01).iso / antenna / ant_14 / amsoft.iii next >
Text File  |  1997-02-01  |  19KB  |  431 lines

  1. DIPOLE.DOC                       by:  Ira F. Kavaler - Aug, 1963
  2.                      Major enhancements:  Sept, 1979 & Aug, 1990
  3. Version 6.862 - 6/16/92
  4.  
  5.  
  6.      This program will both design and analyze the performance of
  7. dipole (single element) and doublet (multi-element) antennas.
  8. Although these antennas are primarily used for both transmitting
  9. and receiving, that property only makes their performance that
  10. much better!
  11.  
  12.  
  13. I.        Number of Elements.
  14.           -------------------
  15.  
  16.      You will first be asked for the number of elements.  A one
  17. element antenna of this design is a dipole, having a total
  18. physical length of one half wavelength at the main resonant
  19. frequency.  To be more accurate, an exact half wavelength antenna
  20. at resonance (operating at the design frequency) would have an
  21. input impedance of approximately 73 ohms.
  22.  
  23.      Since I use these antennas with 52 ohm coaxial cable (types
  24. RG8/U and RG58/U), I have adjusted the design to provide antenna
  25. lengths to match these types of transmission limes.  The errors
  26. created for other common transmission line impedances, namely 75
  27. and 300 ohms, are negligible.  A 300 ohm dipole would usually be
  28. in the form of a "folded" dipole, having a one half wavelength
  29. design formula, as would a straight 75 ohm half wavelength dipole.
  30.  
  31.      No effort has been made to revise or add formulas to take
  32. into account the height of the antenna above ground, nor mutual
  33. coupling amongst the elements.  In fact, the main antenna
  34. radiation resistance formula has to be approximated by numerical
  35. methods as it consists of a calculus formula that cannot be
  36. integrated.  Further approximations are used to speed the massive
  37. amounts of mathematics required for each element at each
  38. evaluation frequency.  Some other electrical characteristics are
  39. documented in graphical form rather than by formulas, and thus
  40. formulas had to be derived from the graphs.
  41.  
  42.      A standard one element dipole will have one main resonant
  43. frequency at which point the input impedance will be purely
  44. resistive and match the transmission line impedance;  however, at
  45. odd multiples of the resonant frequency the resistive portion of
  46. the antenna input impedance will approach, but not reach, the
  47. desired design level.  At a slightly different frequency, the
  48. reactance portion of the impedance will pass through zero ohms.
  49. Thus many dipoles are sometimes used at their third harmonic;
  50. that is, three times the main resonant frequency.
  51.  
  52.      An antenna will be useable from a practical standpoint over a
  53. frequency range of from approximately 2% below the main resonant
  54. frequency to approximately 2% higher than this frequency.  This
  55. characteristic is determined from the level of antenna impedance
  56. to transmission line impedance mismatch, and is calculated from
  57. the "standing wave ration" (SWR).
  58.  
  59.      A perfectly matched system (antenna and transmission line
  60. operating at the main resonant frequency) will have an SWR of 1:1
  61. (pronounced one-to-one).  As the operating frequency of the
  62. transmitter is changed, the mismatch will increase to higher SWR
  63. figures.  The higher the SWR, the higher the transmitter power
  64. that will NOT be radiated by the antenna, but will be reflected
  65. back down the transmission line to the transmitter output stage.
  66.  
  67.      At an SWR of 3:1, half the forward power will be reflected
  68. back to the transmitter.  High levels of reflected power will
  69. cause the following undesirable characteristics:
  70.  
  71.      1. the output stage of the transmitter will overheat and will
  72.         eventually weaken the transmitting tubes or transistors,
  73.         and could cause arcing across the plates of the
  74.         transmitter tuning capacitors,
  75.  
  76.      2. the peak standing wave voltage level on the transmission
  77.         line could exceed the maximum rating of the line, causing
  78.         it to arc through the dielectric and be permanently
  79.         damaged,
  80.  
  81.      3. the radio frequency (RF) fields cannot be contained within
  82.         the transmission line, and will cause the line to radiate,
  83.         becoming part of the antenna system, supporting
  84.         significant radiation at the undesirable harmonic
  85.         frequencies, which leads to RF interference, and
  86.  
  87.      4. the mismatch will reduce the efficiency of any in-line
  88.         devices, such as filters, and increase the attenuation of
  89.         the line beyond the characteristic loss figures published
  90.         for that line.
  91.  
  92.  
  93.      It is usually stated by manufacturers that the SWR should not
  94. exceed 2:1 for most transmitters.
  95.  
  96.      If the operating frequency range (bandwidth) of a dipole is
  97. insufficient then multiple elements can be requested, up to 5.  As
  98. the resonant frequency difference amongst the elements is reduced,
  99. the individual impedance of each element will "load" (detune) the
  100. other element(s).
  101.  
  102.  
  103. II.       The Automatic Design Mode and The Design Screen.
  104.           ------------------------------------------------
  105.  
  106.      An Automatic Design Mode is now included which can be invoked
  107. by entering the letter "a" instead of specifying the number of
  108. elements.  Upon supplying the evaluation frequencies (see section
  109. IV. below), the program will determine the antenna design that has
  110. the minimum number of elements.  This design will completely cover
  111. the desired frequency spread while maintaining an SWR under 2:1.
  112.  
  113.      Whenever the antenna design yields a wider frequency spread
  114. than requested, the program will indicate the resultant minimum
  115. and maximum frequencies for an SWR = 2:1.  You will also be given
  116. the opportunity to align the antenna bandpass to the lowest or
  117. highest evaluation frequency, or center the antenna bandpass over
  118. the evaluated frequency spread.
  119.  
  120.      The design will proceed with the resonant frequency and
  121. physical lengths of each element being computed and displayed.
  122.  
  123.  
  124. III.      Element Resonant Frequency & part of The Design Screen.
  125.           -------------------------------------------------------
  126.  
  127.      Next you will be asked for the resonant frequency of each
  128. element of the antenna.  If more than one element was requested,
  129. the resonant frequencies need not be entered in any special order,
  130. and the physical length of that element will be displayed in feet
  131. and inches.
  132.  
  133.  
  134. IV.    Evaluation Frequency Range & the rest of The Design Screen.
  135.        ----------------------------------------------------------
  136.  
  137.      Next you will be asked for the lowest frequency (starting
  138. frequency) for the evaluation.  This need not be lower that the
  139. lowest resonant frequency.
  140.  
  141.      Next you will be asked for the highest frequency (ending
  142. frequency) for the evaluation.  This need not be higher that the
  143. highest resonant frequency, and the evaluating frequencies will be
  144. readjusted if entered in reverse order.
  145.  
  146.      As explained in section V. below, the program will select 41
  147. discrete evaluation frequencies, equally spaced between the two
  148. limiting frequencies you specify.  If any discrete evaluation
  149. frequency happens to equal an even harmonic frequency of any one
  150. of the elements of the antenna, the impedance of that element at
  151. that frequency will be infinity.  This will cause a numeric
  152. overflow in the computer, and usually result is the program
  153. crashing (aborting).  Should this occur, simply re-enter the same
  154. element resonant frequencies and either:
  155.  
  156.  
  157.      1. lower the lowest evaluation frequency, or
  158.      2. raise the highest evaluation frequency.
  159.  
  160.  
  161. V.        The Table Screen.
  162.           -----------------
  163.  
  164.      With all input data entered, the program will start the
  165. evaluation.  The first screen will be a table containing a listing
  166. of frequencies, SWR's and input impedances in polar notation
  167. (magnitude of impedance in ohms at a phase angle in degrees).  The
  168. listings will be displayed in red whenever the SWR exceeds 2:1, in
  169. yellow over 1.5:1, in blue over 1.1:1, and in green below 1.1:1.
  170.  
  171.      The table will be in two sections to allow the evaluation at
  172. 41 discrete frequencies in the evaluation frequency range.  At the
  173. top of the screen will be an indication of the number of elements,
  174. a listing of the resonant frequencies of each element, the
  175. physical length in feet and inches of the longest element, and the
  176. geometric mean (average) resonant frequency of the antenna.
  177.  
  178.      In the full version of the program you can abort the
  179. evaluation of the antenna during this phase by momentarily
  180. pressing the [ESC] key.
  181.  
  182.      When the table is completed a flashing prompt will indicate
  183. when to proceed to the next screen.  Pressing the key prior to
  184. that point will not allow the table to be readable once completed.
  185.  
  186.  
  187. VI.       The Graph Screen.
  188.           -----------------
  189.  
  190.      In order to graphically see the performance of the antenna
  191. system, the next screen will plot the SWR between 1:1 and 5:1 over
  192. the evaluation frequency range.  If one or more of the element
  193. resonant frequencies fall in this range, they will be displayed as
  194. dashed vertical lines on the graph.  The critical SWR level of 2:1
  195. will be displayed as a slightly heavier line horizontally across
  196. the graph.
  197.  
  198.      When the graph is completed press any key to proceed to the
  199. next screen.  Pressing a key prior to that point will not allow
  200. the graph to be readable once completed.
  201.  
  202.  
  203. VII.      The Chart Screen.
  204.           -----------------
  205.  
  206.      The overall characteristic of the antenna system can next be
  207. viewed from a Smith Chart which is based on a unit impedance of 52
  208. ohms.  Only the most important lines of the chart will be
  209. displayed along with a central circle indicating an SWR of 2:1.
  210. The center of the chart is at a point where the SWR = 1:1, and the
  211. outermost circle is where the SWR = infinity:1.
  212. The starting (low) and ending (high) frequency points are denoted
  213. on the plot.
  214.  
  215.      When the chart is completed press any key to proceed to with
  216. the next antenna design, which will also permit termination of the
  217. program if desired.  Pressing a key prior to that point will not
  218. allow the chart to be readable once completed.
  219.  
  220.  
  221. VIII.     Frequency List.
  222.           ---------------
  223.  
  224.      The following list of frequencies is not meant to be
  225. complete, nor has it been checked for accuracy with the latest FCC
  226. issued frequency charts; its purpose is to supply information for
  227. design purposes to users with limited technical knowledge.
  228.  
  229. Amateur Radio (Ham) Bands
  230. -------------------------
  231. Wavelength (name)        Low Freq.(MHz.)     High Freq.(MHz.)
  232. 160 Meters                   1.8                 2.0
  233. 80    "                      3.5                 4.0
  234. 30    "                     10.1                10.15   (WARC)
  235. 20    "                     14.0                14.35
  236. 17    "                     18.068              18.168  (WARC)
  237. 15    "                     21.0                21.45
  238. 12    "                     24.88               24.98   (WARC)
  239. 10    "                     28.0                29.7  (used to 29)
  240.  6    "                     50                  54  (used to 51.5)
  241.  2    "                    144                 148
  242. 1-1/4 "                    222 (as of 8/1/91)  225 (was from 220)
  243. 3/4   " (70 cm.)           420                 450 (used from 432)
  244.                           1215                1300
  245.                           2300                2350
  246.  
  247.      Amateur radio bands above 2350 MHz. have been omitted.  A
  248. complete listing of authorized frequencies can be found in the
  249. ARRL publication, "The Amateur Radio Handbook" as well as others.
  250.  
  251. Citizens Band (CB)
  252. ------------------
  253. 11 Meters                    26.96              27.45
  254. Radio Controlled Models      72                 76
  255. Cordless Telephones          46                 50
  256.                        Note: Including short range walkie-talkies.
  257.  
  258. Commercial/Industrial/Governmental
  259. ----------------------------------
  260. Low Band                     30                 50
  261. High Band                   148                174
  262. UHF (U-Band)                450                470
  263. T-Band (old TV ch. 14-20)   470                512
  264. 800/900/Cellular Telephone  800                960 ? *
  265. Aviation                    110 ?              136 ?
  266. Marine Transatlantic          1.62 ?             1.8 ?
  267.  
  268.  
  269. Broadcast Radio
  270. ---------------
  271. AM (amplitude modulation)     0.535              1.605
  272. FM (frequency modulation)    88                108
  273.  
  274. Broadcast Television
  275. --------------------
  276. Channel No.
  277. 2                            54                 60
  278. 3                            60                 66
  279. 4                            66                 72
  280. 5                            76                 82
  281. 6                            82                 88
  282. 7                           174                180
  283. 8                           180                186
  284. Channels 9 through 13 follow logically every 6 MHz.
  285. 14                          470                476
  286. Channels 15 through 83 follow logically every 6 MHz. although
  287. channels 14 through 20 have been reassigned for commercial use and
  288. are no longer available for TV service except under special
  289. circumstances; for example, channel 20 in Connecticut.  Similarly,
  290. channels 70 through 83 have been reassigned for commercial use and
  291. are no longer available for TV service.
  292.  
  293. Note: The High Freq. is always 6 MHz. above the Low Freq.
  294.       The picture or video carrier frequency is always 1.25 MHz.
  295.           above the Low Freq.
  296.       The color (chroma) subcarrier is always 3.58 MHz. above the
  297.          picture carrier.
  298.       The audio (sound) subcarrier is always 4.5 MHz. above the
  299.          picture carrier.
  300.  
  301.  
  302. IX.       Printing.
  303.           ---------
  304.  
  305.      The design screen and the table screen can be printed by
  306. using the computer's screen print function (pressing the keys
  307. [SHIFT] and [PRT SC] simultaneously; however, since both the graph
  308. screen and the chart screen require printer graphics you must
  309. first execute under DOS your DOS utility GRAPHICS.COM before you
  310. execute this program.  Each of the four screens can now be printed
  311. using the screen print function described above, just wait until
  312. the screen has been completed.
  313.  
  314.  
  315. X.        Here's the small print.
  316.           -----------------------
  317.  
  318.      This is a demonstration/trial version of the program.  It is
  319. fully operational with all features;  however, when in the demo
  320. mode, the data that you enter for the antenna parameters will be
  321. used as design criteria but the performance evaluation will be
  322. that of a two element doublet antenna designed to cover the entire
  323. 80 meter amateur radio band.
  324.  
  325.      All versions of this program including its related files are
  326. being distributed on an "AS IS" basis.  There is absolutely no
  327. stated or implied guarantee or warrantee of usability for any
  328. purpose or correctness of the formulas and procedures contained in
  329. any file.
  330.  
  331.      If you happen to discover an error in the program I will make
  332. every attempt to correct the error as quickly as possible.  I am
  333. under no obligation to replace nor make refunds for defective full
  334. versions or demonstration/trial versions of the program.  I have
  335. to take this posture as my cost to make even the simplest of
  336. corrections far outweighs any monetary compensation received for
  337. the full version of the program.
  338.  
  339.      If you require any special modifications to the program I
  340. will be happy to discuss on an individual basis the cost of
  341. supplying modified programs and documentation.
  342.  
  343.      The program was tested on a Tandy model 1000 using MS-DOS
  344. 3.2 and 3.3, a Tandy model 1000SX using MS-DOS 3.2 and 3.3, and an
  345. IBM PS/2 model 50Z and 80, using PC-DOS 3.3.  All computers had
  346. either CGA or VGA color graphics.  If your system has a Hercules
  347. graphics adaptor, I suggest you obtain a color simulation program
  348. such as SIMCGA.
  349.  
  350.  
  351. XI.       And now a word from our sponsor.
  352.           --------------------------------
  353.  
  354.      You can purchase the latest full unprotected version of this
  355. program.  I will also include any other demonstration/trail
  356. programs that I have available.  Please send $10.00 for one of the
  357. following:
  358.  
  359.      1. IBM compatible 5-1/4 inch 360 kilobyte or 3-1/2 inch 720
  360.         kilobyte disk, your choice,
  361.      2. TRS-80 Model I or III 5-1/4 inch disk (only $5.00 as there
  362.         is no Smith Chart nor Automatic Design Mode!)
  363.  
  364. to:
  365.                           IRA F. KAVALER
  366.                         671 East 78 Street
  367.                      Brooklyn, New York 11236
  368.  
  369.  
  370.      I reserve the right to discontinue support for, change the
  371. terms, or withdraw any part or all of this offer including but not
  372. limited to the programs and its associated files at any time
  373. without giving prior notice.
  374.  
  375.      No form of this program may be used in commercial,
  376. educational, nor governmental applications without written
  377. authorization from the author;  such authorization may require
  378. that a fee be paid to the author.
  379.  
  380.  
  381. XII.      73's, de WA2ZIR.
  382.           ----------------
  383.  
  384.      In 1963 while attending the RCA Institutes in New York City,
  385. I was taught the most crucial equation to this program, the
  386. radiation resistance calculus formula.  I was astonished at the
  387. amount of time required to make even the simplest of calculations
  388. with my K+E Log Log Duplex Decitrig slide rule, four man-hours.
  389.  
  390.      As an undergraduate at the Polytechnic Institute of Brooklyn
  391. (E.E. class of '67), I became intrigued with digital computers.
  392. My first computer program was written in machine language, along
  393. with all required trigonometric subroutines, to solve this
  394. formula.  The program was subsequently written in Fortran IV and
  395. run on Polytech's IBM 7040 massive computer system.
  396.  
  397.      As soon as the first scientific calculator became available,
  398. the Hewlett Packard HP-35, I was able to reduce the time to five
  399. minutes, but there were a lot of keystrokes to enter.  Later I
  400. purchased the programmable version using the famous chewing gum
  401. magnetic cards, the Hewlett Packard HP-65 calculator.  The time
  402. was now reduced to an amazing 45 seconds, and no more hundreds of
  403. keystrokes.
  404.  
  405.      Through the years I have used this program, primarily written
  406. in BASIC, to test the speed of various personal computers.
  407. Believe it or not, for many years the Timex-Sinclair held the
  408. speed record of 8 seconds.
  409.  
  410.      Recently I was amazed once more by a friend who allowed me to
  411. use a Compaq 25 MHz./386 system in his office.  The table screen
  412. was completed in a fraction of a second, and I gasped!
  413.  
  414.      I welcome your suggestions and comments about this product
  415. and others.  I won't promise that good suggestions will be added
  416. to the program, but they will be considered.
  417.  
  418.  
  419. Thank you.
  420.  
  421.  
  422.           Appendix.
  423.           ---------
  424.  
  425. The operating systems, programs and companies mentioned in this
  426. file:  MS-DOS, PC-DOS, LIST, BROWSE, SIMCGA, Hercules, Tandy and
  427. IBM are all copyrights, trademarks, and/or service marks of other
  428. individuals or other corporations.
  429.  
  430.  
  431. >>>>>  End of File  <<<<<