home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ QRZ! Ham Radio 1 / QRZ Ham Radio Callsign Database - December 1993.iso / arrl / ants_ind.oor < prev    next >
Text File  |  1993-11-21  |  16KB  |  345 lines

  1. >From the files of the ARRL Automated Mail Server, (info@arrl.org):
  2.  
  3. Prepared as a membership service by the American Radio Relay 
  4. League, Inc., Technical Information Service.
  5.  
  6. file: \public\info\tis\antind.txt updated: 12-10-92
  7.  
  8. Reprinted from: December 1992 QST "Lab Notes."
  9. Copyright 1992 American Radio Relay League, Inc. 
  10. All rights reserved.
  11.  
  12. Thank you for requesting the following information from the ARRL 
  13. Technical Information Service or the ARRL Automated Mail Server 
  14. (info@arrl.org). ARRL HQ is glad to provide this information free 
  15. of charge as a service to League members and affiliated clubs.
  16.  
  17. For your convenience, you may reproduce this information, 
  18. electronically or on paper, and distribute it to anyone who needs 
  19. it, provided that you reproduce it in its entirety and do so free 
  20. of charge. Please note that you must reproduce the information as 
  21. it appears in the original, including the League's copyright 
  22. notice.
  23.  
  24. If you have any questions concerning the reproduction or 
  25. distribution of this material, please contact Michael Tracy, 
  26. American Radio Relay League, 225 Main St., Newington, CT 06111 
  27. (email: mtracy@arrl.org).
  28.  
  29. --------------------------- cut here ----------------------------
  30. This ARRL Technical Information Service handout has been derived 
  31. from the December 1992 QST "Lab Notes" column. Information has 
  32. been added to keep it current. You should also periodically check 
  33. the ham-classified section of ham and electronic publications.
  34.  
  35. Lab Notes           Conducted by Steve Ford, WB8IMY, Assistant 
  36.                     Technical Editor and the ARRL Laboratory Staff 
  37.  
  38. ----------------------------------------------------------------
  39.  
  40. Limited Space Antennas
  41.  
  42. Don't you wish you owned a monstrous tower with monoband Yagis for 
  43. every amateur band from 40 meters through 70 cm?  How about some 
  44. sprawling 80- and 160-meter rhombics to round out the collection?  
  45. Antenna farms like these exist only in the dreams of most hams.  
  46. When it comes to antennas, the greatest obstacle isn't always 
  47. cost, it's s-p-a-c-e!  ARRL Laboratory Engineer Zack Lau, KH6CP/1, 
  48. has spent years grappling with the challenge of operating in 
  49. limited-space environments.  In this month's column Zack applies 
  50. his expertise to solve some difficult problems.--WB8IMY
  51.  
  52. Q: What is the smallest antenna I can buy that has lots of gain?
  53.  
  54. A: An optical telescope.  A little 4-inch telescope has about 94 
  55. dBd of gain.  An 8-inch telescope has 100 dBd of gain.
  56.  
  57. Q: I'm serious!  I was thinking about the HF bands--something to 
  58. put in my apartment.  How much gain can I expect?
  59.  
  60. A: When squeezed into small apartments, most antennas will have no 
  61. more than the same maximum gain as a dipole--0 dBd--less any 
  62. losses.  Losses can be relatively low in wood-frame buildings, and 
  63. very high in concrete and steel structures.  I've also heard bad 
  64. things about stucco and wire mesh!  
  65.  
  66. Q: How can I determine losses?
  67.  
  68. A: Try an antenna and see if it works!  No kidding.  It's sort of 
  69. like measuring the loss of a windowpane by looking through it.  
  70. There are usually too many factors involved to evaluate indoor 
  71. antennas with theoretical models.  It's quicker and less difficult 
  72. to optimize indoor HF antennas empirically through trial and 
  73. error.
  74.  
  75. Q: If I run 1500 watts to an indoor dipole, won't the fields 
  76. around the antenna be awfully strong?
  77.  
  78. A: That's an understatement!  (How's your fire and medical 
  79. insurance?) I recommend using low power with indoor antennas.  In 
  80. fact, I suggest 5 watts output, though some folks run as much as 
  81. 100 watts.  While studies haven't conclusively linked low-level RF 
  82. exposure to health problems, it's prudent to limit exposure if you 
  83. can.  If you're concerned about RF in your home, check Chapter 36 
  84. of the 1993 ARRL Handbook.
  85.  
  86. Q: But if I run low power to an indoor antenna, how can I compete 
  87. with stations running 1500 watts to huge outdoor antennas?
  88.  
  89. A: You can't.  However, you can have lots of fun with a modest 
  90. setup.  One of the challenges of radio is seeing what you can do 
  91. with what you have.  When you erect gigantic antennas and produce 
  92. huge amounts of RF, you expect to work any station you want--and 
  93. become gravely disappointed when you don't!  This is hardly the 
  94. best formula for enjoying Amateur Radio.
  95.  
  96. Q: Okay.  I decided to try it your way.  I set up a 20-meter 
  97. dipole in the attic of my apartment building and carefully 
  98. measured the wire lengths.  Even so, the best SWR I can get is 4 
  99. to 1.  What am I doing wrong?  
  100.  
  101. A: Your antenna is probably being detuned by nearby objects.  You 
  102. could either vary the length of the antenna, or use an antenna 
  103. tuner to reduce the SWR at the transmitter.  A tuner makes a lot 
  104. of sense if you can afford it.  In many cases you'll be able to 
  105. operate on several bands with the same antenna--even with a high 
  106. SWR on the feed line.  
  107.  
  108. On the downside, operating with a high SWR can result in 
  109. considerable feed-line loss.  When there is a mismatch at the 
  110. antenna, a portion of the transmitted RF energy is reflected 
  111. rather than radiated.  This reflected RF travels back and fourth 
  112. many times between the antenna and the antenna tuner.  The higher 
  113. the SWR, the more trips are required to get rid of it--either in 
  114. the form of heat in the feed line or radiation at the antenna.  In 
  115. good-quality feed line, many trips are possible before any loss is 
  116. noticeable.  By contrast, a poor feed line may dissipate most of 
  117. the energy in a single trip!
  118.  
  119. Q: If the RF energy is making all those trips up and down the 
  120. coax, won't my signal become distorted at the receiving end due to 
  121. the delays?  
  122.  
  123. A: You're forgetting how fast radio waves travel.  For example, a 
  124. radio wave zips through 16 feet of RG-213 coax in 49 nano-seconds.  
  125. Even if it made 100 trips before finally being radiated, that's a 
  126. delay of only 4.9 microseconds.  The delay distortion that occurs 
  127. is too small for anyone on the receiving end to detect.  ATV (fast 
  128. scan television) enthusiasts have some cause for concern though.  
  129. Delayed ATV signals appear as ghosts on TV screens.
  130.  
  131. Q: You were right about adjusting the length of my dipole.  All it 
  132. took was a little trimming and the SWR came right down.  I'm 
  133. running about 100 feet of coax to the antenna.  I don't really 
  134. need that much feed line, but I'm too lazy to cut it.  Although 
  135. the antenna tuner tunes easily, I get lousy signal reports.  Is 
  136. the tuner affecting my signal?
  137.  
  138. A: Not likely.  The problem isn't the antenna tuner--it's your 100 
  139. feet of coax!  An antenna tuner isn't a miracle worker.  Putting 
  140. it very simply, a tuner is a device that couples RF to the antenna 
  141. system and reflects reflected power back to the antenna.  It 
  142. functions as an extension of the output tuning network in your 
  143. transceiver.
  144.  
  145. In your case, you're wasting a great deal of power heating 100 
  146. feet of coax with precious little radiated at the antenna!  You'll 
  147. never know this by the behavior of your antenna tuner, however.  
  148. It happily matches your transceiver to this RF heating system and 
  149. you're left wondering why you get such terrible signal reports.  
  150. In this instance, a low SWR indication at your tuner doesn't add 
  151. up to a terrific signal.
  152.  
  153. Q: An antenna tuner is a lot of money for my low-budget station.  
  154. Are there cheaper alternatives?
  155.  
  156. A: Parts from old transmitters can often be fashioned into tuners.  
  157. Some of the vintage rigs featured hefty output networks.  
  158. Cannibalize the parts and they'll make great antenna tuners.
  159.  
  160. The cheapest antenna tuner for the higher HF bands can be made 
  161. from two quarter-wavelength pieces of coax and three inductors 
  162. made of #14 wire (see Fig 1).  While I've played with this system 
  163. in the lab, I haven't actually used it on the air since it's 
  164. physically large on any band below 12 meters.  (The system is 
  165. similar to that used for microwave work.  By placing three screws 
  166. a quarter wavelength apart in a waveguide, you can match just 
  167. about anything at a single frequency.)  The losses might be a 
  168. little higher than those you'll find in a conventional antenna 
  169. tuner.  The typical quality factor (Q) for coils is a tenth that 
  170. of decent capacitors, but should still be acceptable if good coax 
  171. such as RG-213 is used at 100 watts or less.  
  172.  
  173. Q: When I shortened my coax, my carefully adjusted antenna went 
  174. from a 1:1 to a 2:1 SWR.  What happened?
  175.  
  176. A: The outside shield of the coax was functioning as part of the 
  177. antenna.  By shortening it, you effectively changed the antenna!  
  178. You need too decouple the feed line from the antenna.  If 
  179. possible, bring the coax away from your dipole at a 90\o/ angle.  
  180. If the coax is running parallel to your antenna, RF coupling is 
  181. likely to occur.  In addition, try placing a balun in the feed 
  182. line at the antenna.  You'll see a number of baluns advertised in 
  183. QST.  Baluns decouple the feed line from the antenna but, like 
  184. antenna tuners, they aren't cure-alls.  You may need to experiment 
  185. a bit to achieve maximum feed-line decoupling.  (Try some ferrite 
  186. beads on the coax, for example.)\1/
  187.  
  188. Q: Why don't they sell VHF/UHF antenna tuners?  
  189.  
  190. A: They're available, but the market is awfully small since most 
  191. VHF/UHF antennas are designed to present good loads to 50-$OMEGA 
  192. feed lines.  Also, tuners usually give poor results at VHF/UHF.  
  193. Operating at VHF/UHF with a high SWR almost always results in 
  194. horrendous feed-line loss.  Using an antenna tuner won't solve the 
  195. problem, and manufacturers aren't inclined to sell products that 
  196. don't provide much benefit.  However, if you must have a 6-meter 
  197. antenna tuner, it's possible to modify an existing HF unit by 
  198. substituting smaller coiled and capacitors.
  199.  
  200. Q: Does it matter which wire size I use for my antennas?
  201.  
  202. A: If you want to comply with the National Electrical code, yes.  
  203. It species #14 hard-drawn copper wire for lengths under 150 feet.  
  204. To make antennas nearly invisible, however, amateurs have 
  205. successfully used wire as fine as #32 with monofilament fishing 
  206. line as supports and insulators.  
  207.  
  208. Q: Since my whole antenna system is indoors, do I really have to 
  209. spend the extra money for high-quality connectors?
  210.  
  211. A: Probably not.  Apartment-dwelling hams have been known to use 
  212. clip-lead connectors with excellent results on HF--as long as the 
  213. clip leads are reliable.  I've seen a lot of shoddy ones with 
  214. poorly crimped connections.
  215.  
  216. Q: How about a small transmitting loop?  Is it true that such an 
  217. antenna will work as well as a full-size dipole?
  218.  
  219. A: We'll it's only comparable to a full-size antenna in a similar 
  220. location.  If I shielded both of them within a house or apartment, 
  221. I wouldn't expect either to work all that well.  
  222.  
  223. Loops can be quite efficient if their losses are kept to a minimum 
  224. through the use of thick tubing for the radiators and low-loss 
  225. capacitors for the matching networks.  Low-loss variable 
  226. capacitors are often expensive, though.  Even if money isn't a 
  227. problem, small loop antennas aren't practical at 80 and 160 meters 
  228. where the bandwidth of an efficient loop can become too narrow to 
  229. pass an SSB signal!
  230.  
  231. Q: Is there an antenna that offers high angles of radiation on 80 
  232. and 40 meters and low angles on the higher bands for DX work?
  233.  
  234. A: An antenna that meets this requirement is the full-wave 
  235. horizontal loop.  Unfortunately, an 80-meter loop is about 70 feet 
  236. on a side, by no means a small antenna.  If you only operate on 40 
  237. through 10 meters, a 40-meter loop may be feasible depending on 
  238. the size of your dwelling.  Or, you could use a vertical loop for 
  239. the higher bands and a short horizontal dipole and an antenna 
  240. tuner for the lower bands.  An antenna popular among novice hams 
  241. in New Zealand is a loop of wire wrapped around the house!  I 
  242. haven't tried it, but it would make a pretty invisible antenna, 
  243. especially if you put it up just prior to painting your home.
  244.  
  245. Q: I'm on the 10th floor of an apartment building.  How do I get a 
  246. ground?
  247.  
  248. A: Are you sure you need one?  (I can't think of any satellite 
  249. stations that are grounded to the earth!)  If you absolutely must 
  250. have a ground because of stray-RF problems, 15 to 20 square feet 
  251. of sheet metal on a concrete floor works about as well as anything 
  252. else.  It acts as a lossy ground, getting rid of stray RF.
  253.  
  254. You might also try a 1/4-wave counterpoise wire attached to the 
  255. ground lug on your rig.  You'll need a wire for every band on 
  256. which you experience grounding-related problems.  However, this 
  257. approach can backfire.  The counterpoise wires might also act as 
  258. antennas, radiating even more RF into your apartment.  Even wide 
  259. copper straps are bound to be good radiators unless they're placed 
  260. near lossy materials such as concrete.
  261.  
  262. Q: Can I use the sheet-metal ground for my long wire antenna?
  263.  
  264. A: You could, but much of your power may end up as heat.  You're 
  265. better off with balanced antennas, though people have effectively 
  266. used long wires in limited-space environments (high-rise buildings 
  267. in particular).  When working against poor grounds, much of your 
  268. signal is lost as heat.  Even so, the remainder that is radiated 
  269. may be adequate if the wire is 100 feet up!
  270.  
  271. Q: I just heard a DX station using a trap vertical at a beach-
  272. front location.  His signal was terrific!  I used a vertical too, 
  273. but my signal wasn't nearly as good on his end.  Why?
  274.  
  275. A: The quality of the ground determines how well a vertical 
  276. performs at low angles of radiation--the lower the angle the 
  277. better for DX!  Sand saturated by salt water is a terrific ground 
  278. plane for verticals.
  279.  
  280. The ideal ground plane for HF verticals should extend for 
  281. hundreds, if not thousands, of feet around the antenna.  The DX 
  282. station you heard is operating in a near-ideal environment (in 
  283. more ways than one!).  Some hams try placing copper screens under 
  284. their verticals, but it doesn't offer much improvement.  Unless 
  285. you can move to a tropical island or seaside resort, you can only 
  286. work with what you have available.
  287.  
  288. Q: The trap vertical I bought seems to work, but I can't adjust 
  289. the SWR to 1:1 on all bands.  Should I be concerned?
  290.  
  291. A: No, Many designers find it a challenge to build an efficient 
  292. antenna that exhibits an SWR under 2:1 on all HF bands.  The 
  293. easiest way to reduce the SWR is by increasing the losses, either 
  294. by putting a resistor or using lossy matching techniques.  The 
  295. classic double-bazooka antenna uses the latter--the coaxial stubs 
  296. increase the bandwidth by making the antenna convert RF into heat!  
  297. The acceptability of these techniques is subject to much debate 
  298. and we don't have space to cover it here.  If I were you, I'd use 
  299. an antenna tuner and stop worrying about the SWR.
  300.  
  301. Q: I'd prefer to use a multiband trap antenna so I won't need an 
  302. antenna tuner.  What are the disadvantages of doing so?
  303.  
  304. A: Traps generally reduce the bandwidth of the antenna and limit 
  305. power-handling capability.  In most antenna designs, they're the 
  306. weak link in the system.  For multiband HF operating, I prefer an 
  307. antenna with a minimum of weak links--no traps or baluns.  This 
  308. allows experimentation with an antenna tuner to determine which 
  309. bands the antenna will work on.
  310.  
  311. Try a coax-fed dipole and "force feed" it via an antenna tuner.  
  312. Make the antenna as long as practical.  Use good-quality coax and 
  313. keep it as short as you can.  You may even want to try feeding 
  314. your dipole with 450-ohm ladder line since, compared to coax, 
  315. open-wire feed line has extremely low loss at HF.  The SWR may be 
  316. quite high on some bands, but don't let it bother you.  Use your 
  317. tuner to couple the RF to the antenna system and most of it will 
  318. be radiated.
  319.  
  320. We welcome your suggestions for topics to be discussed in Lab 
  321. Notes, but we are unable to provide individual replies.  Please 
  322. send your comments or suggestions to: Lab Notes, ARRL, 225 Main 
  323. Street, Newington, CT 06111.
  324.  
  325. *** FOOTNOTE #1 <below> *** \1/R. Healy, "Feeding Dipole 
  326. Antennas," QST, Jul 1991, pp 22-24.
  327.  
  328. Fig 1--Here's a cheap antenna tuner design for single-band 
  329. operation.  The inductors (L) are wound with #14 wire.  Their 
  330. diameter and number of turns depends on the impedance of the 
  331. antenna system you have in mind.  In other words you have to 
  332. experiment!  The 1/4-wave-length coax sections should be made from 
  333. RG-213.
  334.  
  335. The members and HQ staff would like to thank the following people 
  336. for their contributions to this information file:
  337.  
  338. KH6CP
  339.  
  340. Send any additional information or changes to mtracy@arrl.org. 
  341.  
  342. 73 from ARRL HQ.
  343.  
  344.  
  345.