home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Hacker's Encyclopedia 1998 / hackers_encyclopedia.iso / etc / hardware / hfants.doc < prev    next >
Encoding:
Text File  |  2003-06-11  |  12.0 KB  |  246 lines
  1. HIGH FREQUENCY ANTENNAS
  2.  
  3. JD DELANCY, K1ZAT/3
  4.  
  5. 1.  Long Wire Antennas:
  6.  
  7.     a.    The fundamental wire-type antenna is the horizontal half-
  8. wave center-fed antenna.    The nominal impedance of this type of 
  9. antenna  is about 73 ohms,  which will give a 1.5:1 standing wave 
  10. ratio (SWR) for a 50 ohm transmitter/receiver.     Various matching 
  11. networks (delta and gamma types for example) can be used for  1:1 
  12. ratio,    but the power loss with a 1.5:1 is minimal, and the value 
  13. of messing around with matching networks is  questionable.   Like 
  14. all  balanced  antennas,  the dipole should be fed through a  1:1 
  15. balun  (balanced to unbalanced transformer).   The  problem  with 
  16. half-wave  dipoles for 75 meter frequencies (3.9-4.0 Mhz) is that 
  17. the  antenna  is approximately 120  feet  long.      The  antenna 
  18. should    be  erected horizontally as high as  possible.     In  most 
  19. cases,    the  antenna will not be at least a 1/4 wavelength  above 
  20. ground (at 75 meters that equates to 55 to 60 feet).   This means 
  21. the  directional effect of the dipole is virtually  non-existant, 
  22. so  any geographical orientation can be used for omni-directional 
  23. use.   Dipoles are sometimes referred to as "long wire" antennas, 
  24. an  erroneous  term  since  a  true long-wire  is  at  least  one 
  25. wavelength  long.   Variations    of the half-wave  dipole  in  use 
  26. includes the commonly called "coaxial" dipole, which uses coaxial 
  27. cable  for  part of the radiating element.   The  coaxial  dipole 
  28. seems to have a better bandwidth, probably due to the diameter of 
  29. the  coax used as a radiating element versus the number 14 or  12 
  30. wire  diameter used with a regular dipole.   The half-wave dipole 
  31. provides a good match only at the frequency for which it is "cut" 
  32. and  it  has a high angle of radiation (60-80 degrees)    which  is 
  33. correct for the 100-500 mile operating range.
  34.  
  35.     b.      The  trap  dipole  is  a  variation  of  the    half-wave 
  36. horizontal dipole which provides multi-band operation.    Wave-trap 
  37. networks  are inserted along the length of the dipole and act  to 
  38. disconnect part of the antenna on higher bands to permit matching 
  39. at  different frequencies.   The characteristic impedance of  the 
  40. trap dipole is also about 73 ohms,  the same as the basic dipole.  
  41. The  length of the antenna is still the same on the lowest  band, 
  42. so  a  large amount of space is still required.   The  traps  are 
  43. frequency-dependent  networks,    and  thus  provide  a  relatively 
  44. narrow bandwidth of matched operation.     These antennas are  also 
  45. non-directional at the heights normally used.
  46.  
  47.     c.    The  inverted "V" dipole is a variation of the half-wave 
  48. dipole    that  can be used in restricted  space.   The  center-fed 
  49. portion  of the antenna is supported at a height of  40-50  feet, 
  50. and  the  radiating  elements  are ruin diagonally  down  to  the 
  51. ground.  The  angle  between  the elements should  be  about  100 
  52. degrees  for a good match to 50 ohms.    The element  lengths  are 
  53. approximately  the  same  as a    regular  dipole.   The    angle  of 
  54. radiation  is  about  50  to 70 degrees  which    is  suitable  for 
  55. operation in the 100-500 mile range.
  56.  
  57.     d.   The  rotatable dipole is a center-loaded dipole about 40 
  58. feet long with aluminum conduit elements.   When mounted about 50 
  59. feet high,  where the directional effect becomes apparent, it can 
  60. be rotated and permits desired signals to be peaked, or undesired 
  61. signals to be suppressed.  Initial testing of such an antenna has 
  62. indicated  no real advantage over a dipole or inverted    "V"  that 
  63. would make it worth the time and effort.
  64.  
  65.     e.    True  long-wire  antennas are at least    one  wave-length 
  66. long.  Such antennas are directional off the ends of the antenna.
  67. If  one end of the long-wire is terminated in its  characteristic
  68. impedance   (500-600  ohms),   the  antenna  can  be  made   uni-
  69. directional,  obviously, a good sized backyard is needed for a 75
  70. meter long-wire antenna (it's at least 220 feet long!!).
  71.  
  72. 2.  Parasitic Arrays:
  73.  
  74.     a.    The  "beam"  antenna  commonly used is    a  three-element 
  75. parasitic array - reflector,  driven element,  and director.  The 
  76. antenna  is directional and will give 3-5 DB gain.   The elements 
  77. are half-wave in length,  which means they are practical for  10, 
  78. 15,  and  20 meters -- get a little unwieldy for 40 meters -- and 
  79. just  about  impractical  for  80  meters!!    The  characteristic 
  80. impedance is about 73 ohms,  with most antennas having a gamma or 
  81. delta matching network for operation at 50 ohms.
  82.  
  83.     b.   The YAGI antenna is the "pure" form of the beam antenna. 
  84. YAGIs usually  have 5 to 10 elements.    The driven element in  a 
  85. YAGI  is  a folded dipole,  making the    characteristic    impedance 
  86. about  300 ohms.   A 6:1 balun is normally used with YAGIs for    a 
  87. match  to 50 ohms.   A ten element YAGI will have a gain of about 
  88. 10 DB,    with a narrow bandwidth.  Again, the physical size of the 
  89. antenna  with half-wave elements is the limiting factor  in  low-
  90. frequency usage.
  91.  
  92.     c.   The  Quad  or delta-loop antenna has become  popular  in 
  93. recent    years.     the biggest advantage of Quad antennas is  their 
  94. ability  to  provide gain with broad bandwidths.   The gain of    a 
  95. Quad  is similar to that of a beam or YAGI (with an equal  amount 
  96. of  elements).     The  quad  is    a  directional    antenna  with  an 
  97. impedance of about 200 ohms (very approximate) and thus  requires 
  98. a matching network for 50 ohm operation.   Again,  the limitation 
  99. in  use  for HF work is the physical size,  since the Quad  is    a 
  100. square-shaped antenna with each side 1/4 wave length long, while 
  101. the delta-loop is triangular with each side 1/3 wave length long. 
  102. Needless to say, there are not many 80 meter Quads around.
  103.  
  104. 3.  Vertical antennas:
  105.  
  106.     a.    The  most  common vertical for fixed-station use is  the 
  107. trap vertical,    such as made by Hustler and Cushcraft.     As  with 
  108. the  trap dipole,  this antenna uses frequency dependent networks 
  109. to  isolate  portions  of the antenna for  proper  resonating  on 
  110. different bands.   Although the antenna can be mounted at  ground 
  111. level, greatly improved performance will result from installation 
  112. on top of a 20-30 foot high mast.   The efficiency of the antenna 
  113. is  dependent  upon installation of adequate radials.    At  least 
  114. four,  cut to 1/4 wave length, should be installed for each band. 
  115. These radials can also be used as the top guy wires for the mast. 
  116. These antennas can be adjusted for a very low SWR at 50 ohms, but 
  117. have a narrow bandwidth.   The radiation angle is 30-40  degrees, 
  118. making    them perform well for long-distance operation (1500  mile 
  119. range)    while  still usable for short-distance (500 mile  range). 
  120. These are omni-directional antennas.
  121.  
  122.     b.    The  single  band  vertical for 75  meter  operation  is 
  123. usually a loaded type, either with a coil at the bottom for base-
  124. loading  or a coil in the center of the mast for center  loading.
  125. While top-loading would be preferred,  the size and weight of the
  126. coil  required would make for an unwieldy  mechanical  structure.
  127. Center-loading is preferred to base-loading since a large portion
  128. of  the  radiation  is    performed by the  coil    itself,  and  the
  129. elevated  coil    will provide better performance  and  efficiency.
  130. The  antenna  can be resonated for a  50  ohm  impedance.   Being
  131. frequency-dependent,  due  to the loading coil,  the bandwidth is
  132. relatively narrow.    Again,    the efficiency of the antenna is 
  133. highly dependent upon the ground radial system.   There should be
  134. a minimum of four (1/4 wave) radials,  with the more, the better.
  135. The  antenna  can be elevated on a mast for  better  performance.
  136. The radiation angle is similar to the trap vertical.
  137.  
  138.     c.    Towers utilized to elevate VHF antennas or beams can  be 
  139. loaded    and  resonated    as vertical antennas.    The base  of  the
  140. antenna  can be grounded or insulated.     Adequate ground  radials
  141. are required for proper operation.   The radio amateur's handbook
  142. shows  several methods of feeding and matching towers for use  as
  143. vertical antennas,  even for 160 meters.  A common use for towers
  144. is as a counterpoise for "half sloper" antennas.   This is a form
  145. of inverted-antenna with the tower acting as one of the radiating
  146. elements.   The  antenna is fed at the top of the tower with  the
  147. coax  shield  connected to the tower,  and the    center    conductor
  148. connected to the sloping element.   A "slope" of approximately 45
  149. degrees will permit matching to 50 ohms.
  150.  
  151.     d.    Due to mechanical problems involved,  the only practical 
  152. antenna  for  mobile  HF operation is a  vertical  whip  antenna.
  153. These can be base-loaded,  center-loaded,  or trap verticals with
  154. the body of the car acting as the counterpoise.   The  efficiency
  155. of  such  an  antenna,    though,  is only about 5  to  10  percent
  156. (working DX from a car usually means driving to the top of Pike's
  157. Peak!!).   For    local (100 mile) operation,  the mobile  vertical
  158. whip  does  a good job.   Two important considerations    apply  to
  159. safety    in mobile antenna operation -- one,  the antenna must  be
  160. mechanically  suitable    to  withstand the  whipping  and  shaking
  161. involved  in  traveling  -- two,   the    antenna  height  must  be
  162. considered in clearing overhead obstructions,  PARTICULARLY power
  163. lines.
  164.  
  165. 4.  Examples of simple design antennas:
  166.  
  167. \ctr\G5RV MULTIBANDER ANTENNA
  168.  
  169.             I  I          51 FEET
  170.             I  I
  171.             I  I
  172.             I  I
  173.             I  I   --------  300 OHM LINE
  174.             I  I         L = 36 FT FOR
  175.             I  I         HORIZONTAL DIPOLES
  176.             I  I
  177.             I  I         L = 29 FEET FOR 
  178.             I  I         INVERTED VEE DIPOLES
  179.             I  I
  180.             I  I
  181.             I  I
  182.         --------------
  183.         |         |    ----------1:1 50 OHM
  184.         |         |              BALUN
  185.         --------------
  186.              I
  187.              I
  188.              I -------------------50 OHM COAX
  189.              I              (RG8) ANY
  190.              I              LENGTH
  191.          XMTR/RCVR
  192.  
  193. The  impedance    at the lower end of the 300 ohm line is 50 to  60 
  194. ohms.    A  1:1 balun is recommended for RFI or    TVI  suppression. 
  195. The antenna is slightly "short" on 80 meters and the 300 ohm line 
  196. section  acts as a sort of matching stub on that band and acts as 
  197. an  impedance transformer on the other bands.    Trim the 300  ohm 
  198. line for best SWR on 15 or 20 meters (most critical bands).   SWR 
  199. should    be 2:1 or better across any band.   SWR of 1.3:1  can  be 
  200. obtained  for the most resonant frequency in each band.   Antenna 
  201. is  good  for about 400 watts.     For higher  power,  use  regular 
  202. amateur  transmitting open-wire line (300 ohm).   Shielded  twin- 
  203. lead  can  be used,  but length will be different  due    to  cable 
  204. propagation factor.  You will have to cut and try.
  205.  
  206. \ctr\DJ4BQ DOUBLE-DIPOLE
  207.  
  208.  
  209.       (55 feet)              (55 feet)
  210. ------------------------------O    O------------------------------
  211.        -----------------------O    O-----------------------
  212.       (40.5 feet)          I    I      (40.5 feet)
  213.                   I    I
  214.                   I    I   --------200 OHM OPEN-WIRE
  215.                   I    I           LINE, ANY LENGTH
  216.                   I    I
  217.                   I    I
  218.                ------------
  219.                I          I   -------- 4:1 BALUN
  220.                I          I        (50:200 OHMS)
  221.                ------------
  222.                  I
  223.                  I
  224.                  I    ------------- 50 OHM COAX
  225.                  I            (RG8) ANY LENGTH
  226.                  I
  227.                  I
  228.                  XMTR/RCVR
  229.  
  230. This  antenna operates from 80 to 10 meters.   The longer  dipole 
  231. operates  on  80,  20,    and  15 meter while  the  shorter  dipole 
  232. operates on 40 and 10 meters.    SWR of 1.2:1 to 1.5:1 are typical 
  233. on each band.    This is a 200 ohm antenna and a 4:1 balun must be 
  234. used  to match it to 50 ohm coax.   Dipole wires should be spaced 
  235. at least six inches apart to eliminate interaction  of    dipoles.  
  236. Heavy-duty  twin  lead can be utilized for the    dipoles  (forming 
  237. both dipoles at the same time) but the length of the dipoles will 
  238. be  different from the standard dimensions,  and you will have to 
  239. "cut and try" for the lowest SWR.   Amateur transmitting 200  ohm 
  240. open-wire line with plastic spacers should be used,  with about a 
  241. six  inch  separation  from tower legs    or  mast.   Inverted  Vee 
  242. operation  may    require shortening of the dipole lengths  due  to 
  243. extra capacity to ground.
  244. \ff
  245.  
  246.