home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Shareware Overload Trio 2 / Shareware Overload Trio Volume 2 (Chestnut CD-ROM).ISO / dir24 / 40mbeam.zip / 40MBEAM.ASC
Text File  |  1994-01-13  |  15KB  |  270 lines

  1. 40MBEAM.wp
  2. by Frank Kamp
  3. K5DKZ
  4.  
  5.  
  6.  
  7. A Feasible Full Sized 40 Meter Beam
  8.  
  9.  
  10.  
  11.      This project started as a result of renewed interest in 40
  12. meters coupled with the desire for an antenna system that would
  13. be more effective than the simple dipole.  
  14.  
  15.      Over the last several years I have concentrated on VHF. 
  16. Experimentation with VHF antennas had me retiring the HF beam and
  17. quad to the garage for storage.  This made it a lot easier to
  18. crank my homemade, tiltover, drill stem, tower down to mount
  19. various VHF antenna designs.  It also gave me a large inventory
  20. of telescoping aluminum tubing and fiberglass spreaders.  Making
  21. sure I had the parts set aside for at least one triband beam, I
  22. used some of the other materials in this project.
  23.  
  24.      Before starting this project I was using an 80/40 meter,
  25. inverted vee, trap dipole as an all band antenna, and a 40 meter
  26. broadband dipole flat topped at 35 feet for 40.  Those antennas
  27. are still up and in use, but most of my serious 40 meter
  28. operating is now done on a pair of full sized, phased, quarter
  29. wave verticals spaced 35 feet apart.
  30.  
  31.      Implementing the first vertical was a simple matter of shunt
  32. feeding my grounded tower.  I used the Gamma match.  A ten foot
  33. section of one inch diameter tubing was spaced ten inches from
  34. the fixed section of the tower.  Braid from a length of RG8 was
  35. used to ensure a good electrical connection between the fixed and
  36. tiltable portions of the tower.  An old ARC-5 variable capacitor
  37. (approximately 275pfd) was used to cancel the reactive portion of
  38. the Gamma stub. 
  39.  
  40.      Your probably wondering where the 40 meter beam comes in.  I
  41. guess I could squeeze out of this by implying that two phased
  42. verticals do qualify as a two element beam.  Don't laugh.  VK9NS
  43. uses four quarter wave phased verticals on 40 for about 7 db gain
  44. and does a pretty good job of working into the states.  I won't
  45. disappoint you though.  My design for the additional full sized
  46. quarter wave vertical could easily be used to build a real full
  47. sized two element Yagi should you desire to do so.  
  48.  
  49.      A slightly heavier construction is used for the vertical
  50. application and will be covered first.  By 'heavier' I'm
  51. referring to weight, not necessarily increased structural
  52. strength.  A base heavy vertical lowers it's center of gravity
  53. giving it stability.   Using this design I was able to securely
  54. mount my 31 foot vertical by securing the base and providing a
  55. sturdy mounting bracket only three feet up from the base.
  56.  
  57.      To provide the weight, I used a 44.5 inch section of 1-1/4
  58. inch steel TV mast.  This is driven into the end of a 70 inch
  59. long section of 1-3/8 inch aluminum tubing.  The steel mast
  60. presses into the tubing a distance of 1.5 inches.  A ten foot
  61. section of 1-1/4 inch, schedule 40 PVC pipe was cut to a length
  62. of 105 inches.  There is nothing critical about the length of the
  63. PVC pipe as long as it is shorter than the steel mast/tubing
  64. assembly.  Moreover, there is nothing critical about any of these
  65. dimensions.  They are given in inches because that is the way I
  66. took them.  The only 'critical' thing is to make sure your
  67. finished assembly is less than 32 feet long or you will have less
  68. leeway in tuning it to resonance.  The pipe is used to
  69. electrically insulate the lower section of the vertical.  I had
  70. originally planed to mount the vertical on top of the tower by
  71. clamping it's base into the rotator coupling.  That was before I
  72. decided to make it full sized and use it in phase with the tower. 
  73. The extended section of PVC pipe allows additional beams to be
  74. mounted on the base of the vertical.  The PVC also adds strength
  75. to the press fit between the first two sections.
  76.  
  77.      The inside diameter of the PVC is too small to slip over the
  78. 1-3/8 inch aluminum tubing and is a loose fit for the 1-1/4 steel
  79. mast.  By cutting a 1/8 inch wide slot through 65 inches of the
  80. PVC pipe the inside diameter can be enlarged to fit snugly around
  81. the aluminum tubing.  The first two sections are pressed into the
  82. PVC pipe until the pipe is almost flush with the base.  A 9 inch
  83. long shim is used in the base to take up the slack between the
  84. steel tubing and PVC pipe.  The shim is made by cutting a length
  85. of 1 inch diameter aluminum tubing in half lengthwise and using
  86. one half of it for the shim.  The slot in the PVC extends down
  87. the tubing assembly a few inches past the 1.5 inch pressed
  88. overlap.  Drill a hole sized for a self tapping stainless steel
  89. screw through the overlap and centered on the 1/8 inch slot in
  90. the PVC pipe.  The screw will prevent the press fit from working
  91. loose and also help ensure a good electrical connection between
  92. the two sections of tubing.  Install another self tapping screw
  93. at the base of the assembly.  This second screw should pass
  94. through the shim and into the steel pipe.  Cut off the head of
  95. this second screw and wrap a couple of layers of electrical tape
  96. over it (just in case even though this is a high current/low
  97. voltage portion of the antenna).  Electrical connection to the
  98. base is made by drilling a through hole for 6-32 stainless steel
  99. hardware.  Use a solder lug or simply make provision for clamping
  100. the feedline between two washers mounted on the bolt.
  101.  
  102.      The 1/8 inch slot in the PVC pipe was cut on a table saw
  103. using a carbide metal cutting blade.  The same tool was used to
  104. split the 1 inch aluminum tubing in making the shims.  If you
  105. don't have access to a table saw, a hand held, rotary skill saw
  106. will do the job if you clamp the pipe to a table.  However, for
  107. safety I would recommend using a hack saw in making the shims.
  108.  
  109.                The next extension is a 72 inch length of 1-3/8 inch
  110. aluminum tubing.  Since both of these tubing sections were
  111. salvaged from my quad, it was a simple matter to slide the second
  112. piece onto the coupling and secure it with a self tapping screw.
  113.  
  114.      The next section is a 129 inch long fiberglass spreader.  In
  115. my case the spreader end had already been fitted with a length of
  116. aluminum stock that was a snug slip fit into a nine inch length
  117. of 1 inch diameter tubing.  The length of 1 inch diameter tubing
  118. is mounted into the inside of the 1-3/8 inch tubing using shims
  119. and self tapping screws.  The objective here is to have all
  120. junctions tight and wiggle free so they will not work loose when
  121. the antenna is subjected to wind stress.
  122.  
  123.      We now have an assembly that is 26 feet in length and have a
  124. few options to consider.  The first is to run a wire straight
  125. down the hollow tube of the fiberglass spreader, bring it out
  126. through a hole drilled in the spreader at the bottom and secure
  127. it to under the head of one of the self tapping screws.  The
  128. other end of the wire can be bent over the far end of the
  129. spreader and secured with electrical tape.  Number 12 or 14 solid
  130. or stranded copper wire will do.  We now have one leg of a self
  131. supporting dipole that can be mounted vertically on top of a
  132. tower and feed with balanced transmission line (300 ohm twin lead
  133. or open wire line).  The other leg of the dipole can be made from
  134. wire and strung at an angle way from the tower.  This second wire
  135. should also be 26 feet long and insulated at the end.  Now we
  136. have a balanced feed, multi band, vertical dipole that can be
  137. used on 40 through 10 meters with an antenna tuner.  On 10 meters
  138. it is 3/4 wavelength and should provide a radiation angle of 7 to
  139. 30 degrees as well as some gain over a dipole.  On 15 meters, it
  140. is 5/8 wavelength, with a slightly lower angle of radiation and
  141. the '3db gain' we have come to expect from a 5/8 wave vertical. 
  142. On 20 it is about 0.4 wavelength and should have radiation angles
  143. lower than what can be experienced with a quarter wave ground
  144. plane.  On 40 it is equivalent to a base loaded vertical.  Even
  145. though this antenna qualifies as a vertical, note that it does
  146. NOT require any radials.  It is a balanced vertical dipole.
  147.  
  148.      Another option is to cut a 14 foot length of wire and spiral
  149. wrap it onto the outside of the fiberglass spreader.  This coil
  150. will then need to be pruned until the antenna is resonant at 40
  151. meters.  This could then be used either as a vertical or as a
  152. vertically mounted dipole with a 32 foot counterpoise as
  153. suggested above.  It's performance should be very good on 40, 20,
  154. and 15 meters.
  155.  
  156.      The third option, the one I chose, was to add another five
  157. feet of tubing to the end of the fiberglass spreader.  This
  158. tubing is electrically connected with wire loosely wound over the
  159. outside of the spreader to connect to the sections of aluminum
  160. and steel tubing.  The additional tubing was made from three
  161. telescoping sections of brass hobby stock.  The kind you find in
  162. most hardware stores.  The brass tubing is very light weight,
  163. readily available, and comparatively strong for its size.  The
  164. bottom section of brass tubing is chosen to be a little larger in
  165. diameter than the inside diameter of the fiberglass spreader. 
  166. The brass is slit lengthwise, compressed, and pushed into the
  167. spreader for a length of about nine inches.  The wire is soldered
  168. to the brass tubing.  The brass sections are also soldered
  169. together.  We now have an assembly that is 31 feet in length,
  170. very close to the 32 feet required for a quarter wavelength on 40
  171. meters.  The additional electrical length is provided by the
  172. winding of wire onto the spreader until the entire assembly is
  173. resonant.  Note that we do not have to worry with sliding tubing
  174. or base loading to shift the resonant frequency of the antenna. 
  175. We merely change the length and number of turns of wire around
  176. the spreader.  This thing would also make a very good center-
  177. loaded whip for use on 75 meters.  Notice I said 'whip'.  That is
  178. exactly what we have here.  A very large, light-weight, whip that
  179. is not 'floppy' when extended horizontally.  The total weight of
  180. my vertical was less than 25 lbs.  More than half of that weight
  181. was in the steel base section and the unnecessarily long length
  182. of PVC pipe.  I wanted it base heavy for stability.  The
  183. additional PVC pipe allows me to mount a small VHF/UHF beam at
  184. it's base.  The vertical droop when the assembly was extended
  185. horizontally was about five feet.
  186.  
  187.      There is no reason why this antenna cannot be made shorter
  188. and still work.  I chose not to do that because I wanted as much
  189. bandwidth as possible, as high a radiation resistance as possible
  190. and as a close match to the full sized vertical I was trying to
  191. phase.  As it turned out, the new vertical rose to a height
  192. almost equal with the tower.  The vertical is roof mounted to an
  193. eave located 35 feet from the tower.  I'm still tempted to mount
  194. it on top of the tower, but then I couldn't phase it the way I
  195. want to for 40 meters.  Anyone for a full sized quarter wave 75
  196. meter vertical?  Wonder how that arrangement would work on 160
  197. meters.  With a ten foot insulated, fiberglass section at the
  198. middle of this thing, we could wind enough wire on it to make it
  199. resonant on 160 meters without the tower extension.  A mast
  200. mounted switching arrangement could tie it to the tower for 75
  201. meter operation.  It could then also be used as a vertically
  202. polarized dipole coax feed for 40 meters or balanced feed for
  203. multi-band operation.  Even then, with the insulation provided by
  204. the PVC pipe, we could still mount our triband beam.  Or, maybe,
  205. a 40 meter beam made from four more spreaders and aluminum
  206. tubing.
  207.  
  208.      I couldn't possibly raise a 40 meter beam at my QTH.  My
  209. trees are not the only ones that have grown over the past fifteen
  210. years.  I can just barely clear a two meter beam without having
  211. it mangled by the large oak in my neighbor's front yard. 
  212. However, if that were not the case, here is how I would build it.
  213.  
  214.      Four sections similar to the one described above would be
  215. made, but I would substitute aluminum tubing for the steel in the
  216. base.  I would also shorten the brass extensions by a few feet
  217. adding additional turns of wire to compensate for the shorter
  218. length.  The driven element halves would be connected using a
  219. slotted length of PVC pipe.  Four muffler clamps (two per element
  220. halve) would hold the element to a six foot section of sturdy
  221. aluminum angle stock.  Each element halve would have been
  222. inserted into the six foot length of slotted PVC pipe taking care
  223. to leave a gap between them in the exact center.  Electrical
  224. connection to the elements would be made by drilling through PVC
  225. and tubing,  then installing self tapping screws.  I would
  226. probably try using an inductive hair-pin match taking care to
  227. make sure the driven element sections were electrically shortened
  228. enough to provide the required capacitive reactance.  I would
  229. mount the parasitic element the same way in order to ensure each
  230. full element had very close to the same weight for balance.  The
  231. boom would need to be at least 2 inch aluminum.  A good
  232. application for the tired and true irrigation pipe.  I would most
  233. likely opt for close spacing (.15 wavelength) and use a director. 
  234. Even at .15 wavelength we need a 20 foot boom capable of
  235. supporting about 35 lbs at each end.  Remember, one wavelength at
  236. 40 is 136 feet.  Muffler clamps would also be used to hold the
  237. elements to the boom.  I would opt for using four clamps per
  238. element.  
  239.  
  240.      Tuning an almost 60 foot element would be feat in itself.  I
  241. can envision it suspended at the ends of the spreaders, but I
  242. think it would be more reasonable to tune each of the four
  243. sections separately as quarterwave verticals.  This would require
  244. some very careful planing and careful work.  Checking resonance
  245. with a dip meter verified by a frequency counter or
  246. communications receiver would be a minimum requirement.  Remember
  247. to allow for the 100 to 200 khz upward shift in frequency when
  248. this monster is raised.  
  249.  
  250.      Getting it up onto the tower could best be accomplished
  251. using the PRCV mount for a stationary tower.  A tiltover would
  252. allow you install the boom, install one element, raise it, rotate
  253. it 180 degrees, and lower it so you can install the other element
  254. all from ground level.  Well, at least nothing more dizzying than
  255. a stepladder, anyway.  Note that if your tower is not at least 40
  256. feet high, you may not be able to install this antenna at all
  257. unless you DO have a tiltover tower.  Of course, we would like to
  258. get it up to at least 60 feet, with 70 feet preferred.
  259.  
  260.      As you can see, a 40 meter, rotatable beam is a major
  261. undertaking even with low cost, light weight materials.  My
  262. method of constructing the 40 meter monopole is offered as a cost
  263. effective way to achieve good performance with a minimum of
  264. effort.  It could make the job of constructing a 40 meter beam
  265. less formidable and at a lower cost.  I feel it is definitely the
  266. way to go when multiple verticals are required.  My next antenna
  267. project will most probably be a four element 40 meter beam.  A
  268. vertical beam, of course!
  269.  
  270.