Van draadantenne over OCF naar breedbandantenne

1) Inleiding
De praktische kennis tot het bouwen van antennes komt uit de wereld van de radiozendamateur groepen. Zij hebben via studie, berekeningen en op empirische wijze zeer goede zendantennes ontworpen voor de 80m tot en met de 10m band. Dit zijn de respectievelijke ontvangstfrequentie tussen 3.750kHz tot 30.000kHz (einde KG). Dank zij de reciprociteitswet zijn zendantennes perfect te gebruiken als ontvangstantennes. Alleen verschillen de ontvangstbanden, dus de afmetingen, van de zendamateur banden en dienen ze slechts voor miniem vermogen ontworpen te worden. Zendantennes gebruiken als ontvangstantennes blijven hun karakteristieken volledig behouden.

zenden
ontvangen
band (m)
frequentie (MHz)
band (m)
frequentie (MHz)
80
3,525
75
3,900 - 4,000
40
7,.050
49
5,950 - 6,200
20
14,100
41
7,100 - 7,300
17
17,700
31
9,500 - 9,775
15
21,.150
25
11,700 - 11,950
12
24,675
19
15,100 - 15,450
10
28,200
16
17,700 - 17,900
-
-
13
21,405 - 21,750
-
-
11
26,670 - 26,1000

Een overzicht van de kortgolf zend- en ontvangstbanden.

De ontvangstantenne is geschikt om één of meerdere ontvangstbanden te ontvangen. Het uitgangspunt is om met één antenne-installatie zoveel mogelijk omroepbanden te ontvangen op een zo eenvoudig mogelijke manier en met een goed rendement. De aansluitimpedantie is 50 ohm asymmetrisch (coax).

2) De halve golf dipoolantenne
De meest bekende antenne is de halve dipool, hetzij in open of gesloten uitvoering. In de 2m band (144MHz) is deze antenne het meest gebruikt. De fysische lengte is een halve golflengte x de verkortingsfactor en komt dus op ongeveer 1m lengte. Dergelijke antennes zijn zeer eenvoudig te fabriceren en hebben als karakteristieke weerstand een aansluitwaarde van 50 ohm.

halve golf grafiek

Voorstelling van de karakteristiek antenneweerstand voor een halve golf.


Voor de korte golf banden, die een veel lagere frequentie hebben, is zo'n antenne niet meer te vervaardigen als een rechtopstaande stalen staafantenne. De lengte hiervoor zou de halve golflengte moeten zijn wat overeenstemt met 6,5m tot 37m. Daarenboven is de ontvangstpolariteit bij kortegolf horizontaal zodat deze antenne beter horizontaal in de vorm van een lange draad gespannen wordt tussen twee ver uit elkaar liggende punten.

Uit deze grafiek is af te leiden dat de stroom aan de uiteinden minimaal is en een weerstand vertegenwoordigt van 5000 ohm, terwijl de weerstand in het midden van de halve dipool 50 ohm is. Hier is de stroom maximaal. Een lage weerstandwaarde is een prima waarde om een antenne(draad) te koppelen met de voedingskabel of feeder. De energieoverdracht zal hier maximum zijn omdat de beide weerstandswaarden gelijk zijn. Er zal geen reflectie optreden.
De lengte van deze draad is een halve dipool x de verkortingsfactor van de gewenst te ontvangen kortgolf band of frequentieband.

verkortingsfactor v:
blanke draad
0,98
PVC geïsoleerde draad
0,92

Is deze draad in een woonomgeving te spannen dan is dit het model van een open halve symmetrische dipoolantenne. De voedingslijn dient hier eveneens een symmetrische kabel te zijn met dezelfde karakteristieke weerstand of impedantie van 50 ohm.

symmetrische open halve dipool

 

En . . . dient de ingang van de ontvanger (tuner) eveneens een symmetrische ingang te hebben met dezelfde impedantie. Hier is dus de draadantenne, de voedingslijn en de ingang van de ontvanger SYMMETRISCH uitgebouwd op 50 ohm. Deze symmetrische waarde van 50 ohm worden in consumptie ontvangers niet toegepast. Wel is de asymmetrische ingang van 50 ohm standaard: de coaxiale ingang. Deze kan een weerstand hebben van 50, 60 of 75 ohm. In de Drm wereld wordt 50 ohm toegepast.
Om hieraan te verhelpen wordt een asymmtrische : symmetrische HF transformator toegepast. Dit is de balun met een 1:1 verhouding teneinde de weerstandswaarde primair : secundair hetzelfde te houden. De 1:1 geeft aan dat er geen impedantiewijziging is. De 50 ohm primair is gelijk aan 50 ohm secundair. Echter kan de halvegolf dipool draad nu via asymmetrische coax kabel gevoed worden zonder dat de eigenschappen van de antenne gewijzigd worden.

  • het stralingsveld van de antenne wordt sterk vervormd (verkeerde richtingsgevoeligheid)
  • veel grotere gevoeligheid voor storingen.

De verliezen van een open lijn antenne zijn zeer laag.

halve golf draaddipool

Symmetrische halve golf draaddipool aangepast naar coax.

2) De eindgevoede kwartgolf draadantenne
Verder bouwend op de halve golf dipool antenne is dit een kwartgolf lange draad x de verkortingsfactor die vrij geïsoleerd opgehangen wordt tussen twee punten. Eén uiteinde wordt via een coaxiale kabel van 50 ohm geleid naar de ontvanger. Dit draaduiteinde heeft de karakteristieke weerstand van 50 ohm, het andere uiteinde heeft de weerstandswaarde van 5000 ohm. De kwartgolf draad is een asymmetrische antennetype die direct aan de asymmetrische voedingskabel, de coax, kan aangesloten worden. Hier is geen aanpassing nodig. De mantel van deze coaxiale kabel dient ter hoogte van de ontvanger best geaard te worden.

kwatgolf draaddipool

Asymmetrische kwartgolf draadantenne gevoed door asymmetrische kabel.

Voordeel: Zeer eenvoudig, goedkoop en zelf te maken concept.
Nadeel: Slechts voor één frequentieband geschikt en maar een matig rendement. Voor andere frequentiebanden wordt de karakteristiek impedantie te hoog en sterk reactief. Dit resulteert in een zeer slechte aanpassing tussen antenne en ontvanger en een bijkomend groot signaal verlies.
Voorbeeld : Voor de 6MHz ontvangstband (50m) moet het op te spannen stuk blanke draad 300.000/4/6000x0,98 = 12,25m lang te zijn. De verbindingskabel is een coaxiale kabel van 50 ohm, type RG58.

Indien de draad korter is dan een kwartgolf gedraagt deze draad zich capaciteif t.o.v. de kwartgolffrequentie en dient de draad kunstmatig verlengd te worden door een spoel. De inductantie van deze spoel is afhankelijk van de lengte van de draad en de plaatst waar de spoel gekoppeld wordt. De berekeningswijze hiervoor is complex. In de handel of via zelfbouw bestaan er verschillende ontwerpen en schema's van antennetuners die de mogelijkheid bieden een quasi willekeurig eind draad af te stemmen op de gewenste ontvangstfrequentie of frequentieband en die tevens een karaketristieke impedantie verzekert van 50 ohm asymmetrisch.

3) De multi band antenne, OCF dipool of Windom antenne
Terug naar de grafische voorstelling van de halve dipool in het hoek (x-as)-impedantie (y-as) assenstelsel.
De grafiek toont de karakteristieke impedantie voor een halve dipool antenne. De beide uiteinden zijn zeer hoogohmig (5000 ohm), het midden heeft de karakteristieke impedantie van 50 ohm. Even en oneven harmonische frequentie van deze grondgolf zullen aan de uiteinden eveneens steeds een hoge impedantie geven, doch de minimum impedantiewaarde valt steeds op een andere hoek.

stroomverdelingsgrafiek

Deze verschillende frequentie zijn voor deze halve golf draadantenne in resonantie.
Opmerkelijk is dat deze verschillende golven één gemeenschappelijk snijpunt hebben waarvoor de impedantie hoger is dan 50 ohm op een afstand van ongeveer 1/3 van het uiteinde. De impedantie van het gemeenschappelijk punt is ongeveer 300 ohm. De afstand is 1/3 van de halve golf lengte t.o.v. één uiteinde.

De ontvangstbanden in de kortegolf zijn: 75, 49, 41, 31, 25, 19, 16, 13 en 11m. De 49m band wordt als laagste frequentie-referentie genomen en heeft dus een halve draaddipoollengte van 49:2x0,98 = 24m. De 25m, 16m en 13m band vormen resp de 2-de, 3-de en 4 harmonische frequentie van deze grondgolffrequentie en zullen met deze draadlengte een resonantie vormen en zeer goed ontvangbaar zijn. De overige frequentiebanden zullen weliswaar een grotere mis-aanpassing geven maar in de meeste gevallen blijft er voldoende signaal over om de ontvanger goed te laten functioneren.
Daarenboven zijn de Drm kortegolf zenders van groot vermogen voorzien.

grondgolf f1 met hogere frequentiebanden

De grondgolf f1 met zijn hogere even en oneven frequentiebanden.

De referentie ontvangstband is de 49m band waaruit de fysische lengte van de draadantenne berekend wordt, inclusief de verkortingsfactor. Voor blanke draad is deze halve golf gelijk aan 24m. De voedingslijn komt op 1/3 waardoor de impedantie ongeveer 300 ohm wordt. De voeding gebeurt dus op 8m van een uiteinde, het andere uiteinde is dan 16m. De voeding van deze antenne is hier dus niet in het midden maar uit het midden. Vandaar de OCF antenne of de Off Centre Feed antenne.

De oude Windom werd met een symmetrische lijn gevoed en straalde daardoor meer dan de antenne. Via een impedantie aanpassing en sym-asym overgangtransfo kan deze antenne via een 50 ohm coaxiale kabel gevoed worden. Op deze wijze vormt de antenne een uitstekende ontvangstantenne voor de meeste kortegolf banden.

De aanpassing van 300 ohm symmetrische OCF antenne naar asymmetrische coaxiale kabel geschiedt via een impedantietransfo of Balun waarbij de impedantieverhouding = wikkelingsverhouding² = k².

Z1/Z2 =( n1/n2)²

De impedantieverhouding = 300:50 = 6 of 6:1. De wikkelingsverhouding wordt V6 = 2,45 of 2,5. Dit betekent aan de zijde van de dipool 5 windingen, aan de zijde van de coax 2 windingen. De transfo is een ferritringkern of varkensneusje paars of rood gekleurd voor het frequentiespectrum van 1 - 2MHz tot 30MHz. Type kern kan 4C6 of 4C65 van Philips zijn of Ferrit materiaal 43 (Amidon) met resp 2-30MHz en 1 - 30MHz bandbreedte. Deze ferrit ringkerntransfo doet tevens dienst als scheidingstransfo, een varkensneusje in mindere mate omdat de wikkelingen boven elkaar liggen en dus een lagere doorslagspanning heeft.

OCF antenne

Schematische voorstelling van de 4-banden OCF antenne.

4) De Wideband Folded Loop antenne (WFL)
Dit is een breedband zend/ontvangstantenne voor alle frequenties tussen 1,8 en 30MHz met een spanwijdte van slechts 7,5 meter en dus uitermate geschikt voor de ontvangst van alle Drm frequenties in de kortegolf.

Technische specificaties:

  • antennelengte slechts 7,5 meter en plaatsing vrijwel overal mogelijk
  • zenden (max 200W) en ontvangen op alle frequenties tussen 1,8 en 30MHz
  • aansluitimpedantie van 50 ohm asymmetrisch en constant over de volledige band
  • VSWR gemiddeld 1,7 en beter, dus geen antennetuner nodig
  • ultra lage ruis en hoge storingsonderdrukking door het gesloten lus antenneprincipe
  • beveiligd tegen statische ontlading.

Slechts in de handel verkrijgbaar bij www.rys.nl .