AWM 160m-10m transportabele antenne

1 Inleiding

1.1 Doelstelling

Het maken van een antennesysteem, dat vlot kan vervoerd en opgesteld worden en dat ons zowel op HF als VHF/UHF de nodige felxibiliteit geeft, is een uitdaging en de doelstelling van deze experimenten.

Het volgende bouwproject kan hierin een oplossing bieden.

EH antenne (niet aan te raden)

Deze EH-antenne is gebouwd uit PVC afwateringsbuis.
Het bovenste deel kan gebruikt worden voor de bevestiging van een GP voor VHF/UHF.
Het onderste deel vormt de HF antenne.

De spoel, bevindt zich in de zijarm, waardoor de coax voor de GP binnenin de buis kan lopen en de HF band kan gewisseld worden (andere spoel) zonder de antenne volledig te demonteren.

Tevens kan de buis-constructie met de cilinders worden vervangen zoals bij de AWM antenne.

Doordat tijdens de experimenten duidelijk is gebleken dat de EH antenne heel wat nadelen heeft, is de opbouw op deze wijze niet aangewezen.

Willen we een echte NVIS antenne en het maximale efficiëntie, dan dienen we de capacetieve koppelingen te beperken en de ohmse verliezen te beperken.

Hiervoor is de AWM antenne gedacht.
Door gebruik te maken van de zelfde bouwmaterialen, kan je beide versies nabouwen en uittesten.

1.2 Vereiste eigenschappen

De antenne die we wensen te maken bevat de volgende eigenschappen:

Een uitgesporken horizontale polariteit, verticaal is minimaal 22 db/25 graden elevatie onderdrukt (Eznec).
Vlot aanpasbare fijn afstemming van de werkfrequentie en dit met minimale herafstemming als je de lokatie van de opstelling verandert.
Impedantie aanpassingsnetwerk (50 ohm)in de antenne, waardoor de lengte van de voedingslijn geen invloed heeft op de afstemming/swr.
Pure NVIS werking, dus geen "grondgolf", waardoor het gebruik ook mogelijk wordt in "bewoond gebied" en tussen gebouwen.
Op 5graden elevatie is Hor=-20db en Vert=-28db

Het EZNEC model laat je het stralingspatroon zien, wat we eveneens hebben kunnen bevestigen tijdens de testen.
Het modelleren van het voedingssysteem is niet gelukt in Eznec, noch in SimSmith, en daardoor puur empirisch vastgesteld.

Meer vergelijkende diagrammen vind je in de subpagina EZNEC AWM antenne

2 Constructie

De constructie kan met verschillende variaties gebouwd worden.
Het is perfect mogelijk om een verticale (EH) of een horizontale (AWM) versie te maken, waarbij de horizontale je meer mogelijkheden geeft naar montage, maar ook naar het verlengen van de stralers, waardoor ook de 160m goed doenbaar wordt.

De details vind je in het vlgende onderdeel: AWM antenne: zelfbouw omschrijving

2.1 Cilinders

EH versie, verticale cilinders (niet aan te raden)

Het materiaal waaruit de cilinders wordt gemaakt, is niet al te kritisch.
Zorg alleen voor een goede galvanische verbinding.
Zoals je in voorgaande proeven hebt gezien, dient het zelfs geen buis te zijn , maar kan je zelfs plaatmateriaal of gaas gebruiken.
Hier is experimenteren en die bouwvorm kiezen, die jou het best past, aangewezen.

Om de "capacitieve koppeling" van de verbindingen te verkleinen, houd je deze best zo ver mogelijk uit mekaar, zeker belangrijk bij de vertikale montage.
De draad van de bovenste cilinder wordt in het midden van de buis gevoerd en onderaan dmv een houder(installatiebuis) in het midden gehouden.
De draad van de onderste buis wordt eveneens via de binnenzijde gevoerd maar direct tegen de buitenwand van de buis.
Beide uiteinde worden voorzien van een luchterklem, zodat je deze nadien kan verder verlengen met VOB4 (maximale diameter stopcontact)

AWM versie, horizontale cilinders (te prefereren model)

Je kiest best voor de AWM versie, gemaakt uit twee inox schoorsteen buizen van 150mmx1000mm, vlot verkrijgbaar in de doe-het-zelf handel.
Je kan ook gaan voor alu buizen (veel lagere ohmse weerstand, type: buap991150), maar deze zijn merkelijk duurder.
Kwalitatief is deze antenne fundamenteel verschillend van de EH antenne, de Q factor en efficiëntie is merkelijk hoger en de polariteit is uitgesproken horizontaal.
Daarenboven is de constructie eenvoudiger en beter te vervoeren.
En wil je experimenteren met andere lengtes en diameters van cilinders, is dit heel eenvoudig.

Voor deze antenne wordt een kort stuk 125mm buis genomen, waardoor een dikwandige 40mm buis wordt gemonteerd, eventueel binnenin voorzien van een houten steel ter versteviging.
De cilinders worden bovenaan met twee bouten bevestigd aan de 40mm buis, waarop een vleugelmoer zit .
Tevens zit er kort tegen de rand onderaan een bout/moer/vleugelmoer op de schoorsteenbuis om de elektrische aansluiting te kunnen maken die naar het stopcontact(verwisselbare spoelen) of de spoel wordt gevoerd. (maximale dikte draad die in stopcontact aansluiting kan is 4mm2)

2.2 Stopcontact

Wanneer je de antenne "multiband' maakt, kan je gebruik maken van een stopcontact, zodat je meerdere spoelen kan maken voor eenzelfde straler en montage.
Hierdoor wordt het wisselen van band eenvoudig.

2.3 Stekker op spoelhouder

Op iedere spoelhouder wordt een stekker gemonteerd, zodat de verbinding eenvoudig door het inschuiven van de spoel kan gemaakt worden.

2.4 De spoel

De spoel wordt gewikkeld op 90mm buis(zoals proefmodel) of op 100mm(latere versies).
We gebruiken liefst 6mm2, om de ohmse weerstand te verlagen, die gedeeltelijk verzilverd wordt.

Voor de multiband antenne kan voor de 160m band gebruik maken van een kleinere draadsectie, maar tracht de afstand tussen de wikkelingen toch wat groter te nemen, zodat je aftakpunten nadien gemakkelijk kunnen geplaatst worden.

Wanneer je de draad vast tegen elkaar wikkeld op een buis die 10mm in diameter kleiner is en daarna overzet op de definitieve spoelhouder, dan blijft de draad mooi zitten op de spoelhouder en dien je enkel de tussenafstand aan te passen.(vb, wikkelen op 90mm buis en nadien overzetten op 100mm diameter buis)
Neem wat meer wikkeling owv de kleinere diameter.
Het verlijmen dient om de afstand tussen de draden te waarborgen.

2.5 De condensator

Om na bescherming en montage op hoogte, de frequentie te kunnen aanpassen wordt er een condensator gebruikt, die van buiten de spoelhouder toegankelijk is.
Deze wordt gemaakt van koperfolie en elektriciteitsbuizen.

2.6 Samenbouw spoel

De houder wordt volledig samen gebouw.
Dit houd in dat:

de condensator binnenste buis verbonden wordt met de buitenste spoel draad en stekker verbinding .
de condensator buitenste buis verbonden wordt met de onderste spoeldraad die midden in de buis naar boven komt en zo met de andere pin van de stekker.
een choke FT240-31 wordt voorzien in de onderste buiskap samen met een PL plug, voor de aansluiting.

Ook hier wordt vooral gekeken naar de parasitaire capacitieve en magnetische koppeling, wat ook de reden is waarom we een Y gebruiken voor de spoelhouder, zodat de koppeling naar de mast wordt verkleint.

Bovenaan op de spoel wordt een silicone draad gesoldeerd met een aftakking connectie, gemaakt uit een halve luchterklem.
Hiermee kunnen er windingen kortgesloten worden, waardoor de spoelwaarde kan worden aangepast.

Onderaan voorzien we eveneens een aftakking in silicone draad, die verbonden is met één zijde van de choke.
De andere zijde van de choke zal aan de onderste spoel zijde gekoppeld worden.

De aftakking kan je op zijn plaats houden met rubberen banden, gemaakt van een rubberen kruiwagen binnenband, daar de standaard rekkers absoluut niet tegen hoge temperaturen kunnen(zon) en snel verduren.

In de video zie je een plastic klem ipv de rubberband, een van de pogingen om een goede verbinding te krijgen, maar die niet praktisch is gebleken en in het uiteindelijke ontwerp niet gebruikt is.

VID_20200607_154037.mp4

Hier een beeld van de verschillende spoelen die ik gemaakt heb voor een multiband versie.

Als voorbeeld zie je de "moeilijkste" spoel en band, 160m.
Deze heeft bij mij 85 windingen en de aftakkingen zijn ongeveer 5 windingen van de bodem voor de ader van de coax en 8 windingen van de top om op frequentie te komen.
Dit is allemaal experimenteel en veel is afhankelijk van de spoellengte.
Het is dan ook niet verwonderlijk dat op 160m, een extra grote condensator dient gemaakt te worden.

Vanaf de 80m band kan je alles regelen zonder condensator en doet deze enkel dienst om de finale aanpassing van de resonantie te doen, als de behuizing gesloten is.

Het afregelen gebeurt steeds met de condensator volledig op 0, dus de binnenste buis ingeschoven tot tegen het einde, en op de hoogste frequentie in de band of er zelfs wat boven.
Dit omdat de ervaring leert dat het plaatsen van de buitenste 125 buis, de frequentie omlaag haalt.

Eens je de aftakkingen hebt gevonden, fixeer je de aftakkingen dmv isolatietape of plaats je de rekkers(binnenband) fatsoenlijk en plaats je de buitenste buis.

Eens deze buis er op zit, kan je de gewenste frequentie instellen met de condensator, door de binnenste condensator buis naar buiten te trekken (vergroten waarde, dus dalen frequentie)

Opmerking:
Voor de 160m is het noodzakelijk de condensator te gebruiken om de SWR waarde tot 1/1 te krijgen, daar de capaciteit van de buizen te klein wordt en de spoel onvoldoende eigen capaciteit heeft.
Een richtwaarde van spoel (100uH) en een condensator van 17cm folie (50pf) kan je wat experimenteren schelen.

In het uiteindelijke ontwerp heb ik de choke ingebouwd in de spoel, of een adapter met choke voorzien, zodat de verbinding tussen de spoel en de choke, zo kort mogelijk is.
Dit heeft een veel beter resultaat en maakt het afregelen zo goed als ongevoelig voor de gebruikte coax lengte.
Zonder deze ingebouwdes choke, is het stukje coax naar de choke (1m) oorzaak van variabele SWR (Hand-effect).

3 Afregelen

Eerste vaststellingen

Hier zie je de meting op mijn 160m antenne.
Door een "te zwakke choke"(mix 43) en een alu dak van mijn thuinhuis, was de frequentie en SWR niet ideaal en was de coax "gevoelig".

Het stuk coax tussen de antenne en de choke, diende eveneens "gefixeerd" te worden daar het bewegen in de wind, verandering van frequentie teweeg bracht.

Aanpassing Choke

De onderste meting was na het vervangen van de choke/balun door één met een FT240-31 kern.
De choke in de spoelvorm bouwen met directe verbindingen naar de spoel bied een veel betere oplossing en elemineert de gevoeligheid van de coax en het handeffect volledig.

Contact punten spoel

Alvorens een antenne af te regelen, raad ik aan om de wikkelingen (blank koper, enkel als de wikkelingen niet verzilverd zijn) met staalwol of scotch-brite op te schuren alsook de halve luchterklem.
Dit kan je vinden in alle verfwinkels en is handig om mee te hebben in je "go-box".
Wrijf daarna het koper in met vaseline, zodat de oxidatie niet direct terug begint en regel de antenne af.
Ook wanneer de antenne verzilverd is kan je neutrale vaseline aanbrengen, maar is dit niet echt noodzakelijk.
Het zilver wordt zwart (zilver oxide) van de buitelucht, maar zilveroxide blijft geleidend, wat niet met koperoxide het geval is.

3.1 Procedure

Procedure voor het afregelen van de antenne.:

Kalibreer je nanoVNA met als referentiepunt de plug die aan de antenne wordt aangesloten, inclusief alle koppelstukken. (en bij proefnemingen ook de balun, als het korte stukje coax van de balun naar de antenne, als je een externe choke gebruikt)
Doe dit op een ruime frequentie band (vb1Mhz-30Mhz) in één geheugen, die je kan gebruiken voor de initiële "grove afstelling of freqentie zoeken" maar ook op een smaller segment rond de band die je gaat gebruiken.
Begin bij het regelen onderaan op een aftakking op ongeveer 1/20 van de spoel voor de coax kern en bovenaan zonder aftakking (kortsluit draad los)
Zet de condensator op "0".
Zoek de resonantiefrequentie en pas de bovenste spoel aftakking aan zodat je "boven" de band uit komt, die je wil gebruiken.
Hierdoor kan je nadien de frequentie naar beneden regelen met een zo klein mogelijke capaciteit.
Wanneer je het gewenste resonantiepunt bereikt zal je iteratief onder en boven op de spoel de aftak punten moeten zoeken voor het bekomen van een minimum SWR en een frequentie bovenaan in de gewenste frequentie band.
Hierna kan je de aftak punten met tape fixeren (of met gummy banden, zonder extra tape) en de buitenste buis erover plaatsen.
Meestal zal hierdoor de frequentie wat zakken, (grotere capaciteit) en veranderen wanneer de antenne in de hoogte wordt gezet.
Regel de condensator bij tot de antenne op de gewenste frequentie zit.
De SWR waarde zou niet meer mogen verslechteren, door de kleine aanpassing.

Als alles goed zit, zie je een vrij grote cirkel op de smith-chart, wat weergeeft dat je een hoge Q factor hebt (weinig ohmse verliezen) van de antenne zelf.
Wanneer je in het CAL menu de CORRECTION uit zet, verplaats je je meting naar de kant waar normaal een SWR meter zou staan en zal je zien dat de smith-chart cirkel heel wat kleiner wordt en de bandbreedte blijkbaar vergroot.
Dit komt door de verliezen op de coax en de invloed ervan en is de reden waarom het afregelen van een antenne met een SWR meter niet goed lukt.

Kort gezegd: kleine cirkel duidt op hogere ohmse verliezen.

Dit kan zowel de verbinding zijn op de spoel als de coax.
Nakijken is de boodschap.

4 Conclusie

We zijn geslaagd in het opzet om een transportable en snel op te stellen HF antenne te maken, die tevens kan dienst doen als support voor een GP op VHF/UHF (op de top bovenaan).
Door de verwisselbare spoelen en het bijstellen van de antenne dmv een condensator, is het afregelen van de antenne ter plaatse op de gewenste frequentie kinderspel.
De "multimeter voor de radio amateur" of nanoVNA bied hier de uitkomst.

De hoogste band die wij konden bereiken was de 17m band, dit doordat de eigen resonantie van de draden en buis tot aan het stopcontact op 26Mhz zat.
De AWM antenne , heeft ondanks zijn groter buis een eigen resonantie van 35Mhz en is dus goed bruikbaar op de 15m band.
Kleinere buizen zullen dus ook de antenne bruikbaar maken op 12m en 10m.

Door een set aan spoelen, kan je nagenoeg alle frequenties bereiken.

Het geheel wordt gemonteerd op een mastje met wiel voet, zodat het langs de wagen kan gezet worden.
Zo kan alle apparatuur in de wagen blijven en ben je echt "mobiel" met je radiokamer.

Radio-mobile coverage

Het gebruik van HF voor het maken van lange afstands verbindingen, lijkt evident, maar voor kleinere afstanden lijkt de keuze niet zo vanzelfsprekend.
Hiervoor wordt veeleer gebruik gemaakt van VHF/UHF met eventueel relais, wat op zich een goede keuze is, op voorwaarde dat je "hoogte" kan halen.

Een vrijstaande antenne geeft steeds voordelen tov van een antennen die ingesloten staat opgesteld.
Maar wanneer de opstellingsplaats niet gekozen kan worden , wordt het moeilijk om VHF in te zetten.
Vandaar dat een portable opstelling op HF, zelfs indien de antenne niet de vereiste efficiëntie bereikt, het verschil kan maken.

Met behulp van het programma radio mobile kan je dekkings-mappen laten berekenen, rekening houdend met de topologie van je omgeving .
Je kan dit programma ook gebruiken om linken te berekenen of netwerken van verschillende stations.
De laagste frequentie is 10MHz en de berekening houd enkel rekening met de fysieke wetten van verzwakking, niet met de propagatie owv weerkaatsing op de ionosfeer, zeer sterk aanwezig op de HF banden.

Voor nood communicatie is het gebruik maken van propagatie niet echt een ideale oplossing om een zekerheid van verbinding te garanderen.
Voor meer garantie van verbinding, is daardoor het model van radio-mobile zeker bruikbaar, ook op de lagere banden.

Berekeningen zijn gebeurt op 1.8 (10Mhz) en 145Mhz, met hoogtes op 2m en 20m en een vermogen TX=2W.
Als laatste nemen we een HF antenne die tov een omni op VHF, een verzwakking van -26dbi heeft, wat dus in vermogen zou overeen komen met 800W tov 2W, om aan te geven dat HF dezelfde of zelfs betere verbindingen garandeert dan VHF, ook op kleinere afstanden en lagere hoogtes en met een antenne die door zijn compactheid, gegarandeerd minder winst zal hebben dan een "full-size" omni.
We zien dat zelf dan, deze "slechte antenne" kan concurreren op HF met een VHF opstelling en waarschijnlijk minder gevoelig zal zijn voor de omgeving waarin ze wordt opgesteld.
Dit is de doelstelling van deze testen:
een antenne hebben voor radio verbindingen met een garantie van verbinding zonder al te veel voorwaarden te koppelen aan de opstellingsplaats.

5 Opmerkingen en testen

VID_20200607_154037.mp4

160m spoel

Uitleg van de onderdelen en montage

VID_20200618_182733.mp4

Eerste contact op 160m

Een radiocontact tussen ON4ABS (indoor magnetic loop) en ON4AWM (EH op 4m) op low power.

Antenne vergelijk

Er wordt meestal uitgegaan van het principe dat een antenne groot moet zijn om enigszins efficiënt te kunnen afstralen.
Spoelen zijn "uit den boze" en een verkorte antenne is een "dummy load".

Waar hier een grond van waarheid in schuilt, je kan de natuurwetten en de fysica niet verloochenen, zeker niet als het op "ontvangst" aankomt(aperture of captatie oppervlak), is dit zeker niet het geval bij zending.

Alle energie die niet wordt omgezet in warmte, wordt omgezet in straling.
Dit is een natuurkundig gegeven.

Hiernaast zie je een meting met een snuffel antenne, op de opstelling waarbij beide antennes zeer kort bij elkaar staan.
Het verschil in signaalsterkte is slechts 3 db, in het nadeel van de EH antenne.

De AWM antenne geeft hier een identieke signaalsterkte en dus ongeveer 3db winst tov de EH antenne.

Uit het vergelijk tussen de ITA-LWA en de AWM antenne kan je concluderen dat de AWM antenne een >2db SNR verbetering is tov de ITA-LWA in ontvangst.
Je ziet tevens dat de antenne als "filter" dienst doet en de signalen buiten de band sterk verzwakt, wat een gunstig effect is in stedelijke omgevingen.

Het absolute signaal niveau ligt lager bij de AWM antenne, dit owv zijn verkorte lengte.

WSPR vergelijk

Simultaan gebruik van 2 antennes en 2 transceivers.
Alles wordt gevoed vanuit batterijen/solar charger (PC+TRX) en is geïsoleerd opgesteld van de aarde.

Rood: de AWM antenne en CODAN op 4m hoogte
Blauw: FT817 en ITA 20m wire slooping vanaf 16m
Geel: Verschil ITA - AWM., zonder en met extra choke mix31 aan de trx zijde.
Meetpunten: 269 metingen, van 20/08 tot 27/08/2020 in JO20OT in het stad Sint-Truiden.

Vaststelling:

De ITA en AWM antenne zijn gelijkwaardig in ontvangst ondanks de verschillende opstelling en bouwgrootte.
Het plaatsen van een choke aan de TRX zijde, heeft voor een drastische verbetering van de S/N gezorgd bij beide antennes.
Het ruisniveau gaat hierdoor sterk omlaag in deze stedelijke omgeving.
Er zit een "richtingseffect", op de metingen met G4BOO en M6GDL naar het westen en OK1DST naar het oosten, met de AWM antenne ingesloten tussen de gebouwen tov de wire.
Onderstaande figuur geeft de sprong weer met choke op de ITA(eerste deel curve) en zonder.
Je ziet dat het verschil tov AWM antennen tussen de 3 en 5db ligt!

Conclusie:

Hieruit kan je concluderen dat een choke aan de TRX zijde, 3 tot 5db verbetering geeft van de S/N verhouding.

40m versie vergelijk

Je kan een parallel kring maken van een kleine spoel en een grote condensator of omgekeerd.
De antenne gedraagt zich als een parallel kring op resonantie, waarop je een aftakking maakt om het impedantie punt van 50 ohm te vinden.

In de figuren zie je het vergelijk van de enkelvoudige AWM (2x1m buis, wat ongeveer 30pF geeft) op de 40m band tussen een spoel van 16uH(rood) zonder extra capaciteit (c=0) en 12,5uH(blauw), waar de extra capaciteit ongeveer 10pf was.

Op de sniff antenne(s21-gain) en de bandbreedte was geen verschil zichtbaar, wat er op wijst dat het verlies door gebruik te maken van een kleine capaciteit, parallel aan de spoel, geen invloed heeft.

Er zit een klein verschil in SWR/RL, te wijten aan de nauwkeurigheid van afregelen.

Je ziet enkel een klein verschil in de omtrek van de cirkel op de smith-chart en de Q factor.
Hier zie je dat de kleinere spoel , een grotere Q factor heeft, te verklaren door de kleinere ohmse verliezen.

Dikke buizen of lange sprieten

Als vergelijk heb ik dezelfde spoel gebruikt en een dipool gemaakt van 2x4.8m ter vervanging van de 2x1m buis.
Deze test had twee doelstellingen:

Zien wat de invloed is op de bandbreedte
Zien hoeveel "capaciteit" er bij komt door de dipool, waardoor de frequentie naar beneden verschuift

Als we uitgaan van het principe dat een full-size dipole ongeveer 6% bb heeft, zou dit op 111kHz neerkomen.
Deze waardes worden berekend in de simulatie modellen en worden bevestigd door verschillende radioamateurs.

De originele AWM antenne met 2x 1m buis van 150mm diameter heeft een SWR bandbreedte van 118kHz, wat niet al te slecht is in verhouding tot een volwaardige dipole.
Vermits het om een verkorte antenne gaat en hierdoor de bandbreedte normaal afneemt, kan je er van uit gaan dat deze grotere bandbreedte te wijten is aan verliezen in de antenne.
De metingen zijn op op 2m hoogte gebeurt, tussen de huizen, verre van ideaal.

De AWM-dipole variant, uitgevoerd met 2x 4,8m sprieten, werd op dezelfde plaats gemonteerd en met dezelfde condensator instelling.
Hierdoor zakte de frequentie tot 1740kHz.
De bandbreedte van deze antenne is kleiner, 101kHz, wat te verwachten was doordat de diameter/golflengte verhouding van de stralers een grote invloed heeft op de bandbreedte.
Vermits dezelfde spoel en condensator werd gebruikt als bij de korte dikke buizen, is de verschuiving zuiver te wijten aan dit fenomeen..
Door de condensator te verkleinen werd de antenne terug op de oorspronkelijke frequentie gebracht, waardoor de bandbreedte tot 105kHz toenam.

Wanneer we dit alles vergelijken met de RST variant, die bestaat uit 2x2m dikke buis, zien we dat de bandbreedte ongeveer gelijk uitkomt.
Hier is geen duidelijk verschil te zien tussen de lange spriet of dikke buis.

Page updated

Report abuse