Halve golf antenne 1/2 λ


redbox.gif (41 octets)

Wenst U de hobby maximaal voor minder geld te kunnen bedrijven dan doet U er goed aan om dit hoofdstuk maximaal te benutten. In principe kan het gebruik van een goede antenne heel wat kosten besparen. Het is een beetje zoals met een HiFi installatie: koop eerst een goede antenne systeem en dan pas een transciever. Gezien de aard is zelfbouw voor zowat iedereen haalbaar.
Simpel maar toch.

Definitie : 

Simpel maar toch.

In het algemeen gezegd is een antenne een metalen constructie (geleidend) waardoor HF stroom vloeit. Volgens de in gebruik zijn de frequentie gebeurt er een omzetting naar elektro magnetisch veld in de ruimte rond de antenne. Dit veld verplaatst zich in de ruimte naar een andere antenne welke aan een ontvanger aangesloten is. De omgekeerde omzetting vindt hier plaats. We onthouden: in de ruimte ontstaat een elektrisch EN magnetisch veld.

Welk beeld moeten we ons voorstellen bij een antenne ?

ant3.gif (3409 octets)

Is dit een goede voorstelling? Maar toch. We kunnen een vergelijking maken met een gloeilamp. Licht, daar weten we van , is een vorm van elektromagnetische energie op een frequentie dat de mens kan zien. De elektrische stroom wordt in de lamp door gloeien van de draad naar elektromagnetisch energie omgezet en uitgestraald. Ons oog is in staat deze uitgestraalde energie als licht te interpreteren. Het rendement is eerder pover. Onze antenne doet een gelijkaardig werk maar (hopelijk) met meer rendement. De echte antenne straalt op een frequentie door de mens niet waarneembaar.
Voornaamste parameters van een antenne :

  • Mechanische eigenschappen (lengte, structuur, hoogte van opstellen...)
  • Impedantie aan het voedingspunt bij een bepaalde frequentie.
  • Het straling diagramma (omnidirectioneel of gericht)
  • De winst ten opzichte van de referentie (dipool dBd of isotropisch in alle richtingen evenveel straling dBi ).
  • Doorlaat band van de antenne (zonder tuning) op -3dB.
  • Verlies in de antenne zelf (denk aan Ohms verliezen).
  • De polarisatie (horizotaal, vertikaal, circulair enz....)
ant4.jpg (6649 octets) Een mooi en door ieder herkenbaar voorbeeld ziet hier links. U kijkt op een systeem met Yagis (naar de uitvinder genoemd). U zal er wel in alle maten al gezien hebben. Met enige moeite kan U zien dat we hier met VHF en UFH antennes te maken hebben. De antennes worden twee aan twee gecombineerd om de winst te vergroten. Hoe meer elementen hoe groter de winst. Niks om verwonderd over te zijn. Twee antennes moeten wel oordeelkundig aan elkaar gekoppeld worden.

De halve golf dipool :

Een geleider, λ/2 golflengte (elektrisch - "velocity factor"!!) wordt in het centrum gevoed met RF. vb: de centrale geleider van de coax en de gevlochten draad aan de andere kant.

ant5.gif (1412 octets)

U beschikt nu over een dipool. Beide delen zijn rigoureus identiek. De rode draden vertegenwoordigen de voeding van de dipool. De dipool zelf moet uit metaal maar mag in de vorm van draad of steviger buismateriaal gemaakt zijn. We stellen tevens dat in functie van de diameter van de dipool, de bandbreedte groter wordt. Dus een zeer dunne draad als antenne biedt een zeer smalle doorlaat band wat een voordeel kan zijn.
Een precies gemaakt dipool voor één frequentie heeft bijzondere eigenschappen. De impedantie is precies 73 Ω en zuiver resistief. Voeden met een coax van 75 Ω is bijna ideaal. Geen verdere aanpassing is nodig en de dipool kan zo aangesloten worden. Men zegt hier dat de dipool op resonantie werkt en, gezien de waarde van de impedantie (weerstand) de dipool zich als een serie resonantie gedraagt. Tof niet ? Je zou wel veel geluk hebben als U frequent in die omstandigheden kunnen werken. De dipool 'hangt' ergens in een bepaalde omgeving en ondervindt hier een invloed van. U denkt maar eens aan de hoogte van de opstelling, gebouwen in de omgeving enz... Kennis van deze invloeden laten toe om bijna optimaal de antenne te plaatsen. Of in de praktijk dit wel kan is een andere zaak. De keuze van de lokatie is zeer belangrijk.

Hierboven is er spraken van 75 Ω coax. Er bestaat wel degelijk zulke coax. Toch horen we praten over 50 Ω coax (toch wel verschillend). De reden van dit bestaan is eenvoudig een compromis. Een volledige dipool is 73 Ω , een kwart golf (zie elders) bedraagt in feiten 36 Ω. Kwartgolf antennes worden veel gebruikt en één typekabel is voordelig. 50 Ω ligt juist tussen de twee waarden in.
Hier geven we eenvoudig de formule zondermeer van het verband tussen golflengte en lengte van een dipool. De lengte van de dipool zijn de in meters, frequentie F in MHz.

       150
L = _____
        F



Verband tussen de lengte van de straler en de impedantie :

Wij radio mensen en toekomstige, wensen niet op één enkele frequentie te kunnen werken , maar over minstens een bepaalde band. Onze zorg is om en de bron (eindtrap) voedingslijn (vb: coax) en de straler zelf goed op mekaar te laten inspelen. We moeten dus de diverse beïnvloedingen kunnen inschatten. Het wordt nu wel wat moeilijker. Klaar, gelijktijdig aan alle voorwaarden voldoen is niet mogelijk. De natuur bestaat uit compromissen.

Buiten resonantie zien we naast een weerstand nog een reactief deel van de impedantie. Het reactief deel kan inductief of capacitief zijn al naar gelang de dipool te lang of te kort is. De zuivere weerstand wordt nu een serie impedantie met een reactief deel. Onthoud dat het om een serie impedantie gaat. We hebben dit vroeger al eens gezien bij de studie "elektriciteit".
SWR is niet direct representatief voor de goede werking van een antenne.

ant2.gif (30630 octets)

Hou deze stelling goed voor ogen want het is de basis sleutel voor elk antenne systeem.

Wat kunnen we zien op de twee assen?
- De horizontale as laat het resistief deel van de impedantie zien van de antenne.
- Dus, de vertikale as laat het complex deel of de reactantie zien van de antenne.
De slak vorm laat het verloop van de impedantie zien (Z= R+/- jX) volgens verschillende golf lengten.
Niet eenvoudig en daarom eerder informatief bedoeld

Toch dit: Voor antenne met lengte een golflengte 1 kan U aflezen dat de impedantie zuiver resistief is en ongeveer 800 Ω Op het punt van de slak 1,75 is de antenne inductief met een impedantie van ongeveer 150 Ω . Het weerstand deel is ongeveer 150 Ω

Nog een voorbeeld punt per punt :

  • We bekijken het voorbeeld van een antenne uitermaten kort dat 0,2 λ bedraagt. We lezen nu de waarden van R en C (in dit geval) voor deze 0,2 λ en bekomen ongeveer :
    R = 30 Ω en X = 220 Ω capacitief.
    Duidelijk als we hier een coax aan deze antenne sluiten dat er een zeer belangrijke VSWR ontstaat. Graag zien we toch dat onze VSWR naald wat meer in de gunstige positie staat. (Betere aanpassing).
  • We gaan verder door onze antenne te verlengen tot een halve golf bekomen wordt. We lezen af: R= 73 Ω en X =0. Bingo, op dezeplaats kunnen we voeden.  
  • We hebben er nog niet genoeg van en verlengen tot 0,9 λ . Met wat goede wil lezen we nu : R= 320 Ω  en X = 320 Ω maar inductief. We bevinden ons eerder ver van onze 73 Ω resistief. Niet moeilijk, onze antenne is te lang (>0,5 λ), de antenne gedraagt zich heel inductief.
  • We gaan verder tot 1 λ. Dit is een bijzonderpunt wat het resultaat is terug zuiver resitief maar hoog 750Ω à 800 Ω .
  • Op gelijkaardige manier kunnen we verder gaan en de resultaten benaderen wat we al gezien hebben. Bekijk eens wat er gebeurt als onze antenne 1,5 λ genomen wordt.
Voor het examen zal U van dit deel geen last hebben, maar daarom niet minder interessant. U merkt dat het verloop zich redelijk periodisch herhaalt. We leiden hier conclusies uit :

Volgens haar lengte zal de antenne zich als een serie resonantie gedragen (73 Ω) en op een ander ogenblik als parellel resonantie (800 Ω) . De regelmaat ziet U in functie van het aantal 0,5 λ .
Serie kring Parallel kring

ant7.gif (976 octets)

ant6.gif (1051 octets)

tot 0,5 l 0,5 l tot 1 l
1 l tot 1,5 l 1,5 l tot 2 l
2 l tot 2,5 l 2,5 l tot 3 l
Belangrijke opmerking :

Belangrijk is dat U ziet dat in functie van de lengte van de antenne en van de frequentie de impedantie fel kan varieren. Dit heeft niks met het rendement van de antenne zelf te maken. VSWR heeft niks met het rendement te maken hier. Bekijk het eens zo: een "dummy load" is normaal zeer goed aangepast (of zou het moeten zijn) maar wat te zeggen over het rendement bij straling. De VSWR is zowat perfect maar indien deze opstelling zou stralen is er wat mis met de fictieve antenne. Bovendien, zo een belasting zal over een grote frequentie band goed aangepast blijven maar geen rendement op het vlak van stralen hebben. VSWR zegt ons wat over de aanpassing en meer niet. Maak goed dit onderscheid.


Waarom zal een antenne gaan stralen ?

Een zeer interessante vraag maar spijtig zo moeilijk te begrijpen. Zelf heb ik er ook moeite mee. U zal in de literatuur pogingen zien om dit te verklaren, de ene al beter dan de andere.
Een mogelijkheid om de dingen te zien.
In het kort maken we een parallel Met wat er gebeurt bij het stralen van licht. Elektronen veranderend van energie niveau sturen fotonen in de omgeving. Voor dit veranderen van niveau moeten we energie aan die elektronen toevoeren om tot uitstralen van fotonen te komen. Zo werkt onderanderen de LED. Iets gelijkaardig gebeurt er met een antenne. Onze zender zorgt er voor dat het elektrisch veld elektronen doen bewegen op frequentie van ons RF signaal. De elektronenbewegend in onze antenne ondergaan versnelling - vertraging. Dit heeft fotonen tot gevolg waarvan we weten dat dit elektromagnetische energie is.
Ik beaam, het is een uitleg als een andere. Belangrijk is te weten dat er uitstraling is.
De velden in de directe omgeving van de antenne is zeer complex van aard. Men heeft meerderezones rond de antenne Gedefinieerd.
Hier rechts ziet U een voorstelling van de veldlijnen zoals door een antenne geproduceerd. Een halve golf antenne.

Als we een antenne voeden met RF energie dan zal de antenne een verbruiker betekenen. Anders uitgedrukt, de antenne verbruikt energie zoals een weerstand dat doet. Bij een weerstand gebeurt de omzetting naar warmte, bij een antenne is dat elektro magnetische straling. Het is zoals in een weerstand en daarom noemen we: straling weerstand.
Dit stralen gebeurt door de ruimte bestaande uit inductantie en capacitantie van de vrije ruimte. Alswede antenne alseen punt beschouwen mogen we zeggen dat dit stralen in ALLE richtingen gebeurt. U merkt dat als we verder van die punt straler gaan staan dat de energie afneemt. Het is zoalseen ronde ballon diemen opblaast. Het oppervlak vergroot en hierdoor begrijpt men dat de intensiteit van het veld daalt. We noemen dit verzwakking door de vrije ruimte.

Stroom en spanning verdeling in een dipool:

Dit is een zeer nuttige kennis over antennes. De zender voedt de antenne via de coax. Door de antenne vloeit er stroom en er ontstaat spanning. Het product betekend het vermogen dat door de antenne in elektro magnetische straling wordt omgezet (op verliezen na). De redenering op welke wijze de verdeling over de dipool gebeurt is redelijk eenvoudig. Een correcte dipool is zuiver resistief en is 73 Ω op het voeding punt en serie resonantie , dat weten we nu. De stroom vloeit door de antenne en moet op het einde van de dipool nul zijn. (de kring is daar open). Wat de spanning betreft is dit ook eenvoudig te begrijpen. In het voedingspunt is deze minimaal (serie resonantie) daar de stroom maximaal is. Op het einde van de dipool is de stroom nul en daarom de spanning maximaal.

Samen gevat: op het einde van de dipool is de kring OPEN wat stroom NUL betekend en spanning maximaal. Langsheen de dipool verandert dus de zuivere minimaal impedantie naar open kring via complexe impedantie. Zoveel is duidelijk.
We onderstrepen toch het belang van de aanpassing maar we vallen in herhaling. Opmerkzaam als we zijn zien we ook dat het moet mogelijk zijn om op andere punten langs de dipool ons RF aan te bieden. De impedantie gaat van laag ( 75 ) naar oneindig via een complex weg. Een reactantie verschijnt maar door een tegengestelde compensatie van reactantie is het mogelijk deze te doen verdwijnen. Blijft het resistief deel dat aan voeding en bron moet worden aangepast. Reactatie kunnen zowel door serie als parallel compensatie uitgevoerd worden.
Invloed van de lengte op het straling diagramma.

Tot nu hebben we ons beperkt tot het probleem aanpassen van een antenne (VSWR) in functie van de lengte. Wat ons meer zalbezig houden is de invloed van de lengte van de antenne ten opzichte van de frequentie in gebruik en het straling diagramma. (de manier waarop ruimtelijk de straling energie verdeeld wordt)

Links een voorbeeld van de ruimtelijk voorstelling van de straling van een dipool (wat verbeeldingskracht vereist). De blauwe streep is de antenne. U merkt duidelijk dat de energie in de richting Noor Zuid uitgestraald wordt (90 graden en 270) Op 0 en 180 graden is de uitstraling minimaal. Als we de dipool als referentie nemen dan biedt deze antenne 0 dB (dBd) versterking op 90 en 270 graden. Mooier cijfers zal de fabrikant gebruiken door als referentie de "isotropisch" straler te nemen. Dit betekent dat indien we de beschikbare energie over een bol straling herrekenen dan ligt het niveau 2,15 dB lager. Anders gezegd, de dipool heeft een winst van 2,15 dB ten opzichte de isotropische straling (2,15 dBi simpel weg). Het nemen als referentie een dipool ( kan als basis voor alle antenne types gezien worden)

Bekijken we de zaak bij een andere antenne niet meer de 0,5 Ω dipool maar verlengd tot 10 Ω.
Bekijk aandachtig de figuur links maar probeer dit ruimtelijk voor te stellen. U merkt gebieden van sterke straling en van bijna nul straling. Op 90 graden zien we een zone zo goed als nul. Meerdere maximale lobes zijn het resultaat van deze verlenging. Het resultaat volgt uit de verdeling van de stroom langs de antenne.
Weet dat enkel de beschikbare energie anders wordt verdeeld en meer niet. We kunnen er ons voordeel mee halen. Dit gebruik maken is niet eenvoudig en meestal ondervindelijk te bekomen.
In de praktijk: eender welke lengte van antenne kan gebruikt worden. Het resultaat is meestal afhankelijk van experimenteren. Het aanpassen van deze antenne blijft een complex probleem. Hebt U een stuk draad dan hebt U een antenne.
Polarisatie :

een belangrijk begrip. Het ligt voor de hand, dat zonder cijferwerk, er aan beide kanten een gelijkaardige opstelling van antennes moet gebeuren. We doelen hier vooral de polarisatie. Bij minder gunstige opstelling wil dat niet zeggen dat er geen verbinding kan bestaan. Het minst wat men kan zeggen is dat er minder optimaal gewerkt wordt (minder ontvangst). We definieren drie manieren van polariseren :

1 - Horizontale polarisatie,
2 - Vertikale polarisatie en
3 - Circulaire polarisatie
Bij conventie is het elekrtisch veld die de richting van de polarisatie bepaalt. De twee velden staan loodrecht op elkaar en de voortplanting gebeurt volgens de fig hiernaast. De snelheid van verplaatsen is deze van het licht.

Omkeerbaarheid van karakteristiek van antennes :

Onze studie werd vooral van uit het oogpunt zender uitgevoerd. Wespreken van zend antenne. Rf van Uw eindstrap vloeit via de feeder (meestal coax) naar de antenne waar het RF vermogen naar elektro magnetische energie wordt omgezet en met de snelheid van het licht de ruimte wordt ingestuurd.
Deze energie valt Op een antenne en het omgekeerde vindt plaats. Elektromagnetische energie wordt elektrische RF en vloeit naar de ontvanger.

U doet er goed aan de antenne goed te verzorgen en oordeelkundig te kiezen vooral. Het is een relatief goedkope manier om maximaal uit Uw station te halen.


Mogen dit hoofdstuk voor U een aanzet zijn om verder in deze materie te gaan. Het loont, ook op financieel vlak. Deze stof zeker ver van volledigheid en zeker niet eenvoudig mogen we hier besluiten. Maar dit houd U niet tegen en dat weten we....
Ω

Terug naar RCL Home page.
Bewerking : ON4AWN, Herman Van Meerbeeck