Koppelen of combinatie van antennes :

De nummer twee van de mogelijkheden gaan we onderzoeken. Dit wil niet zeggen dat nummer één niet voorkomt. Maarwat te denken van een antenne voor de 144 MHz band van pak weg 10 m. Het kan als je prima breed denkende buren hebt of een groot grond bezitter. De mechaniek zal ook niet eenvoudig zijn.



Wat mogen we verwachten ?


Het is mogelijk om aan te tonen dat twee identieke antennes gekoppeld maximum 3 db winst kunnen opleveren. Dit wordt 6 db bij gebruik van 4 antennes. We kunnen zo verder gaan maar het wordt er niet eenvoudiger op. Deze maximale cijfers moeten gecorrigeerd worden. De koppel e

De nummer twee van de mogelijkheden gaan we onderzoeken. Dit wil niet zeggen dat nummer één niet voorkomt. Maarwat te denken van een antenne voor de 144 MHz band van pak weg 10 m. Het kan als je prima breed denkende buren hebt of een groot grond bezitter. De mechaniek zal ook niet eenvoudig zijn.





Wat mogen we verwachten ?

Het is mogelijk om aan te tonen dat twee identieke antennes gekoppeld maximum 3 db winst kunnen opleveren. Dit wordt 6 db bij gebruik van 4 antennes. We kunnen zo verder gaan maar het wordt er niet eenvoudiger op. Deze maximale cijfers moeten gecorrigeerd worden. De koppel elementen , coax , connectoren , het niet perfect zijn van koppeling.... mogen we eerder voor twee antennes spreken van 2,5 à 2,8 db wat toch niet te versmaden is.

Geen eenvoudige opdracht dat koppelen. Zoveel is zeker. Op papier klinkt het mooi maar in de praktijk zal de mis invloed op lobes van, stralen niet te vermijden zijn. Matig Uw verwachtingen, het kan....

Voor twee antennes is de keuze beperkt. Zoals hiernaast te zien hebben we een keuze uit vertikaal en horizontaal. Met 4 antennes zijn er meer combinaties mogelijk. Meestal zal hier een gemengde oplossingweerhouden worden. EME stations (Earth - moon - earth) verbinding zal dit soort montage gebruiken. U zal het merken, een lobe resultaat equivalent is zowel horizontaal alsvertikaal wordt verhoopt en ligt voor de hand. Het voorbeeld om communicatie via de maan te verwezenlijken met 4 antennes verkiezen we volgende mogelijkheden:
a) in H
b) ruit (of diamant).
Of dit hier nu duidelijk is is te betwijfelen. Koppelen in het vertikaal vlak zal de winst in dit vlak bevorderen. Horizontaal is de lobe nog breed. In regio met een wat groter dichtheid van zenders zal men veel station kunnen ontvangen maar moeilijker selecteerbaar (als het doel grote afstanden is toch) Koppelen in het horizontaal vlak geeft gelijkaardig resultaat maar in het andere vlak. Het moet gezegd, gekoppeld vertikaal ( antennes boven elkaar is mechanisch eenvoudiger. Combineren we beide dat worden beide voordelen gecombineerd en dat is interessant. Het resultaat benadert lobes geconcentreerd in beide vlakken.

Oppervlakte voor opvang :
Dit is een belangrijk begrip bij het koppelen van antennes. Men kan scchematisch zoals hier links voorgesteld de zaak bekijken. Een bepaald oppervlak vangt als het ware een bepaalde hoeveelheid energie uit de ruimte. U kan aanvoelen dat deze hoeveelheid energie zal van dat oppervlakte afhangen. Ook de winst van de antenne speet evident een grote rol.
Wat wiskunde kan wat doen opklaren: _

Met Ae in m2 , l in l en G de winst uitgedrukt ten opzichte een isotropisch straler. U merkt de invloed van de verschillende parameters. De winst zal in verhouding met de lengte van de antenne (boom) zijn.

Koppeling afstand


Nog niet zo lang geleden ging men empirisch te werk. Ervare mensen gingen er van uit dat de afstand van koppelen op 1/2 golf dient te gebeuren. Nu, in deze computer tijd weten we dank zij o.a. DL6WU meer over deze problematiek. De formule hierbij zal op basis van de openingshoek een en ander verduidelijken. Een betere compromis tussen winst en zij-lobes is een gevolg voor de wat langere antennes (>1,8 _).

l= is de golflengte in meter, Opt afst = de optimale afstand voor de koppeling in meter, en _ = opening hoek in ° maar in het gekozen vlak. Volgens DL6WU Gunter Hoch, de beste koppeling zal men bekomen als de oppervlakte van opvang samen komen zoals dit ieronder wordt

één antenne	horizontale koppeling	vertikale koppeling

Een paar voorbeelden zullen de invloed van de koppel afstand winst en straling lobes op elkaar hebben.

Eeen voorbeeld uit de praktijk is een veel gebruikte antenne in UHF, de Tonna 21 elementen, 6,7 l, met volgende openingshoeken:
1) Plan H :25° à -3dB
2) Plan E :24° à - 3dB

Volgens de formule van DL6WU moeten we in het vertikale vlak een koppeling afstand van 1,60m en 1,66m in het hoizontale vlak wat ons op 2.31 et 2,40 l brengt. We bekijken nu wat de gevolgen zijn las deze afstand te groot of te klein zou zijn.

Vlak E

Plan H

De blauwe lijn laat ons het straling patroon van twee 21 element antenne, gekoppeld in het vertikale vlak zien. De optimale afstand is 2,3 l. De oranje lijn geeft het zelfde weer maar nu op een afstand van 1,8 l. De winst wordt nu wat minder maar het is vooral de eerste zij lobe die vergroot. De andere zijn wat kleiner.

De gebruikte afstand geeft hier een goede compromis voor de zij lobe die kleiner zijn dan de optimale koppeling. De optimale winst wordt niet bereikt. Er is steeds een wisselwerking tussen die winst en zij- lobes..

De blauwe lijn is zoals hierboven van antennes op 2,3 l. De oranje lijn staat voor een koppeling op 2,5 l, dus groter dan de optimale koppeling. We zien een kleine vergroting van de winst (0,2 dB zowat). Tevens merken we een vergroting van de zij-lobes. Logisch toch dat we ons op de winst in de "main" lobe gaan concentreren.

Sommige zij lobes verminderen. Alles draait om de verkozen compromis met betrekking tot het gewenste resultaat. Een groter winst van een bepaalde lobe kan gewenst zijn als er rekening met de stralingshoek moet gehouden worden.
Dit is dikwijls het geval wanneer een bijna NUL als stralinghoek met het aardoppervlak gewenst wordt.

Het spreekvoor zich dat als we twee antennes zondermeer aan elkaar koppelen dat we een impedantie van bv: 25 W bekomen (in het geval dat twee antennes van 50 W gebruikt worden. Het komt er dus op aan om een aanpassing systeem te gebruiken waarmee dit probleemopgelost wordt. Remember de transmissielijnen. Daar van weten we dat een kwart golf (elektrische lengte wel te verstaan) vertaald wordt door volgende formule:


met Z0 impedantie van die lijn (kwart golf)
Z1 : impedantie aan een kant van de lijn bv: antenne)
Z2 : impedantie aan de andere kant (de voeding kabel mogelijk de coax)


In het geval van twee antennes van 50 Ω die we wensen te koppelen. We gebruiken een coax van 50 Ω aan één kant en aan de andere de 25 Ω van de twee in parallel geschakelde antennes. De impedantie van de kwart golf lijn zal van een impedantie moeten zijn opdat wat hoger verteld werd (wortel uit het product van de impedanties aan beide kanten: Vierkantwortel (50x25) = 35 Ω. 
U kan: - aankoopbij Tonna van een goed aanpassing stuk (andere types kunnen even goed)

De afbeelding hiernaast kan een te volgen model zijn van zo een koppeling. Lucht dient als diëlektricum met "velocity" factor 1 (rekent gemakkelijk). Afmetingen van de buiten buis en binnen zijn belangrijk en moeten precies gemaakt worden vierkant of rond, het kan). De lengte bedraagt natuurlijk een kwart golf. De hierna volgende figuur geeft de formule weer die te gebruiken valt.:

Andere koppeling modellen bestaan eveneens maar steeds volgens dit type besproken vb: (l/4 l+ l/4l). Hiervoor verwijzen we naar gespecialiseerde literratuur.

Door gebruik te maken van soepele coax , connectoren en een "T" koppeling hoeft U geen fijn mechanieker te zijn. Volgt nu het principe:

• • De beide te koppelen 50 Ω antennes
  • De tranciever vertoont een uitgangs impedantie van 50 Ω
  Als voeding kabel een coax van 50 Ω

Links ziet U hoe een en ander in zijn werk gaat. Als we het al een probleem kunnen noemen dan is dit het parallel koppelen van twee 50 Ω antennes waarvan we weten dat het resultaat elektrisch 25 Ω is. Verkeerd dus want onze voeding coax is nu eenmaal 50 Ω. We gaan gebruik maken van een kwart golflengte coax want daar weten we van dat zo iets als een transfo om de impedanties aan te passen. Let er wel op dat we werken met elektrische golflengte.

We gaan verder :

Aan de "T" connector wensen we de 50 Ω te bekomen. Juist op deze plaats moeten we, als twee systemen bij elkaar komen, en 50 Ω bekomen er aan de ingang twee maal 100 Ω in parallel moeten zien (100//100 = 50). A Aan de andere kant van elke voeding van elke antenne zie we natuurlijk 50Ω.
De kwart golf lijn tussen antenne en "T" connector zal een kwart golflengte lang ( of onpaar veelvouden) om de impedanties aan te passen. Onderstaande formule wordt toegepast :

Zo = karakteristieke impedantie van de kwart golf coax (transfo)
Z1 = Impedantie van de antenne
Z2 = Impedantie aan het aansluitpunt "T"
We berekenen :
Zo = wortel (vierkant) van (50x100) = 70,7 Ω.
Haha toevallig en maar gelukkig vinden we 75 Ω  en daar kennen we wat van.
De afwijking is klein en een TV coax of ander type van 75 Ω is niet moeilijk om vinden.

We herhalen: we hebben behoefte aan coax van 1 op golflengte of onpaar veelvoud hiervan maar dan wel op elektrische lengte. We houden rekening met de "velocity" factor (invloed van snelheid van voorplanting). Herzie dit hoofdstuk als dat nodig is. We gaan nu een voorbeeld uitwerken op 2 meter of 144 MHz :

Nu de praktijk. We knippen zorgvuldig 0,343 m om een onpaar veelvoud. 0,343 is op papier mooi maar denk eraan dat afknippen kan maar niet aanknippen, dus zorg. Als alles goed zit hebt U voor weinig geld een goede aanpassing van twee standaart antennes aan de 50 Ω coax voeding en uitgang van Uw zend/ontvanger.

• Zeker, U moet rekening houden met de lengte van de connectoren.
• Het "T" stuk speelt ook hier de zelfde rol en moet van zeer goede kwaliteit zijn. Dit is des te meer waar voor de zeerhogefrequenties en vergroot het probleem in depraktijk.
  
  

Het volstaat niet om het werk elektrisch correct uit te voeren dat Uw samengestelde antenne naar Uw wens zal werken. De richting als voorbeeld kan een niet gewenste kant opgaan. Oorzaak moet gezocht worden in de faze waarbij de onderdelen worden gevoed. Een niet erg precies gebouwde coupler zal inwerken op de faze en het uitgestraalde veld verstrooien. De tekeningen hieronder verduidelijken een en ander.  

• • 1) In weze correct maar de dipool werd omgekeerd geplaatst.
  • 2) Duidelijk dat de lengte van de twee delen niet identiek en dus een fout in faze zal als gevolg hebben
  • 3) Juiste opstelling

Het komt er enkel op aan dat beide delen absoluut de zelfde lengte hebben. De lengte op zich speelt geen rol. Een korte uitleg: De antenne 50 Ω wordt door een

coax van 50 Ω aan het "T" stuk verbonden. Dus aan dat stuk zien we terug 50 Ω. Voor de andere kant is dat idem. De eigenlijke koppelaar, commercieel of zelfbouw, ziet op de ingang 25 Ω. De kwart golf koppelaar (of onpaar aantal) doet de rest als transformator van 25 Ω naar 50 Ω. Meer is er niet.
Wat hier werd verteld is geldend voor de vast uitgevoerde commerciële versie. Zoals gezien hoger werkt de koppelaar met coax iets anders. De 50 Ω van de antenne wordt naar 100Ω gebracht (door een kwart golf 75 Ω coax) en door de paralle schakeling terug op 50 Ω getransformeerd. Het moet duidelijk zijn dat nu de lengte van beide stukken coax naar de antenne zelf niet alleen precies identiek maar ook in lengte afhankelijk is met de golflengte.

Als we als modale radio amateur over één antenne mast of piloon kunnen beschikken zijn we meestal tevreden. Maar we wensen toch ook op verschillende banden ons plezier te vinden. Een HF, VHF, UHF en andere , dat is wat we graag hebben. U voelt het weer moeilijkheden maar met wat kennis van zaken best mee te leven. Ideaal zal het nooit zijn maar wat is ideaal. In ons voorbeeld houden we ons aan een HF en VHF beam antenne. Elke antenne heeft een oppervlak van ontvangst omgekeerd evenredig met de antenne. De fig. hieronder toont dit aan..

Zorgen dat deze oppervlakte niet elkaar gaan snijden lijkt voor de hand want zeker is dat één antenne invloed op de andere zal hebben. Is onze mast groot genoeg dan kunnen we er naar streven. Zie ons voorbeeld hier links. Is dit niet mogelijk dan moeten we wel naar een compromis zoeken.



Deze compromis zien we in volgende tekening. Het oppervlak van de VHF antenne ligt nu wel in dit van de HF antenne. Er zal antenne beïnvloeding van de ene op de andere zijn. 

Gebruiken we nu nog een 70 cm antenne , ja dan wat? Het wordt er niet eenvoudiger op. Wat U moet weten is dat ditinderdaad zo gebeurt, en begrijp dat meestal de gevolgen negatief maar het gebruik niet uitsluit. In de realiteit kan U ervaren dat de dingen niet steeds als verwacht gebeuren, maar dit kan het plezier verhogen, resultaten zijn soms verassend.

U hebt alles mooi uitgedokterd en gebouwd maar Uw lokatie in een bepaalde richting is ongelukkig want een niet gewenst antenne signaal komt langs de achterkent Uw plezier bederven. Vervelend maar U kan er wat aan doen volgens dit principe

Bekijk hiernaast een opstelling. U merkt dat beide antennes een kwart golf ten opzichte van elkaar verschoven zijn. De voedingslijn voor de bovenste antenne is een kwart golf langer (elektrisch). Voor de voorwaards invallende signalen is er geen faze verschuiven. De bovenste antenne ontvangt zijn signaal een kwart golf vroeger maar de één kwart langere coax vertraagd en compenseert dit. Aan de achterkant daarentegen wordt één kwart golf vertraging door de plaatsing van de antenne, en een bijkomende verschuiving gevolg van de langere coax opgetekend. Beide signalen zijn 180° verschoven en zullen een annulering als resultaat hebben. In de praktijk zal als alles goed gaat tot 40 db bekomen worden, wat toch een goede verbetering betekend.