Theorie van de Buddipole

Buddipole

BuddipoleTheorie van de Buddipole

Zoals inmiddels wel bekend zijn Hugo PA2HW en ik bezig om de Buddipole portable antenne na te bouwen. Omdat ik eens wilde weten hoe zo'n antenne zich zou gedragen, downloadde ik het programma MMANA waarmee je antennes kunt modelleren en hun gedrag kunt bestuderen. Ik voerde alle frequenties van 7 tot 50MHz in om te kijken hoe de antenne zich zou gedragen. Een eye-opener…

 

Degenen die mijn lezing over HF antennes bijgewoond hebben kunnen zich vast nog wel herinneren dat ik een grafiek heb laten zien die het verband toonde tussen de hoogte van een antenne en zijn opstralingshoek. Ter herinnering hier nog een keer het plaatje:

antennehoogte

Als we deze grafiek bestuderen, dan is te zien dat voor een antenne die (minder dan) een kwart golflengte boven de grond is geplaatst, de opstraling vrijwel vertikaal is. In zo'n geval spreken we van NVIS: Near Vertical Incident Skywave Propagation. Hier is sprake van opstralingshoeken van 70 tot 90 graden met F-laag reflectie. Het is een luchtgolf propagatie zonder de gebruikelijke skip-zone. Dit soort propagatie wordt meestal gebruikt met bescheiden vermogens en regionale tot plaatselijke communicatie over afstanden tot 450km.

Duitse grondtroepen gebruikten NVIS techniek in WO-II. NVIS werd door het Amerikaanse leger bestudeerd en toegepast in Vietnam. Bestuurders van militaire voertuigen ontdekten dat hun HF-sprieten soms beter werkten als ze horizontaal werden gehouden.

Amateurs hebben NVIS-propagatie en technieken al minstens 12 tot 15 jaar bestudeerd. Iedereen die wel eens een horizontale antenne met minder dan 1/8-ste golflengte vanaf de grond heeft gebruikt, werkte zonder het te weten met NVIS.

De theorie is eenvoudig. Als een horizontale antenne 1/2 golf of hoger van de grond is heeft deze een brede lage-hoek afstraling. Dit is een goede DX-antenne, met versterking in de lage hoek en een brede skip-zone. De conventionele amateur praktijk is altijd geweest om een horizontale antenne zo hoog mogelijk te hangen, om de gelegenheid voor DX uit te buiten. Maar voor regionale netten en QSO's geeft dit problemen wegens de skipzone.

Als de dipool wordt verlaagd naar een 1/4 golf hoogte, verdwijnt de lage-hoek afstraling en het grootste deel van het vermogen wordt omhoog gestraald in een brede lob. Op een hoogte van 0.15 tot 0.2 golflengte kan een gain bereikt worden van 7 dbi. Vergelijk het met een zeer sterke zaklantaarn die recht omhoog naar de wolken straalt. Het door de wolken gereflecteerde licht wordt kilometers in de rondte gezien. Een horizontale antenne op minder dan 1/8-ste boven de grond geeft hetzelfde resultaat. We veroorzaken in de F-laag een brede HF-reflectie, die in de gehele regio te ontvangen is. NVIS propagatie heeft het voordeel van zeer lage pad-verliezen wegens de korte vertikale reis door de vochtige atmosfeer. De vertikale route is 600 tot 900 kilometer, waarvan maar 20 tot 30 kilometer in de vochtige atmosfeer. Nog een mooi effect van de NVIS vertikale lob is, de afname van atmosferische storingen aangezien deze statics vooral binnen komen onder een hoek beneden de 15 graden. Hoe smaller de vertikale lob, hoe minder de ruis. Dit kan worden verkregen door de antenne zolang te verlagen tot de beste signaal/ruis verhouding is bereikt.

Maar elk voordeel heeft zijn nadeel, zoals Johan Cruyff ons al voorhield. Dat zit 'm in dit geval in de impedantie van de antenne. Ook hier had ik een mooi grafiekje van dat ik hier nog een keer zal tonen:

impedantiegrafiek

Hier is goed te zien dat voor een antenne die minimaal een kwart golflengte boven de grond hangt, de impedantie schommelt tussen de 57 en 95 Ohm, wat een staandegolfverhouding van beter dan 1:2 oplevert.

De Buddipole kent twee statieven: een van 2.40m (de standaard uitvoering) en een van 4.80m (de extra hoge uitvoering). Aan de eis van een kwart golflengte boven de grond wordt dus alleen maar op de 10 meter band voldaan. In alle andere gevallen is de hoogte veel minder dan een kwart golflengte en dus mag een zeer lage impedantie in het voedingspunt verwacht worden. Let wel: dat is boven een ideale grond. In de praktijk zal dat wel wat gunstiger uitpakken.

Nu de berekeningen. Ik modelleerde de antenne in MMANA als een segment van 0,5 meter, dan een "load" (zelfinductie in dit geval) en vervolgens de telescoopantenne van maximaal 3 meter. Voor de hogere banden liet ik de spoel weg en optimaliseerde alleen de lengte van de telescopen, en voor de lage banden nam ik de maximale lengte van de telescopen en optimaliseerde de spoelen. Dat leverde de volgende uitkomsten op:

 

Frequentie L Telescoop Zx SWR N
           
51.000 0 0.94 91.90-j0.82 1.84 0
28.500 0 2.02 77.63+j14.98 1.65 0
24.940 0 2.36 65.05+j7.01 1.34 0
21.200 0 2.86 51.70+j3.70 1.08 0
18.080 0.85 3.00 32.61-j1.12 1.53 3.3
14.150 3.28 3.00 17.94-j3.30 2.80 8
10.110 9.15 3.00 15.52+j0.17 3.22 16.5
7.050 21.6 3.00 20.93+j0.29 2.39 32

Ik heb een aantal frequenties gekozen die redelijk in het midden van de te gebruiken amateurband liggen, en daar met de waarden gespeeld. De gebruikte antennehoogte is hier 2.40m, overeenkomend met de standaard Buddipole mast (en een waarde waar mijn fotostatief plus steunmast ook op uit gaat komen). Waar de spoel (L) nul is, is met de lengte van de telescoopantennes gespeeld. Let wel: de totale antennelengte is 0,5 meter per segment meer omdat ik wel de steunbuizen mee heb gerekend – zie ook het forum voor de foto's. Voor de bodem is een redelijk gemiddelde aangehouden met een dielectricum van 5 en een geleiding van 1mS/m.

De kolom Zx geeft de berekende complexe impedantie van de antenne bij de gegeven frequentie, en de kolom N geeft het aantal windingen wat op de 50mm spoelvorm met een spoed van 3mm gelegd (of gekozen) moet worden om de gewenste inductie te bereiken.

Zoals te zien is, volgt de SWR vrij aardig het plaatje in figuur 2. Bij antennehoogtes van een kwart golf of meer is de SWR altijd beter dan 1:2. Maar op de lage banden gaat het mis… Dat begint al bij 20m (waar "laag" dus relatief is, HI) waar de staandegolf verhouding oploopt tot 2.8 als gevolg van de reeele impedantie van bijna 18 Ohm. Op 30m is het nog erger. Verhoogde ik in het programma de mast tot 5 meter, dan ging de SWR terug naar 2.15. Een duidelijk hoogteprobleem dus.

Vandaar dat Buddipole zelf aanbeveelt om de TRSB (Triple Ratio Switched Balun) toe te voegen aan je arsenaal accessoires. Door de omschakelbare impedantietransformatieverhouding van 50:50, 50:25 en 50:12,5 is dan de beroerde SWR van de lage banden aan te passen. Kijk maar naar de tabel: als we op 20m de 50:12,5 stand selecteren, dan wordt de impedantie dus een factor 4 opgetransformeerd, ofwel 17.94 maal 4 is 71,76 Ohm en dat levert een SWR van 1.4 op. Hetzelfde voor 30m: bij een factor 4 transformeren wordt de SWR 1.3. En bij 40m kies je de 50:25 stand, dus een factor 2 wat een SWR van 1.2 oplevert. Een mooi resultaat. Wat Buddipole niet met zoveel woorden zegt, maar wat wel blijkt uit de berekeningen, is dat je voor de lage frequenties eigenlijk niet zonder die balun kan. Die moeten we dus ook nog even namaken HI.

Hoe is de stroomverdeling in de antenne? Ook dat laat MMANA mooi zien. Ik maakte er een screenprint van:

Stroomverdeling

De blauwe lijn geeft de stroomverdeling aan in de antenne. De meeste stroom loopt dus in de segmenten voor de spoelen; daarna loopt de stroom af naar het uiteinde toe, waar uiteraard geen stroom kan lopen, maar wel spanning kan staan. Indien de spoelen niet gebruikt worden (en bij toepassing van de 3m telescoopantennes is dat vanaf 18Mhz ofwel 17m) is het verloop uiteraard netjes sinusvormig.

Tot slot nog de berekening van de afstraling met bijbehorend plot:

Stralingsdiagram

Zoals in het plaatje te zien is de afstraling, zoals te verwachten was, vrijwel vertikaal. Deze antenne leent zich dus uitstekend voor regionale kontakten. Dat wil niet zeggen dat DX uitgesloten is, maar daar is de opstralingshoek niet naar. Overigens is mijn antenne thuis een draad van 10 meter horizontaal naar de dichtsbijzijnde gemeenteboom op een hoogte van 5 meter, en daar heb ik op 40m de hele wereld op gewerkt, tot Australie aan toe. Volgens de bovenstaande theorieen en grafieken heb ik dus met die draad, die op 1/8 golflengte boven de grond hangt voor de 40m band, een vrijwel vertikale opstraling. En desondanks heb ik verbindingen gemaakt met Australie, Japan en de VS.

De conclusie: de Buddipole heeft in theorie alles in zich wat 'm perfect maakt voor portable gebruik. Maarrrrrr…. De TRSB is eigenlijk onmisbaar voor de lagere frequenties. Zodra ik daar iets moois voor gebouwd heb, zal ik het hier weer beschrijven. Heb je een antennetuner in je portable set, dan trekt die de SWR wel recht. Zelfs een FC30 lukt dat nog…