Een Inverted L Antenne met Top Laadspoel voor LPAM zender
Van Karel ontving ik een vraag over de berekening van een Inverted L Antenne met top laadspoel.
Hij schrijft:
“Ik wil hier in Groningen gaan uitzenden op de frequentie van 1332 kHz (1,332 MC). Dat is een golflengte van 300/1,332 = 225,2 meter (Middengolf). Een antenne met een kwartgolf lengte wordt dan 56,3 meter lang.
Nu ga ik een inverted l antenne bouwen en 56 meter is voor mij onhaalbaar en dus moet ik een spoel plaatsen om die kortere antenne toch in resonantie te krijgen.
Hoe kan ik die spoel berekenen die ik in de top van de top van het stralerdeel van de antenne wil plaatsen?
Kun je mij helpen zodat ik het begrijp?"
Hij vervolgt met: "Ik had gedacht te berekenen 300:1,332:4 =56,30 meter kwartgolf.
Mijn straler verticaal wordt 16 meter en de horizontale lijn wordt 10 meter. Van deze 56 meter trek ik de 16 m straler plus 10 m topcapaciteit dat is samen 26m vanaf. Er blijft dan 30,30 meter over, dit is de lengte draad wat ik op de spoel ga wikkelen en boven in de knik van de L plaats.
Maar ik hoorde dat dit niet klopt in verband met de inductie van de spoel. Ik heb geen ervaring met antenne techniek maar probeer erg mijn best te doen om het te leren gezien het best ingewikkeld is voor een leek.
Groet Karel”
Een Inverted L Antenne met Top Laadspoel
Voorgaande berekening van Karel klopt niet
Inderdaad, die berekening van de laadspoel klopt niet. En dat komt doordat draad die je op een spoel wikkelt een veel hogere inductie genereert dat een vrij-hangende draad. Die windingen op een spoel versterken elkaar doordat ze in elkaars veld werken.
Voor dit project is daarom een Antenne Analyzer nodig, Er zitten namelijk 2 complicerende elementen in dit project.
- Toploading. Toploading is de betere keuze maar moeilijker te implementeren.
- Top capaciteit. Ook dit is de betere keuze maar ook dit is samen met die spoel moeilijker implementeerbaar.
Er zijn twee analyzers op de markt die voor een amateur betaalbaar zijn,
Antenne analyzers
De Nano VNA
Even Googelen en je vindt ze al voor 6 tientjes op Chinese sites. Veel amateur trappen in die valkuil. Het is Chinees speelgoed, verre van professioneel in de afwerking maar de software kan echt heel veel.
Als jij iemand bent die er geen been in ziet om wekenlang het Internet af te struinen:
- omdat jij een bepaalde meting wil doen maar ”hoe dan”
- of je doet een meting maarde uitkomsten lijken niet te kloppen, wat gaat er fout?
Dan kan dit je keus zijn.
Houd er rekening mee dat de aansluitingen ook poppenspul zijn en niet passen bij een antenne waar je flink vermogen in wil sturen.
En laat hem niet vallen op een harde ondergrond. Daar kan hij niet tegen.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
De RigExpert AA 35 ZOOM
Dit apparaat is veel robuuster en super eenvoudig te bedienen. Alles wat je nodig hebt kan er mee. Het is Europees fabricaat. Hij is een beetje duurder en zijn geld zeker waard.
Mijn ervaring is dat iedereen er snel mee aan de slag is.
Alle functie die je nodig hebt zoals SWR meting, impedantie meting etc. zitten er op. Ook de antenne connector is degelijk en van het formaat dat bij je zender en antenne past.
Een iets meer uitgebreide toelichting over hoe je zo’n RigExpert toepast bij de ontwikkeling van je antenne lees je in het artikel: Een LPAM Antenne.
Je Antenne spoel voorbereiden
Je start met het meten van de impedantie en of die impedantie capacitief, neutraal of inductief is. Dat doe je met de Smit Chart meting.
Voer die meting uit aan de uitgespannen antenne zonder topspoel en zonder de coax kabel die van het PI-filter (de tuner) afkomt.
Nu kun je er gif op innemen dat de uitkomst hiervan is: hoge impedantie, laten we zeggen 100 ohm en capacitief dat is dan bijvoorbeeld -J10
De grap is dat je alleen met een spoel nooit op 50 ohm uitkomt bij de frequentie die je wilt. Maar dat los je op via de methode zoals uitgelegd in de LPAM Antenne (de les van Anitha) en zo vind je de juiste capaciteit en inductie die je moet toevoegen voor resonantie in je antenne op 1332 kHz.
In het geval van Karel hoeft hij zich niet sterk te focussen op die 50 ohm. 30 ohm of 80 ohm of nog meer is ook goed. Waarschijnlijk zal de impedantie met de laadspoel in top uitkomen op 70-100 ohm. Die hoger imedantie is vervelend want wordt veroorzaakt door grond verliezen. Hierover meer bij de sectie over radilalen en grondverliezen.
Hoogst waarschijnlijk kunnen we met alleen een laadspoel in de top volstaan en hoeven we geen capaciteit toe te voegen.
Waarom niet?
Roeien met de riemen die je hebt
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
Karel heeft me laten weten dat hij de beschikking heeft over een ‘antenne tuner’ overgenomen van een collega amateur. Die tuner, een ruim instelbar Pi-filter, moet zijn zender kunnen afstemmen op zijn antenne.
De grootste kracht van deze tuner is de aanwezigheid van een antenne-stroom-meter. Daar gaan we gebruik van maken.
Wil je zelf zo’n antenne tuner bouwen?
Moeilijk is dat niet hoor. Hierbij het ontwerp schema van zo’n tuner, een afstembaar PI filter.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
Bij een buizenzender, ook nog een die zo dicht op de antenne geplaatst staat zou je een andere aansluiting tussen zender en antenne kunnen overwegen omdat daarmee een groter bereik kan worden gerealiseerd.
Hoe?
Je leest daar alles over het artikel: Meer bereik uit een te kleine antenne
Voor Karel kan dat interessant zijn voor latere overwegingen en experimenten richting grotere bereik zonder dat je meer power in je zender nodig hebt en zonder grotere en hogere antenne.
Voor nu gaan we verder met aansluiting van de antenne op de tuner.
Impedantie niet heilig maar wel belangrijk
We ontkomen met de tuner niet aan een loading coil want we moeten we de antenne in resonantie zien te krijgen.
Maar dankzij de korte coax die we in dit geval nodig hebben kunnen we wel wat zondigen tegen de standaard van 50 ohm zonder dat dit tot aanpassingsverliezen in die coax gaat leiden.
Hoe dat kan?
De karakteristieke impedantie van coax gaat gelden op het moment dat de lengte van die coax kabel minimaal overeen komt met de een kwart golflente van je signaal.
Dat signaal is hier 1332 kHz = 225 meter.
Op een stuk coax van 3-4 meter kan zich dus geen golf vormen. In dit geval is de momentele spanning aan het begin van de coax leiding hetzelfde als aan het eind van die leiding.
Voor een goede afstemming is nu alleen belangrijk dat we de bron-impedantie (de tuner) afstemmen op de antenne impedantie.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
De laadspoel
Stel nu even voor dit voorbeeld dat de RigExpert met de Smith Chart meting -J10 aangeeft voor de kale antenne zonder laadspoel. En de R.X meting geeft aan dat er voor resonantie 50 µH inductie bij moet.
Overigens, die RigExpert gaat uit van een antenne impedantie van 50 ohm.
In het artikel: tooltjes voor antenne spoel berekeningen lees je hoe je aan hierbij passende spoel kunt samenstellen.
Gebruik voor de windingen geëmailleerd wikkeldraad van 0.5 mm dik. Dus geen antenne litze. Meer toelichting over de spoel volgt verderop.
Maak die spoel zo licht mogelijk zodat we zo weinig mogelijk gewicht aan die spiderbeam komt te hangen (meer informatie over die spiderbeam verderop).
Gebruik bijvoorbeeld liever geen PVC buis maar een veel dunner en dus lichter pvc medicijn busje of zoiets. Of zoek iets bij de Hema of de Action dat sterk en lichter is.
Witte pvc afvoerpijp is overigens uitstekend materiaal maar in verband met de dunne top van de spiderbeam zie ik liever lichtere mogelijkheden.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
Criteria voor de spoelvorm:
Gooi hem een minuut in de magnetron op volle kracht. Hij mag niet warm worden. Lauw mag bij deze frequentie wel.
Gooi hem daarna in een bak gloeiend heet water. En laat hem 1 minuut daarin. Hij mag niet zachter of week gaan aanvoelen.
Doorstaat je nieuwe spoelvorm materiaal deze test? Dan oké, anders weg ermee en verder zoeken, desnoods toch maar die 40mm witte PVC buis van de bouwmarkt nemen.
De laadspoel, loading coil
Op de afbeelding zie je de kernonderdelen van die spoel.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
Laten we er van uitgaan dat de meting met de RigExpert aangaven dat je een spoel nodig hebt van 50 µH.
Als we een spoelvorm hebben van 40mm en we wikkelen over een breedte van 23 mm met wikkeldraad van 0,5 mm dan geeft de tool aan dat er 36 windingen nodig zijn.
Let op!
We gaan 41 windingen aanleggen. Bij 31 windingen maken we een aftakking, bij 34 windingen weer, bij 37 windingen één en dan nog een bij 39,5 windingen.
Waarom?
De praktijk is gruwelijk en wijkt vaak af van wat je bedenkt en berekent. Windingen van een spoel afhalen is nog wel te doen maar erbij brengen is schier onmogelijk. We doen het anders.
We starten met de spoel in de lucht met een aftakking op de 37e windingen naar de draadlip aansluiting waar de straler is aangesloten.
Blijkt in de praktijk dat je meer of minder inductie nodig hebt dan is dat eenvoudig te regelen door de soepele draad van de 37e winding los te solderen en hoger of lager vast te solderen.
Hoe je zo’n spoel met aftakkingen maakt staat op diverse plaatsen op deze site beschreven. Een praktische video instructie. Bijvoorbeeld op: Een spoel met aftakkingen maken.
Spoelvorm
Neem voor de spoelvorm een lengte van 2,5 * de breedte die je voor het aantal windingen nodig hebt.
Breng aan beide uiteinden op 8mm van de kant twee gaatjes van 3 mm aan. Eén voor de bevestiging van een draadlip en één voor een tyrap lus waaraan de antenne draad gaat hangen.
Straler bevestiging
De soldering van de straler draad mag niet met ‘trek’ belast worden. Dat lossen we op door de straler de antenne litze op 12 cm van het einde dubbel te vouwen. Zet daar een tyrap op zodat je een lus krijgt van een cm of drie. Trek die tyrap knoert strak vast.
Neen een tweede tyrap en haal die door de lus van de straler. Haal die tyrap door het tweede gat dat je op 8 mm bam einde van de spoelvorm hebt geboord en houd die tyrap in een lus van enkele cm. Dus niet strak aantrekken. Zie voorgaande tekening.
De straler zal nu aan de spoelvorm gaan hangen via de tyrap en de antennedraad aansluiting zal geen stress ervaren.
Maak op een dunne schroevendraaier een koperdraad wartel zoals op de tekening. Schuif die over het blank gemaakte eindstuk van de straler en schuif ze samen over de draadlip die je aan de spoelvorm hebt bevestigd.
Voeg ook de soepele draad die vanaf de 37e aftakking komt in de wartel.
Neem een zware soldeelbout van minimaal 100 watt. Stook die goed warm en laat die wartel met de draden en de lip daarin lekker vollopen met tin.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
Topcapaciteit bevestigen aan de loading coil
De werkwijze die je hier volgt voor bevestiging van de litze antennedraad is exact hetzelfde als aan de straler kant. Met één verschil.
Aan deze zijde werk je het begin van de spoel eenvoudig direct af op de soldeellip die je ook aan deze zijde monteert.
Hang die spoel in de top van je straler en meet nu opnieuw je antenne.
De belangrijkste uitkomst is nu: resonantie op jouw frequentie en een impedantie van 25 ohm of meer.
Heb je dat bereikt gebruik dan een spuitbus blanke transparante lak. Een lak met hoge UV weerstand bestendigheid. Spuit twee comfortabele lagen van die lak over je spoelconstructie.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
De antenne tuner gebruiken
Zet een draaggolf op de tuner en regel hem af op maximale antenne stroom.
Zo simpel is het.
Nu is er één valkuil
Die valkuil is dat de antenne die stroom afneemt op 2664 kHz of mogelijk 3996 kHz i.p.v. op de gewenste 1332kHz. Dat risico is vooral afhankelijk van de kwaliteiten van je zender. En natuurlijk ook van je antenne want die blijft te kort voor de frequentie waarop je uitzend.
Je constateert dit euvel eenvoudig op een radio met S meter of bijvoorbeeld met een SDR ontvanger met S meter.
Heb je last van dit euvel dan moet de tuner harder gaan werken (meer capaciteit aan de zender kant en meer inductie in serie). Dat kost dan wat antennestroom maar die stroom bleek in dit geval een illusie dus dat geeft niet.
De tuner moet geaard worden aan het radialennetwerk en de aardpen.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
Aardpen en radialen
De aardpen gaat idealiter tot het grondwater en meet dan een aardweerstand van minder dan 1 ohm. Dit is belangrijk want in de aardweerstand kan veel zendenergie verloren gaan. Daarom hoe lager die weerstand des te beter.
Hoe diep die pen daarvoor moet gaan is in iedere situatie weer anders. Bij mij moesten ze 26 meter diep gaan om op 0,5 ohm uit te komen. Op sommige plaatsten moet je dieper maar in een drassige bodem kan 10 meter ruim genoeg zijn.
Radialen
Probeer de radialen in stervorm vanaf de straler uit te rollen. Ook hierbij letten op lengte. Een lengte van ¼ *225 meter = 56 meter geeft de beste aanpassing. Zestien keer 6 meter is niet optimaal maar kan ook.
De radialen hoeven niet strak recht te liggen. Meanderende radialen zijn prima. Zestien keer 9 meter meanderende radialen is beter dan 16 * 6 strak liggende radialen. Heb je ruimte genoeg gebruik dan rustig 25-50 meter voor je radialen.
In negen van de tien gevallen hebben we als amateur te weinig ruimte voor een goed radialien netwerk. Een netwerk dat past bij een Middengolf zender. Het gevolg daarvan is een hogere antenne impedantie (60-100 ohm). Die hogere impedantie wordt veroorzaakt door grondverliezen. Onvoldoende radilaal capaciteit.
In die grondverliezen gaat een deel van je antennevermogen verloren. In de praktijk kunnen we daar meestal weinig of niets aan veranderen.
Als je de radialen onder de grasmat legt, leg ze dan niet dieper dan 5 cm. Gebruik dan ook geïsoleerde draad, bijvoorbeeld 1,5 mm2 zwart installatie draad.
De beste radialen oplossing!
Elevated radials aan de voet van de straler. Vier vrij hangende radialen aan de voet van de straler van 6-10 meter. In deze situatie is dat op 3,5 meter hoogte. Dus op de hoogte van het coax aansluitpunt bij de straler.
Je loopt er onderdoor. Ze hinderen niemand.
Laat deze radialen onder een hoek van 90 graden vier kanten op spannen. Twee zouden op de hoeken van de woning vastgemaakt kunnen worden. In de situatie van Karel twee mogelijk aan een boom achter het huis/de tuin.
Deze boven de grond aangebrachte radialen werken veel beter dan ground radials en daarom is 4 stuks genoeg.
Constructie / spiderbeam
De spiderbeam van Karel is een 18 meter versie, De top twee meter worden niet uitgetrokken omdat die te dun en te buigzaam zijn. Door deze stukken in de sectie daaronder te houden wint ook die sectie aan stevigheid.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
Ik heb de spider in de tekening hierboven 1,5 meter van de grond getild. Dat levert 1,5 meter winst aan stralerlengte op.
De straler verlengen door hem lager aan te sturen zoals Karel op zijn eerste tekening deed heeft geen zin. De meeste straling vindt onderin plaats en botst dan zo tegen schuur, omliggende beplanting en huis onder het balkon aan.
Daarom voedt de coax de straler pas op minimaal 3,5 meter hoogte. Maak dat voedingspunt stevig vast aan de mast zodat de top van de mast het gewicht daarvan en het gewicht van de coax niet hoeft te dragen.
Om toch een stevige constructie te krijgen komt er onder de mast een balk te staan van 1meter 75 hoog en 15-20 cm vierkant. Die balk met stevige bouten vastmaken aan het schuurtje.
In de top van die balk laat je door een timmerwerkplaats een gat boren van 74mm (precies passend om de voet van de mast, de spiderbeam, en 25 cm diep. Daar plaats je de spiderbeam in.
Voor je dat doet plaats je op 8 cm van de bodem van dat gat een boorgat dwars door de balk geen. Neem een boormaat van 15 mm.
Op 15 cm van de bodem van dat gat nog zo’n boorgat dwars door de balk heen. Dit keer ook dwars door de voet, het onderste stuk van de spiderbeam.
Pas op!
Boor eerst het gat door de balk. Daarna de voet van de spiderbeam in het verticale gat en nu met een scherpe boor van 10mm voorzichtig ook dwars door de voet van de spiderbeam heen.
We moeten het nu eerst even over scheerlijnen, guy lines hebben.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
Scheerlijnen, guy lines, tuidraden
De spiderbeam is een mast die ontwikkeld is voor gebruik in het veld. Niet echt een mast voor een vaste opstelling bestand tegen weer en wind.
Dat wil niet zeggen dat deze mast ongeschikt is voor een vaste opstelling. Het kan wel maar dan zijn enige waarborgen ter versteviging van de constructie wel van belang.
Montage hulpmiddelen voor de spiderbeam
Het is absoluut noodzakelijk om de telescopische elementen veilig vast te zetten zodat ze niet naar beneden glijden. De fabrikant van de mast levert daarvoor met rubber beklede roestvrijstalen klemmen. Die moeten gebruikt worden en stevig worden vastgezet.
De fabrikant beveelt voor tijdelijk gebruik in het veld scheerlijnen. Hij levert daarvoor zogenaamde guy belts. Voor de 18 meter mast levert hij er 2.
De 52mm band rust op de bodem van het 5e segment (= ca. 7m hoogte). De 32mm band rust op de bodem van het 9e segment (= ca. 13m hoogte).
Mijn advies is om ook de belts voor een 26 meter mast te kopen. In die laatste set zit een 36mm belt die op de 18 meter mast ergens op de bodem van het segment rond 11 meter zal uitkomen.
Scheerlijnen /tuidraad
Ik gebruik al jaren Polypropyleen touw. Polypropyleen wordt op zeilboten gebruikt en is sterk en soepel. Polypropyleen is verkrijgbaar bij de bouwmarkt in verschillende diktes. Voor de spiderbeam is 2,5mm prima geschikt (trekkracht 20kg).
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
Grondanker 45 cm (18 inch) voor de tuidraden
De tuidraden functioneren het beste als je ze onder een hoek van 45 graden monteert. Een kleinere hoek is minder effectief maar een grotere hoek is ook minder effectief.
Een hoek van 45 graden zal niet altijd te realiseren zijn. Probeer in ieder geval de tuidraden niet steiler te laten lopen dan 60 graden.
OP de afbeelding van de Inverted L antenne iets verderop zie je duidelijk dat de tuidraden veel te steil lopen en dat de antenne onder meer als gevolg daarvan flink doorbuigt.
Tuidraden kun je vastmaken aan een gebouw/woonhuis/schuur. Of je bindt ze vast aan een grondanker.
Zo’n grond anker kun je het beste onder een hoek van 60 graden de grond in draaien. Hierbij wijst de punt van het anker richting mast, hij helt dus als het ware achterover.
Gebruik een robuust anker zoals op de afbeelding links. Dat anker is 45cm (18 inch) lang en bevat meerdere boorbladen.
De tuidraden span je aan met behulp van draadspanners.
Antenne opstelling en tuidraden
Een Inverted L antennes opgebouwd met een spiderbeam wordt veel gebruikt door amateurs. De constructie is redelijk eenvoudig, je kunt er een aardige hoogte mee bereiken en spiderbeam masten zijn relatief goedkoop in aanschaf.
Maar, een spiderbeam met inverted L antenne wil wel eens doorbuigen
De buigzaamheid van de mast is een voordeel bij storm. Een glasvezel mast breek niet zo gauw doordat hij meebeweegt. Daar staat tegenover dat het horizontale deel van de Inverted L Antenne de mast naar één kant trekt.
Dat krom gaan staan kun je wel grotendeels voorkomen door de mast met tuidraden onder 90 graden of 120 graden goed ‘in te spannen’. Zie beschrijving verderop.
De mast op bijgaande foto is een voorbeeld waarbij de tuidraden onvoldoende steun aan de mast geven en deze daardoor niet verticaal in positie weten te houden.
Stormbestendigheid van de antenne mast
Antenne masten heb ik zien afbreken als luciferhoutjes. Uit ervaring weet ik dat tuidraden op de juiste wijze aangebracht een wereld van verschil maken.
Een antenne opstelling volgens bijgaande tekening zou in het geval van Karel de beste benadering zijn om Hollandse stormen te kunnen weerstaan.
Je ziet dat de mast op 120 graden wordt ondersteunt. Uitgevoerd op drie verschillende hoogtes zoals hiervoor is aangegeven zal dit in de meeste gevallen volstaan.
In de situatie van Karel staat de antenne opgesteld volgens onderstaande tekening en die opstelling houdt risico’s in. De mast wordt onvoldoende ondersteunt tegen stormwinden.
Daarbij zal in deze situatie de mast ook krom trekken door de last van de horizontale antenne draad, de topcapaciteit terwijl er onvoldoende steun is vanuit de tuidraden.
Om dit risico te minimaliseren zouden er toch stilzwijgend tuidraden kunnen worden aangebracht die dan in de gemeente perkjes moeten worden verankerd. Op de tekening is dat met een onderbroken streepjeslijn aangegeven.
Wie weet knijpt de gemeente een oogje dicht.
- Inverted L Antenne met Top Laadspoel -
The final touch
Als de Inverted L Antenne met Top Laadspoel helemaal klaar is en goed werkt ga je de dwarsgaten in de houten balk gebruiken voor een solide bevestiging van de mast.
Door het bovenste gat van 10 mm steek je een draadeind die je aan weerzijden van de balk afsluit met een carrosseriering van minimaal 3 cm en een moer die je stevig aandraait.
Hierdoor kan de spiderbeam nooit, door geen enkele storm van zijn plaatst worden gerukt.
De onderste twee gaten gebruik je om purschuim in te spuiten. Met dit schuim bereik je dat de mast trillingvrij en goed vastgeklemd in de balk zit.
Boven de balk bevestig je de mast met twee zware beugels (5-10 cm breed) nogmaals aan het schuurtje. Je gebruikt een blokje hout als opvulmateriaal tussen de mast en het schuurtje.
Breng op de plaats van de beugels een dunne laag schuimplastic om de mast. Wind daar strak een laag isolatieband omheen en vul daarna de overgebleven ruimte tussen beugels en mast op met purschuim.
Klaar. Zenden maar.
-
Koos Overbeeke
Terug van Inverted L Antenne met Top Laadspoel naar de Radio Amateur LPAM
