QUAD of RAAMANTENNE

 19-jan-2011

 Click Quad or loop antenna

De versterking en karakteristieke impedantie van een loop bij diverse vormen.

QUAD

Een vierkante raamantenne, loopantenne of quad (qubical quad, "QQ") van een hele golflengte (1 × λ) heeft in het voedingspunt een impedantie van ongeveer 112 - 117 Ω. Het is bij zendamateurs een populaire HF/VHF/UHF antenne. Wij zien dat de vorm van het raam bepalend is voor: de impedantie in het voedingspunt en de versterking ten opzichte van een referentie dipool. Van alle regelmatige vormen is een cirkel het beste en met een versterking van 1.34 dBd ten opzichte van een dipool in dezelfde positie. Een omtrek van 1.5 λ geeft de meeste winst. Een driehoekig raam wordt delta loop genoemd.

De geringe versterking van een vierkant is te verklaren door de antenne te zien als (fig») twee dipolen met een te korte afstand boven elkaar. De onderste dipool voedt de bovenste via de geknikte uiteinden (met een hoge impedantie) die men met enige fantasie kan beschouwen als een openlijn waarvan de draden ver uit elkaar liggen.

Vergroot men de afstanden (fig») van de twee "dipolen" met een lengte-breedte verhouding van 3 : 1, dan is de versterking maximaal met 2.38 dBd. De impedantie van het voedingspunt is mij onbekend.

Met («fig) op HF een lengte-breedte verhouding van ongeveer 2.028 : 1 zou de impedantie 50 Ω zijn. Om die waarde zo goed mogelijk te bereiken, moet men experimenteren met de factor 2.028. 

Om dat getal te verifiëren heb ik met blauw installatiedraad een aantal loops voor 70 cm gemaakt. In het midden van de band op 435 MHz was de SWR = 1.1 bij een afmeting van 25 × 10.5 cm.

De factor is dan 25 : 10.5 = 2.38.

POLARISATIE

Een verticaal raam met een voeding aan de basis heeft horizontale polarisatie. Als dat in de zijkant plaats vindt of de antenne gedraaid 90° wordt, dan is de polarisatie verticaal. Ligt het vlak van de antenne evenwijdig met het aardoppervlakte dan is de polarisatie horizontaal. De antenne wordt min of meer rondstralend en het stralingspatroon is afhankelijk van frequentie en antennehoogte.

IMPEDANTIE

De eerder vermelde gegevens zijn gebaseerd op een antenne die onder ideale omstandigheden op grote hoogte is opgesteld. Staat de antenne dichter bij aarde, komen er directoren voor of een reflector erachter, dan neemt de impedantie van het voedingspunt af en kan bij voorbeeld op 50 Ω gefixeerd worden. Gewoonlijk zullen quads voor 20–80 m relatief dicht boven de grond hangen, het voedingspunt zal lager zijn dan de theoretische waarde en in de buurt van 100 Ω komen. Afhankelijk van de vorm is de impedantie van een ½ λ raamantenne 6 - 10 Ω. Zo'n halve loop is sterk af te raden omdat de weerstand van de aanpassing en voedingslijn dan niet meer te verwaarlozen zijn.

VOORDELEN

Het raam heeft een aantal voordelen:

 AFMETING

Een quad voor één amateur band heeft een "verkoringsfactor" van 1.02 λ. De omtrek moet dus groter zijn dan wat gebruikelijk is bij antennes.

Voor bij voorbeeld de 80 m band (3.7 MHz) is dat 1.02 × (300 ÷ 3.7) = 82.7 m. Als het raam gemaakt wordt met geïsoleerd draad, dan zal de omtrek ongeveer 0.95 × 82.7 = 78.50 m worden.

Kunt u geen volledig raam kwijt, zorg dan dat de totale omtrek (fig b») van raam en 2 × voedingslijn ongeveer één golflengte is. Anders gezegd: van het voedingspunt uit gerekend moet de "omtrek" van antenne en voedingslijn een hele golf (1 × λ) zijn.

Hoewel de meeste amateur banden een harmonische relatie hebben is het niet zo dat een raam voor bij voorbeeld 80 m ook op 40, 20 en 10 m een net zo gunstige SWR heeft.

In de tekening (fig c) ziet u dat een QQ gevoed kan worden door twee 50 Ω coaxkabels parallel te schakelen en met een balun of symmetrische ATU aan de zender te koppelen.

HORIZONTAAL RAAM

Een horizontaal raam (fig a) met een omtrek van ongeveer 84 m is een goede "all round" antenne voor 10 t/m 80 m en heeft geen uitgesproken DX of lokale eigenschappen.

Het is vaak verrassend hoe sterk een signaal overkomt op de 20 m band. Een collega zendamateur woont ongeveer 10 km van mijn locatie en werkt met een loop voor 160 m. Als ik met een vertical of W3DZZ werk en hij met zijn raam op 20 m, dan is zijn signaal 1 à 2 S-punten sterker. Alleen als mijn 2 el Yagi in de richting van het station staat, zijn wij even sterk en soms is mijn rapport beter. Eerlijkheidshalve moet erbij gezegd worden dat zijn antenne in een weiland staat en mijn antenne in een woonwijk. Met uitstekende resultaten werd in mijn vorige woonplaats gedurende ongeveer twee jaar een horizontale delta loop voor 40 m op 5 m hoogte gebruikt voor 10 t/m 80 m. De SWR werd naar een lage waarde gebracht door middel van een antenne tuner.

Onder andere PA3GZK, PA0WMR en PA0DRC werk(t)en naar volle tevredenheid met zo'n horizontale loop.

AANPASSEN

De afmeting van het raam is het minst kritisch als er een open lijn met antenne tuner gebruikt wordt.

Aanpassing van 110 of 100 Ω naar 50 Ω kan met een balun of symmetrie trafo (fig»). Door veel te experimenteren met mijn S-Match antenne tuner ben ik op deze manier van wikkelen voor een balun gekomen. Een groot voordeel is de volledig galvanische scheiding van in - en uitgang. Een koppeling van een dipoolhelft met de afscherming van een coaxkabel is daarmee vrijwel gereduceerd. Controleer of, door het omwisselen van de aansluitingen aan de in of uitgang, de symmetrie beter wordt.

In het bereik van 10 tot en met 160 m heeft de balun voldoende eigen zelfinductie.

Hier («fig) is alles nog eens verduidelijkt. Ook een (interne) asymmetrische tuner in combinatie met een mantelstroom filter is meestal mogelijk. Wikkel voor 10 t/m 80 m ongeveer 3 m coaxkabel op een (PVC) buis van 7–10 cm doorsnede. Als de tuner geen aanpassing kan vinden, de voedingskabel (2 × 50 Ω) verkorten of verlengen.

QUAD VOOR 1 BAND

Een quad voor één band is op eenvoudige wijze (fig a) aan te passen met een 75 Ω coaxkabel. De afmeting moet ¼ golflengte maal de verkortingsfactor (V) van de kabel zijn, ¼ × V × λ. De 50 Ω impedantie van de voedingskabel wordt door dat stuk opgetransformeerd naar 112.5 Ω. Want Zant × 50 = 75² zodat Zant = 5625 ÷ 50 = 112.5 Ω.

Om mantelstromen te voorkomen is het verstandig om de 75 Ω voedingslijn een paar maal door een geschikte ringkern te halen of door het plaatsen van kleinere ringkernen over de kabel. Ook kan volgens fig. b de kabel als mantelstroom filter dienen door dicht bij het aansluitpunt van de antenne op een PVC pijp van 8–12 cm diameter te wikkelen.

Het op maat maken van stuk ¼ λ kabel doe ik met een (grid)dipmeter. Rekening houdend met de verkortingsfactor («fig) wordt een lengte van iets meer dan ½ × V × λ uitgerold. Aan het uiteinde wordt een lusje bevestigd voor koppeling aan een dipmeter. Vervolgens worden afscherming en binnenader door een dunne kopspeld op een afstand van ½ λ kortgesloten en met de dipper de frequentie bepaald. Na een paar keer "prikken" vindt men de juiste lengte. Precies de helft daarvan is ¼ λ.

Het aanpassen met een ¼ golf of ½ golf coaxkabel is vrijwel algemeen bekend, maar het kan ook met een al uit 1961 bestaand systeem door middel van één-twaalfde golflengte transmissielijnen (1/12λ):

80 m of 160 m

Als een 80 m quad als antenne voor 160 m gebruikt wordt, dan heeft het voedingspunt een zeer lage karakteristieke impedantie. Dat kunnen sommige antennetuners niet aan of er gaat teveel energie in het apparaat verloren. Men kan de antenne aan het andere uiteinde open laten zodat het een dipool voor 160 m wordt. Een mogelijke oplossing om dat op afstand te doen, ziet u hiernaast.