Sperkring (Trap) voor een W3DZZ Antenne
Eng version click on flag 

 23-feb-2020

G8KW

Het idee van parallelkringen of traps in een dipool antenne om meer dan één resonantie te verkrijgen, was voor het eerst bedacht door G8KW. Hij was tijdens de Tweede Wereldoorlog als militair bij de Engelse Verbindingsdienst ingedeeld. Zijn voorstel werd bij militaire zendinstallaties toegepast.

Door een publicatie van W3DZZ in een tijdschrift voor radiozendamateurs is het slimme antennesysteem daarom bekend geworden als W3DZZ antenne.

Het is een afgestemde kring met spoel en condensator. Omdat de kring in parallelresonantie is (7–7.2 MHz), ontstaat een hoge impedantie voor 40 m. Zo wordt het gedeelte van de antenne tussen de traps geïsoleerd en heeft de rest van de antenne een te verwaarlozen invloed op 40 m. In de praktijk blijkt de afmeting van het stuk tussen de traps niet al te kritisch te zijn want de parallelkring trekt als het ware het antennedeel tussen de traps in resonantie.

Op een lagere band doet de condensator niet mee en de spoel werkt als inductieve verlenging zodat de antenne ook resoneert in een lagere band. Door de buitenste stukken te verlengen of te verkorten, kan men in de 80 m band een resonantie naar keuze verkrijgen. Vaak zijn er ook resonanties in de 10, 15, en 20 m banden door een (toevallige) verkortende werking van de condensatoren. Bij deze drie banden kan de SWR oplopen tot SWR = 2.5.

VOORDEEL W3DZZ

Een voordeel van dit type antenne is dat voor 20, 40 en 80 m het punt met de meeste stroom en maximale straling precies in het midden ligt en niet ergens in de voedingslijn. Qua SWR wordt een G8KW/W3DZZ antenne sterk beïnvloed door ophanghoogte en lokale omstandigheden. Daarom kan het op een andere locatie of ophang hoogte nodig zijn om de lengte van beide helften te trimmen om een lage SWR te verkrijgen op één of meer banden.

AFMETING OF VORM

Bedenk steeds dat opgeven maten van antennes in artikelen een richtlijn zijn. De werkelijke elektrische lengte hangt af van constructie en omgeving zoals: de voedingslijn, de dikte van draad, wel of geen isolatie om de geleider, de wijze van bevestigen aan baluns of isolatoren en de capaciteit van de antenne ten opzichte van "aarde" en geleiders zoals (natte) begroeiingen, antennes, afrasteringen, balkons, betonijzers, elektrische leidingen en andere metalen constructies op of in de grond. U heeft geluk als een antenne het in uw situatie doet zoals een auteur of fabrikant het beschrijft, maar vaker zult u moeten experimenteren of afregelen om lokaal een optimaal resultaat te behalen voor een goede aanpassing.

Als een gestrekte (in één lijn) antenne in een andere vorm, bij voorbeeld inverted V wordt gebruikt, neemt de capaciteit van de uiteinden naar aarde toe. De antenne (b.v. een G5RV of FD4) wordt elektrisch gezien langer en is strikt gezien niet meer hetzelfde als het origineel. Er is grote kans dat de SWR op een aantal banden anders is.

TRAP FREQUENTIE EN COAX TRAP

Men kan de frequentie afregelen in het midden van een band, boven de band of onder de band. Meestal wordt het niet in het midden van de band gedaan, omdat door resonantie op of nabij de werkfrequentie en een hoge Q er mogelijk ongewenste verliezen ontstaan. Daarom kiest men voor een lagere of hogere frequentie. In de praktijk is dat niet kritisch en bij een lagere frequentie werkt de trap inductief en boven de band wordt het capacitief. 

Er is een vuistregel voor een optimale combinatie van (LC) spoel en condensator. De condensator moet in pF's dezelfde waarde hebben als de frequentie in meters. Dus voor de 40 m band wordt dat 40 pF, maar in de praktijk 50 pF, 80 m wordt 100 pF en 20 m is dan 25 pF etc. De bijbehorende zelfinductie van een spoel kan dan rekenkundig vastgesteld worden.
Het beste is als de spoel "vierkant" is, dat wil zeggen de lengte is gelijk aan de doorsnede.

Met bovenstaande praktische informatie kan men zich voorstellen dat traps gemaakt van coaxkabels meer verliezen hebben dan LC traps. Al is het omdat bij coax traps men geen invloed heeft op de (gunstige) capaciteit van de condensator. 

MIJN TRAP VERSIE VOOR 40m

Een 7 MHz sperkring kan bijna niet goed afgeregeld worden zonder een geschikt apparaat zoals een dipmeter. Hier zijn veel van dergelijke kringen vervaardigd en bij één van mijn produkten werd vastgesteld dat de spoel het goed doet met zwart installatiedraad (VDE 750 1.5 mm²). Het kan dan door iedereen zelf gemaakt worden zonder de nodige meetapparatuur.

Als 16 windingen van dat draad strak tegen elkaar aan gelegd worden, dan resoneert deze spoel met een 100 pF condensator precies in het 7 - 7.2 MHz gebied.  De spoel is 49 mm lang en gewikkeld op een standaard dikwandige type PVC buis met een doorsnede van 32 mm. Met de gebruikte Russische 100 pF condensator was de resonantie ± 7.2 MHz.

 
Trap frequentie ≈ 7.2 MHz met 16 windingen en 100 pF.

Op de foto's is duidelijk te zien hoe mijn praktische uitvoering gemaakt werd. De spoelvorm is aan het deksel vastgekit met speciale HARD PVC LIJM en de uiteinden van de trap zijn met twee RVS boutjes aan een (Fritzel) isolator bevestigd. De boutjes zijn ook aansluitpunten voor de antenne. De condensator is een Russisch 100 pF/10 kV type dat nog steeds op vlooienmarkten aangeboden wordt. Er is ook een bruikbaar kleinere 100 pF/7 kV van dezelfde makelij.  

De behuizing is een stuk PVC pijp met twee deksels. In het bovenste deksel zit de trap en het onderste deksel (bodem) is vastgelijmd en vormt één geheel met de pijp. Dat laatste gedeelte zit met twee RVS parkertjes vast aan het bovenste deksel. Één van de parkers is op de bovenste foto nog net te zien. Zo ontstaat een druipwater dichte constructie die snel te demonteren is voor inspectie en reiniging. De buitenkant is gespoten met zwarte "bumperlak" voor kunststof autobumpers en dat is een zeer goede weerbestendige behandeling.

Een antenne hangt altijd door en waardoor de doos een scheve positie inneemt. In het laagste punt werd in de bodem dicht bij de rand een 4 mm gaatje geboord om condenswater af te voeren. Eerst werd dat nagelaten en toen bleek dat er na een poosje een behoorlijke hoeveelheid water was verzameld. Dat gaatje is helaas groot genoeg om allerlei insecten een veilig onderkomen («fig) te bieden. Daarom is het verstandig om na een aantal jaren een inspectie uit te voeren.

PAØHRA heeft deze sperkringen nagemaakt (fig») met een bij zendamateurs veel voorkomend type "ton" cap.

Dit model heeft meestal een werkspanning van ongeveer 1000 V. Voor een zendvermogen tot 400 W lijkt mij dat in orde, maar voor meer output is het beter om een type met een hogere werkspanning te nemen. Ook een stuk coaxkabel van ongeveer 1 m is geschikt als 100 pF condensator en dat kan een hogere werkspanning verdragen.

VERMOGEN

Bij experimenten werden mijn zelfgemaakte sperkringen in een antenne regelmatig belast met ongeveer 800 W en dat had geen nadelige invloed op de gehele constructie. Dat kunt u zien op de foto van de gekraakte behuizing. Waarschijnlijk kan de trap een nog hoger vermogen aan want dat is hier een paar keer gedurende een korte tijd beproefd met 1.5 kW.

FLASH-OVER

De aan de behuizing gelijmde spoelvorm was kennelijk los geraakt waardoor de afstand tussen condensator en spoel te klein was geworden. Bij 100 W zendvermogen was er jarenlang niets aan de hand omdat ik vrijwel altijd met dat vermogen werk. Bij het testen van een ACOM 600S versterker, trad de beveiliging van de PA in werking met ongeveer 300 W op 40 m. Op de andere banden gaf de PA met 500 W en de W3DZZ geen krimp. Omdat op 40 m de impedantie aan het begin van de lintlijn hoog is, werd eerst de statische beveiliging met twee bougies verdacht. Het bleek echter een van de 40 m traps te zijn. Gezien de schade aan spoel en condensator zie je maar weer hoeveel spanning er in zo'n trap voorkomt. 

W3DZZ THUIS

In de achterliggende 38 jaar zijn hier veel draadantennes opgehangen en gebruikt. Inmiddels (juli 2018) is de W3DZZ weer terug. De  opgerolde stub werd verwijderd en de te korte dipoolhelft verlengd met een 4.10 m lange verticale Alu staaf.  Deze 2 × 16.55 m dipool is het maximum dat haalbaar is in de beschikbare ruimte rondom mijn woning!

     
Mijn beschikbare ruimte optimaal  gebruikt met een dipool in hetzelfde vlak.

TRAP VERSIE VOOR 20m

Tegenwoordig ben ik hoofdzakelijk actief op 160, 80, 40 en 20m. Om op de laatste band toch nog enige 'versterking' te hebben, zijn de 40 m traps vervangen door 20 m traps. Darmee werd de antenne tussen de traps een hele golf (FW) op 20 m. Dat moet ongeveer 2dB meer opleveren dan een halve golf dipool. Of dat in de praktijk klopt voor een inverted V systeem is nog maar de vraag. 
Boven op de 12 m mast waar deze  antenne aan opgehangen is, staat een 5 m lange 5 banden Cushcraft R5 (fig») verticale straler. Op de 20 m band is dat een verkorte antenne met een trap voor 20 m. Wat blijkt, voor DX en Europa verkeer is de 20 m FW antenne gemiddeld beter of evensterk als de R5!
 

     
14.5 MHz trap met 27 pF condensator: 15 windingen 1.8mm diameter draad gewonden op een 3.2 cm diameter dikwandige PVC pijp.

Er lag hier nog een klos met 1.8 mm emailledraad en daarmee werden twee luchtgewonden spoelen met 15 gespreide windingen op een 3.2 cm PVC buis gemaakt. Een 14.7 MHz frequentie werd ingesteld door indrukken en spreiden van de windingen. Bij de meting waren nog lange draadeind aan de spoel zodat na het het inkorten de resonantie verschoof naar 14.5 MHz. Eeen goed compromis voor een 20 m trap.
Daarna werden de windingen gefixeerd met BISON POLYMAX kit. Dit product lijmt bijna alles, is sterk en HF neutraal, blijft enigzins flexibel, is weerbestendig en geschikt van -40ºC tot +100ºC. Voor het fixeren kan men eventueel ook Hard PVC lijm gebruiken.
Voor de zekerheid heb ik ook nog krimpkous aangebracht en daarna de complete traps gemonteerd in (fig») de behuizing van de verwijderde 40 m traps.

TRAP MET T200-2 RINGKERN voor 20m

Al geruime tijd vroeg ik mij af of een trap met een ringkern goed zou werken omdat er positieve ervaring was opgedaan met ringkernen in diverse eigenbouw HF versterkers.
Inmiddels was een redelijke voorraad aan T200-2 ringkernen opgebouwd en er lagen ten minste 35 jaar lang twee 25 pF ton-condensators in een laatje.
Een mooie gelegenheid om de daad bij het woord te voegen en aan de slag te gaan.
Voor een resonantie in de 20 m band waren 19 of 20 windingen PTFE geïsoleerd draad nodig.
Zowel de ringkernen als de 25 pF condensators waren goed aan elkaar gelijk, want met 19 windingen had de ene combinatie een frequentie van 13.8 MHz en de andere stond op 13.9 MHz. 
Omdat de eerdere kernloze traps op 14.5 MHz afgeregeld waren, werd nu (als experiment) gekozen voor een lagere frequentie met 19 windingen op 13.9 MHz door van de ene trap de windingen een beetje over de ringkern te spreiden.

Zij werden gefixeerd door een passende schijf op maat te maken en de ruimte tussen schijf en draad te vullen met behulp van een lijmpistool. De praktijk moet uitwijzen of de draad zodanig warm wordt dat de lijm gaat smelten.
Vooralsnog doen de traps het goed bij 500 - 600 W en is er geen verschil te merken met de vorige 14.5 MHz sperkringen. 

W3DZZ VERSIES

Meerdere zendamateurs hebben, door het veranderen van afmeting en/of traps, geprobeerd een antenne te ontwerpen die op meer dan twee banden in resonantie zou zijn. U kunt zelf ook experimenteren met andere lengtes. Lees ook mijn artikel Dipool of begin bij voorbeeld met G3SYD's antenne.
 

 
Bij alle vermelde lengtes wordt niet vermeld of de afmeting geldt voor de draad (L3) tussen balun en trap, tussen trap en isolator en of de gevouwen stukken (L1, L2) deel uitmaken van de opgegeven maat. Verder is het van belang of er ongeïsoleerd of geïsoleerd draad werd toegepast. In het laatse geval reken ik met een verkortingsfactor van V = 0.95.

Let op: De verkortingsfactor bij zo'n trap antenne met ongeïsoleerd draad geldt alleen voor de uiteinden en niet voor het gedeelte tussen de traps. Anders wordt het als er geïsoleerd draad gebruikt wordt, zie de afbeelding hierboven.

W8NX VERSIE 10-17-40-80 m

W8NX's ontwikkelde een antenne voor de Amerikaanse frequentie segmenten 3.5 – 4.0 MHz en 7.0 – 7.3 MHz, 18 MHz en 28 MHz. Het bijzondere van het ontwerp is de andere plaats van de traps die afgestemd zijn op 5.16 MHz ± 25 kHz. Een lage SWR was er op 3.8, 7.12, en 28.4 MHz en SWR = 3 over de hele 17 m band. De antenne werd opgehangen als inverted V en gevoed met 75 Ω coaxkabel en een 50 : 75 Ω balun. De antenne werkte volgens hem ook met 50 Ω coaxkabel en 1 ÷ 1 balun, maar met de vorige voedingswijze was de SWR op 18 en 28 MHz beter.

ON9CVD VERSIE 10-15-20-40-80 m

ON9CVD heeft ook een aantal antennes ontwikkeld waarbij de plaats van een trap eveneens op een ongewone plaats werd aangebracht. De beschrijving van zijn systemen staat op:

http://home.scarlet.be/on9cvd/E-Multiband%20trap%20antenne.htm

Let op: Strikt genomen zijn de dipolen van W8NX en ON5CVD geen trap antennes. De 'traps' resoneren niet op een amateurband, maar zijn zodanig in het systeem geplaatst dat de antenne met een coaxkabel gevoed kan worden. Als men een openlijn gebruikt kan men net zo goed de 'traps' weg laten en zal de antenne (misschien wel beter) als 'gewone' all-band dipool (doublet) werken. Omdat een W8NX zelfs korter is dan een G5RV, zal de laatse wel favoriet zijn.

TRAP AFREGELEN/CONTROLEREN

PAØFRI: Het afregelen van een trap kan op verschillende manieren: met een (grid)dipper, spectrumanalysatorr of meetzender. Het nadeel van een dipper is dat de schaal over het algemeen niet nauwkeurig is, zodat de frequentie met een ontvanger gecontroleeerd moet worden. Een analysator of meetzender heeft ook niet iedereen. Gelukkig kan men de zender als meetzender gebruiken. UR4LRG doet dat ook. Een koppellus van 1 of 2 windingen wordt met een coaxkabel aan de zender geknoopt en met zo laag mogelijk vermogen aangestuurd. Om de zender correcter te belasten kan men in serie met de koppellus een inductievrije 50 Ohm weerstand aanbrengen. Met het afgebeelde meetsysteem rechts naast de trap controleert men op welke frequentie het metertje een dip heeft. In plaats van de Russische germanium diodes kan men ook BAT85 of andere gemanium diodes monteren.

UR4LRG: 'Breng de koppelwinding met coaxkabel 5 à 7 cm dichtbij de trap en doe hetzelfde met de veldsterktemeter aan de andere kant. Alle spoelen moeten in dezelfde hartlijn staan. Stel de resonantie frequentie van de trap vast door maximale uitslag van de meter. Druk stap voor stap voorzichtig de windingen tegen elkaar of trek de spoel wat uit voor de gewenste frequentie. (PAØFRI ook: vermeerder of verminder het aantal windingen of een deel daarvan).
Verder is het aan te bevelen om de thermische stabiliteit van de gemaakte traps te controleren. Stop ze 8 à 10 uur in het diepvriesvak van een koelkast. Controleer daarna meteen de resonantie frequentie. De afwijking moet ongeveer 20 kHz zijn. Laat ze op kamertemperatuur afkoelen, daarna zou de oorspronkelijke frequentie weer terug zijn'.

COAX TRAPS 

Verschillende manieren van aansluiten.

Behalve de beschreven traps, werd er ook geëxperimenteerd met traps gemaakt van een lengte coaxkabel, waarbij de kabel zowel 'spoel' als 'condensator' is.
Meestal wordt de coaxkabel om een vorm of PVC pijp gewikkeld, maar niet iedereen weet dat er meerdere mogelijkheden zijn om de trap in het antennesysteem aan te sluiten. Verder kan de coaxkabel ook als meervoudige winding samengesteld (fig») worden. Een spoelvorm is dan niet nodig, zodat de trap in zijn geheel veel lichter wordt zoals te zien op R3RT's website.
Bij deze coax traps bepaalt de lengte van de coaxkabel grotendeels de resonantie terwijl het aantal windingen de verkortingsfactor vergroot. 

Voor een van mijn experimenten werd een willekeurig stuk Teflon 50 Ohm coaxkabel van ongeveer 104 cm getest met een RIGOL anttenneanalysator.

U ziet dat de resonanties behoorlijk dicht bij elkaar liggen ondanks verschillen in de aansluiting. Ook omdat de lengte de resonatie grotendeels bepaalt is mijn bescheiden mening: dat er meer sprake is van een coaxiale stub, dan een spoel-condensator systeem. 
De conventionele methode geeft de beste dip, vermoedelijk door de beste Q van de trap. Gevoelsmatig geef ik de voorkeur aan de derde afgebeelde methode.

FRITZEL TRAPS

W3DZZ's van FRITZEL.
 

Fritzel heeft antennes met twee soorten sperkringen in productie gehad. Linksboven het oude type met een balun van witte coaxkabel en rechtsboven met een ringkern balun. Op de onderste foto's de antenne met een nieuwer model balun van serie 83. Sperkringen en balun zijn geschikt een voor groter zendvermogen.

In de loop der tijd werden hier een aantal FRITZEL sperkringen "verzameld" en dat maakte het mogelijk om de constructie en waarde van de componenten te onderzoeken.

Links: de constructie en opbouw van een originele FRITZEL trap; rechts: een complete trap zonder kappen.

De gemeten waarden van de componenten los op tafel.

De spoel is gemaakt met aluminium draad gewikkeld op een zwarte kunststof spoelvorm met groeven. Alles is bedekt met krimpkous. Binnen de vorm zit een mooie platencondensator met luchtisolatie.

De capaciteit van de condensator buiten de koker was C = 60.6 pF en in de koker C = 64 pF.

De kale zelfinductie van de spoel was L = 15.39 µH en met geplaatste condensator L = 8.10 µH.

De resonantie frequentie van de complete trap was fo = 7.05 MHz.

De kappen die het geheel waterdicht moeten houden, voldoen op den duur niet meer. Door het binnendringen van vocht oxideren de condensator en het aluminium draad soms behoorlijk, hetgeen op zijn beurt de resonantiefrequentie verandert. Om het een en ander te verbeteren bestond het plan om de trap in een grijze PVC buis met deksels onder te brengen. Omdat de eigenbouw sperkringen goed voldeden is dat er niet van gekomen en werden de FRITZEL traps (nog) niet gebruikt.

Deze twee antennes zijn respectievelijk van Duitse en Amerikaanse, origine. Het laatste type is van B&W, model AS-40 voor 10/15/20/40 m.

Dit is een ander Duits produkt met ingegoten sperkringen.

Kant en klare Traps

Kant en klare sperkringen worden regelmatig in Engeland, USA en Duitsland aangeboden. Links: een Duits fabrikaat, midden: type KW-40 zijn van Unidella uit de VS, rechts: Duitse traps gemaakt van ingegoten 50 Ω RG58 coaxkabel. In de laatste constructie is de opgewonden kabel een spoel en werkt de kabelcapaciteit als condensator. Omdat hiermee de LC verhouding anders is dan in het originele W3DZZ ontwerp, zal de antenne alleen in resonantie zijn in de 40 en 80 m band en kunnen de maten van de dipool afwijken van de originele W3DZZ.