4 element 14 MHz Yagi för 7 MHz?
-av Bengt Falkenberg, SM7EQL-

Denna artikel handlar om hur man med några finurliga handgrepp kan förvandla en CueDee
4-elements monobander för 14 MHz till en effektiv duobander för 7 och 14 MHz.  

Beskrivning av befintlig mast och antenn
I toppen av min fackverksmast med 50 cm i sida och som är 21 m hög, sitter en 4 elements 14 MHz Yagi typ 414 från CueDee. Bommen är 8 meter och består av teleskoperande 60 och 50 mm aluminiumrör. Reflektorn är drygt 11 meter och den främre direktorn 9.6 meter lång. Samtliga element är monterade på bommen med hjälp av rostfria U-byglar och monteringsplattor av aluminium. Matningen av drivelementet är av Gamma-typ. Konstruktionen gör att samtliga delar är elektriskt förbundna med varandra. Bommen är också ordentligt förbunden med toppröret och som i sin tur är förbundet med fackverksmasten. Detta är en bra lösning särskilt med tanke på statisk elektricitet, vissa typer av common-mode störningar i koaxialkablarna samt i samband med åska.

Hela masten är vridbar På 15 meters höjd sitter ett kullager med diametern 800 mm (svängkrans från ett lastbilssläp) I kullagret är tre staglinor med isolatorer monterade. Även stagfästena i marken har isolatorer. Tanken var att kunna använda stagen som antenner, t ex 1/4-vågs sloopers eller kanske med slutterminerinar som aperiodiska lyssningsantenner. Hela masten vilar på en hembyggd rotor modell lite större. Konstruktionen medger fri montering av vridbara antenner var som helst utefter hela masten, I alla fall på de sex metrarna ovanför svängkransen och som är fria från staglinor.. För 1.8 - 3.5 och 7 MHz användes tidigare inverterade dipoler med mittpunkten 26 meter över marken. I samband med att den gamla 14-21-28 MHz Yagin byttes ut mot den betydligt större 4 elements monobandsantennen togs dipolerna och en bit av toppröret ned. Anledningen var att den nya Yagi-antennens svängradie helt enkelt blev för stor för att kunna roteras fritt under de inverterade dipolerna.

Funderingar på DX-antenner för 7 MHz
Med en 21 m fackverksmast och höga träd i sin omgivningen finns många möjligheter till relativt effektiva DX-antenner för 7 MHz. För att undersöka hur 14 MHz Yagin och själva masten eventuellt skulle påverka och påverkas av olika antennplaceringar matades de mekaniska måtten in i EZNEC - W7EL antennberäkningsprogram. Därefter simulerades ett antal olika antenntyper på olika höjder. Slutsatsen blev att en horisontell halvvågsdipol på en halv våglängd (eller något mer) över marken gav en skaplig "DX-lob" med sitt maximum i c:a 30 graders vinkel i vertikalplanet.

Nu kanske någon protesterar och hävdar att vertikalantenner är mycket effektivare för DX-trafik än horisontella dipoler eftersom de strålar i betydligt lägre vinklar, kanske ner mot 10 grader eller så. Jovisst, detta är kanske sant - om flera förutsättningar kan uppfyllas, inte bara en av dem... utan alla och samtidigt! 

Nämligen; fri placering på mark med hög konduktivitet, många och långa radialer och att antennen kan placeras i direkt närhet till kustlinjen, gärna på stranden eller i vattenbrynet. Om dessa grundförutsättningar kan uppfyllas kan vertikala antenner säkert mäta sig med en enkel halvvågsdipol. I mitt fall skulle det dock innebära bortforslande av grannarnas hus och trädgårdar, vårt eget hus och div lyktstolpar och staket. Inget bra alternativ för grannsämjan.

Nästan alla strukturer av metall, t ex master, stolpar, stuprör och stag uppvisar resonans vid en viss frekvens. En vanlig radiomast och som är jordad i botten är resonant på den frekvens där masthöjden motsvarar 1/4 våglängd. (jmf 1/4-vågs vertikalantenn) Ett annat exempel är en tråd som hänger fritt och där ändpunkterna är isolerad från jord. Den är resonant på den frekvens där trådlängden motsvarar 1/2 våglängd. (jmf 1/2-vågs dipolantenn) Principen att använda fackverksmasten med div Yagi-antenner som vertikalantenn för lågbanden 3.5 och 1.8 MHz är välkänd och det finns många bra beskrivningar på lämpliga matar- och anpassningskretsar på detta. De två vanligaste metoderna är att använda Gamma- eller Omega matning.

EZNEC-analysen av 4-element Yagin visade att hela strukturen i bommens längdriktning hade egenresonans på 7 MHz. Med hjälp av programmet konstaterades också att impedansen i bommens mitt var c:a 20 ohm -j0 på 7050 kHz. För att lättare förstå hur en 14 MHz Yagi även kan vara i "resonans" på 7 MHz kan man tänka sig antennen som en 8 meter lång mittjordad dipol (bommen) med väl tilltagna ändkapacitanser i varje ände (reflektor och direktor 2). Enkelt och genialt!

Vidare simuleringar visade att matarelementet och direktor 1 inte påverkade antennens effektivitet speciellt mycket. En 2 x 10 m lång referensdipol på samma höjd gav c:a 1.5 dB högre förstärkning än den "förvandlade Yagin" I övrigt var loberna ytterst snarlika i både vertikal- och horisonalplanet. Snygg huvudlob med drygt 6 dBi förstärkning (inkl markgain) och - 10 dB punkten i bommens längdriktning vid 20...40 graders elevationsvinkel.

Teori i all ära - men fungerar det i praktiken?
Det finns inga genvägar, det är bara att kavla upp ärmarna och prova. I ON4UN:s Low Band DX-ing bok finns ett avsnitt om Gamma-matning med måtttabeller för de mekaniska detaljerna.

Ett snabbt överslag med inslag av gissning gav följande mått:
Gamma-rör: 20 mm x 1400 mm
CC avstånd mellan bommen och gamma-röret: 290 mm
Seriekondensator: 300 pF

Tillverkning av detaljerna
Det finns två huvudvägar att gå. Antingen gör man ett slarvigt hastverk och mekar till en provisorisk lösning, bara för att så snabbt som möjligt kunna testa om principen fungerar - eller - så tar man sig lite extra tid och tillverkar en rubust och väderbeständig anordning från allra första början. 

Eftersom huvudväg ett, sannolikt hade fungerat perfekt under några timmar men inte tålt det skånska klimatet med fukt och vind skulle det inneburit att alternativ två ändå var nödvändigt om man nu ville behålla antennen... Logiskt blev att satsa på tvåan direkt.

Gamma-röret kapades till 1500 mm. En kortslutningsbygel tillverkades av 50x50 mm aluminiumprofil med 5 mm godstjocklek. Rostfria U-byglar och klammer användes överallt. En "stand off" för att hålla gamma-röret på plats tillverkades av 5x50 mm glasfiber. Som seriekondensator användes en variabel ganska kraftig sändarkondensator på 500 pF och som monterades in i ett Rittall el-skåp. Anslutning av matarkabel via en N-kontakt i botten. Vridkondensatorn anslöts till gamma-röret via en väl tilltagen keramisk genomföring. Anledningen till valet av kapslad vridkondensator istället för vedertagen "rör i rör kondensator" var att jag ville ha möjlighet att enkelt kunna justera anpassningen. Boxen förbereddes även för Omega-matning som alternativ för optimal anpassning.

De olika detaljerna monterades på plats enligt de beräknade (uppskattade) måttangivelserna.  På toppröret syns Rittal-skåpet med vridkondensatorn. Gamma-röret för 7 MHz är monterat på bommens ovansida. På bilden syns också 14 MHz matningen på drivelementets undersida. Rittalskåpet jordades ordentligt i bommen via tre stycken 1 x 15 mm kopparband. Vridkondensatorn förinställdes till halva värdet, 250 pF.

Avprovning och intrimning
Vid injustering av alla antenner bör mätinstrumentet anslutas med mycket kort kabel eller ännu hellre direkt i matningspunkten. På så sätt undviker man oönskad impedanstransformering. Har man otur kan en viss kabellängd medföra att en antenn som har urusel anpassning mellan antenn och kabel visar perfekt SVF i andra änden av kabeln. I mitt fall använde jag en AEA Antenna Analyzer och 20 cm RG213 mellan instrument och antennkontakt.

"Vetenskapligt mätresultat"
Analyzern visade SVF 1.2:1 på 7120 kHz! Vridkondensatorns kapacitans justerades till bästa SVF på 7050 kHz. Kortslutningsbygeln flyttades några cm åt vardera håll och seriekondensatorn efterjusterades för bästa SVF. Bästa resultat erhölls emellertid med gamma-rör och kortslutningsbygeln exakt som de beräknade måtten och med kondensatorvärdet strax under 300 pF. 

SVF blev efter alla optimeringar 1.3:1 på 7070 kHz, 1.5:1 på 7000 och 1.4 på 7100 kHz. Att något stämmer så väl överens med gissningar man gjort får nog tillskrivas slumpen mer än något annat och är sannolikt lika ovanligt som att vinna högsta vinsten på Bingo Lotto! För att få ner resonansfrekvensen 20...30 kHz borde bommen förlängas c:a 50 cm - men det lär knappast betyda något i praktiken.

"Amatörmässigt resultat"
Att göra exakta prestandamätningar på en antenn som denna kräver en oerhört komplicerad mätuppställning med helikopter och kalibrerade referensantenner etc. Här förfaller jag till att i likhet med många andra antennbeskrivare i våra "amatöradioblaskor" - som slutkläm publicera ett utdrag ur loggen för några timmar natten efter antennen kom i resonans:

7 MHz LOGG för SM7EQL                   FT 1000 MP MKV Field, Slutsteg med 4 x 813   Pout 1 kW

-Med denna artikel vill jag visa att det kan finnas "osynliga men effektiva antenner" dolda i andra antenner eller master - det gäller bara att se möjligheterna och 
våga tänka i smått okonventionella banor!  

Tillbaka till SM7EQL:s hemsida

Sidan skapad 2003-05-13
Copyright ©  Bengt Falkenberg