DF8HL   MULTI-RESONANT HF MOBILE ANTENNA
DF8HL   MULTIRESONANTE HF-MOBILANTENNE
DF8HL   MULTIRESONANT HF-MOBILANTENN




The left picture shows the multi-resonant HF mobile antenna that I developed for our VW T3 Syncro 16".
At the right you see a smaller version, C- and L-values are adapted to a total antenna length of 2.5m.
The text below refers to the left (inverted L-formed) version, though the electrical principals are mainly the same for both versions.


Das linke Bild zeigt die multiresonante HF-Mobilantenne, die ich für unseren VW T3 Syncro 16" entwickelt habe.
Rechts sieht man eine kleinere Version, die C- und L-Werte sind hier für eine Gesamt-Antennenlänge von 2.5m angepasst.
Der folgende Text bezieht sich auf die linke (Inverted-L-geformte) Version, wenngleich die elektrischen Prinzipien für beide Versionen weitgehend gleich sind.


Bilden till vänster visar den multiresonanta kv-mobilantennen, som jag har utvecklat för vår VW T3 Syncro 16".
Till höger visas en mindre version, C- och L-värdena är här anpassade till en total antennlängd av 2.5m.
Den följande texten syftar på den vänstra (inverted-L-formade) versionen, dock är de elektriska principerna vittgående lika för bägge versioner.



THEORY


When developing mobile antenna solutions I always had one aim in focus: never to have to stop the car for a frequency change. So a powerful automatic tuner near the antenna foot, supported by remote-switchable loading coils for the lower frequencies had been the concept over a long period.

But the wish grew to do without moving mechanics at the radiator and to find a concept, where the HF could "find" the fitting antenna resonance by itself. The solution would be a multiresonant antenna.

As parallel-resonant circuits can provide large phase shiftings and moreover behave below their self-resonance like an L, above like a C, I started to follow this track and developed the solution presented here...


Bei der Entwicklung von Mobilantennenanlagen stand für mich immer ein Ziel im Vordergrund: bei Frequenzwechseln die Fahrt nicht unterbrechen zu müssen. Ein leistungsfähiger Automatiktuner nahe am Antennenfuß und die Unterstützung durch fernschaltbare Ladespulen für die niederfrequenteren Bänder war daher lange Zeit das verfolgte Konzept.

Irgendwann wuchs doch der Wunsch, auf bewegliche Mechanik im Bereich des Strahlers verzichten zu können und eine Lösung zu finden, bei der die Hochfrequenz die passende Antennenresonanz "selbst findet". Die Lösung wäre also eine multiresonante Antenne.

Da mit Parallelschwingkreisen starke Phasenverschiebungen möglich sind und sie sich zudem unterhalb der Eigenresonanz wie ein L, oberhalb wie ein C verhalten, fing ich an, diese Spur zu verfolgen und entwickelte die hier vorgestellte Lösung...


Vid utvecklingen av mobilantennkonstruktioner hade jag alltid ett syfte i fokus: att aldrig måste avbryta farten vid ett frekvensbyte. En efficient automatik-tuner nära antennens fot samt stöd genom fjärrmanövrerbara förlängningsspolar för de lågfrekventa banden var således det gällande konceptet över en längre tidsperiod.

Efterhand växte dock önskan att kunna avstå från rörlig mekanik vid radiatorn och hitta ett koncept, då högfrekvensen "hittar själv" den passande antennresonansen. Lösningen är en multiresonant antenn.

Eftersom parallellresonanskretsar möjliggör stora fasförskjutningar och dessutom beter sig nedanför sin egenresonans som ett L, ovanför som ett C, började jag följa detta spår och utvecklade lösningen som presenteras här...




The primary resonance of the naked radiator would lie at about 16 MHz. By inserting the matching network, whose inductivities nearly block higher frequencies and whose capacitors show a - even though with increasing frequency decreasing - resistance, the network works here as a shortening capacitor, which lets the primary resonance of the radiator move up about 2 MHz. This is no severe problem, as these frequencies above 10 MHz are always matchable efficiently by a low-loss tuner, especially if it is positioned as near as possible to the foot of the antenna. But yes, the efficiency on e.g. 10 or 14 MHz will slightly decrease, though it might be about 1 dB or less.

Looking at the extra resonances at 3.8 and 7.2 MHz which are a result of the insertion of the matching network into the radiator, it has to be observed that these resonances are caused by the whole system including the upper part of the radiator. The LC-combinations do NOT work as traps (their parallel resonances lie clearly above 3.8 and 7.2 MHz). For a better understanding you might think of a Fuchs-circuit, which has a radiating load with high impedance at its upper end. A change of the radiators resonance (and thereby impedance) can be compensated by retuning the circuit, even if the circuits resonance will no longer be equal to the working frequency. But this measure makes the resonance frequency of the whole system identical with the working frequency.

Finally the described antenna behaves as an antenna with loading coil, though of course with several resonance points. The illustrations below show the behaviors of three antennas on 80m: To the left one with loading coil, in the middle the multi-resonant mobile antenna, to the right a trap-antenna...


Die primäre Resonanz des nackten Strahlers läge bei etwa 16 MHz. Durch Einfügen des Anpass-Netzwerks, bei dem für die höheren Frequenzen die Induktivitäten nahezu sperren und die Kapazitäten einen - wenn auch mit steigender Frequenz immer geringeren - Widerstand aufweisen, stellt sich das Netzwerk hier als Verkürzungskondensator dar, was die primäre Resonanz des Strahlers um etwa 2 MHz nach oben schiebt. Dies ist kein ernstes Problem, da auf den Frequenzen ab 10 MHz mit einem halbwegs verlustarmen Tuner (möglichst nahe am Antennenfußpunkt) in jedem Fall effizient angepasst werden kann. Aber ja, die Effektivität auf z.B. 10 oder 14 MHz wird sich geringfügig verringern, allerdings in Bereichen von 1 dB oder weniger.

Bei den durch Einfügen des Anpass-Netzwerks in den Strahler zusätzlich geschaffenen Resonanzpunkten bei 3.8 und 7.2 MHz ist zu beachten, dass diese Resonanzen durch das Gesamtsystem inklusive dem oberen Strahlerteil entstehen. Die LC-Kombinationen wirken NICHT als Trap-Sperrkreise (ihre Eigenresonanzen liegen auch jeweils deutlich über 3.8 und 7.2 MHz). Zum Verständnis mag ein Gedanke an einen Fuchs-Kreis helfen, bei dem auf der Oberseite eine strahlende Last mit hoher Impedanz liegt. Eine Veränderung der Strahlerresonanz (und damit der Impedanz) kann durch Verstimmen des Kreises ausgeglichen werden, selbst wenn dann die Kreisfrequenz nicht mehr der Betriebsfrequenz entspricht. Aber damit wird die Resonanzfrequenz des gesamten Systems der Betriebsfrequenz angeglichen.

Im Ergebnis verhält sich die beschriebene Antenne wie eine Antenne mit Ladespule, aber eben mit mehreren Resonanzpunkten. Die Abbildungen unten zeigen das Verhalten dreier Antennen auf 80m: Links mit Ladespule, in der Mitte die multiresonante Mobilantenne, rechts eine Trap-Antenne...


Den primära frekvensen av den nakna radiatorn låg vid ca. 16 MHz. Genom infogandet av anpassningsnätverket, dess induktiviteter spärrar de högre frekvenserna nästan helt och dess kapaciteter har en - fastän med stigande frekvens allt mindre - motstånd, fungerar nätverket här som förkortningskondensator, som förskjuter den primära resonansen av radiatorn ca. 2 MHz uppåt. Det är dock knappast ett större problem, då man kan använda en tuner med låga förluster (så nära som möjligt antennfoten) med tillfredsställande effekt på dessa frekvenser ovanför 10 MHz. Javisst, effektiviteten ska minska lite på t.ex. 10 eller 14 MHz, dock bara i storlekar av kanske 1 dB eller mindre.

När man betraktar de genom infogandet av anpassningsnätverket tillkomna resonanser vid 3.8 och 7.2 MHz borde iakttas, att dessa resonanser skapas genom det hela systemet inklusive den övre delen av radiatorn. LC-kombinationerna fungerar INTE som trap-spärrkretsar (deras egenresonanser ligger även tydligt ovanför 3.8 och 7.2 MHz). För att bättre kunna förstå principen är det kanske hjälpsam att tänka på en Fuchs-krets, som har en strålande last med hög impedans vid övre änden. En förändring av radiatorns resonans (och därmed impedans) kan utjämnas genom att förändra kretsen, även om kretsens frekvens är därefter inte längre identisk med driftfrekvensen. På det sättet blir dock hela systemets resonansfrekvens identisk med driftfrekvensen.

I praktiken beter sig den beskrivna antennen som en antenn med förlängningsspole, fastän med flera resonanspunkter. Illustrationerna nedan visar beteendet av tre antenner på 80m: Till vänster med förlängningsspole, i mitten den multiresonanta mobilantennen, till höger en trap-antenn.





The following illustrations might help to explain the principle...

FIG. 1A:
This is the well-known, most common way to make an 80m mobile antenna resonant by means of a loading coil.

FIG. 1B:
The same effect may be obtained with an LC-combination, which is driven below its self-resonance, so that it behaves like an L. Here the coil has to be much smaller, but caused by the C there will be strong resonance currents in the circuit.
Beyond 3.8 MHz there will be the additional resonance fc at 16 MHz, which is mainly depending on the length of the radiator and is slightly pushed up by C1.

FIG. 1C:
A further possibility to get a resonance at 3.8 MHz is to split the needed reactance into two parts - into an LC circuit plus a coil L2.
The additional coil L2 pulls the 16-MHz-resonance fc from FIG. 1B down to 10.6 MHz.

FIG. 1D:
When you place an additional capacitor C2 parallel to coil L2, you'll get the desired resonance f2 at 7.2 MHz, while the path over the two capacitors results in the resonance fc at 18.7 MHz.

FIG. 2A - FIG. 2D:
The illustrations 2A to 2D show the current paths for the different resonances through the elements that are specifically mainly involved.



Die folgenden Abbildungen sollen helfen, das Prinzip zu veranschaulichen...

FIG. 1A:
Hier sehen wir die gebräuchlichste Lösung, eine 80m-Mobilantenne in Resonanz zu bringen - mit Hilfe einer Verlängerungsspule.

FIG. 1B:
Die gleiche Wirkung lässt sich mit einem LC-Glied erzielen, das unterhalb seiner Eigenresonanz betrieben wird und sich somit wie ein L verhält. Die Spule wird hier deutlich kleiner, es fließen aber infolge des Cs erhebliche Resonanzströme im Kreis.
Außer bei 3.8 MHz bildet sich bei 16 MHz die zusätzliche Resonanz fc, die im wesentlichen von der mechanischen Länge des Strahlers abhängt und durch C1 leicht nach oben veschoben wird.

FIG. 1C:
Eine weitere Möglichkeit, Resonanz bei 3.8 MHz herzustellen, besteht darin, die nötige Reaktanz in zwei Teile aufzuspalten - in einen LC-Kreis plus einer Spule L2.
Die zusätzliche Spule L2 verschiebt die 16-MHz-Resonanz fc aus FIG. 1B auf 10.6 MHz.

FIG. 1D:
Wird parallel zur zusätzlichen Spule L2 ein Kondensator C2 gelegt, ergibt sich zusätzlich die gewünschte Resonanz f2 bei 7.2 MHz, während der Weg über beide Kondensatoren die Resonanz fc bei 18.7 MHz ergibt.

FIG. 2A - FIG. 2D:
Die Abbildungen 2A bis 2D zeigen die Stromwege für die Resonanzfrequenzen durch die jeweils hauptsächlich beteiligten Elemente.



Följande illustrationer ska hjälpa till att åskådliggöra principen...

FIG. 1A:
Här ser vi den vanligaste lösningen att framställa resonans i en 80m-mobilantenn - med hjälp av en förlängningsspole.

FIG. 1B:
Samma resultat kan skapas genom en LC-kombination, som drivs nedanför sin egenresonans och beter sig således som ett L. Spolen blir här mycket mindre, dock flödar stora resonansströmmar inom kretsen som följd av kondensatorn.
Förutom på 3.8 MHz bildas nu ytterligare en resonans fc på 16 MHz, som huvudsakligen beror på radiatorns längd och skiftas något uppåt i frekvensen p.g.a. C1.

FIG. 1C:
En annan möjlighet att skapa resonans på 3.8 MHz består i en uppsplittring av den nödvändiga reaktansen i två delar - i en LC-kombination plus en spole L2.
Den nytillkomna spolen L2 drar 16-MHz-resonansen fc från FIG. 1B ner till numera 10.6 MHz.

FIG. 1D:
Läggs nu en kondesator C2 parallellt till spolen L2, bildas den önskade resonansen f2 på 7.2 MHz, medan vägen genom bägge kondensatorer bildar resonansen fc med 18.7 MHz.

FIG. 2A - FIG. 2D:
Illustrationerna 2A till 2D visar strömvägarna för resonansfrekvenserna genom de huvudsakligt involverade elementen.





4NEC2 calculation results for several selected amateur radio frequencies...

4NEC2-Berechnungsergebnisse zu einigen ausgewählten Amateurfunkfrequenzen...

4NEC2-kalkulationsresultat för några utvalda amatörradio-frekvenser...



The increasingly ball-shaped radiation diagrams at higher frequencies are a result of the horizontal (upper) part of the radiator. This would not occur if you used a straight vertical radiator.

Die zunehmend kugelförmigen Strahlungsdiagramme auf höheren Frequenzen sind ein Resultat des horizontalen (oberen) Teils des Strahlers. Dieses würde bei einem rein vertikalen Strahler nicht auftreten.

De tilltagande klotformade strålningsdiagrammen på högre frekvenser är en resultat av den horisontella (övre) delen av radiatorn. Sådant skulle inte uppstå när man använde en rent vertikal radiator.



REALIZATION


   

   

   



   



RESULT




When I made measurements with the MINI-VNA I was impressed how close the real values came to the predicted ones. Only the resonance at 19.7 MHz was higher than calculated, probably due to the extremely simplified shape of the vehicle I used in the 4NEC2-model.

A fieldstrength measurement on 80m over a distance of 500m showed that the multi-resonant mobile antenna provided at least the same value as the same antenna form with loading coil.

Further comparisons were taken out on 80m under the same measurement conditions between commercial mobile antennas and my multi-resonant mobile antenna. The results showed that a TARHEEL M200A-HP reached the same value, whereas an EKO-ANTENNA 80m mobile antenna deliverad a some dB lower signal, and even below that value was a DXM90 80m type by DK2RZ (but considering how short it is, it is no fair competition).

Could this antenna type even be used without a tuner? Of course it could, but you would have to be very accurate when doing the fine adjustment of the coils and you would need an extra shunt coil of some µH at the foot of the antenna, as you always need when a mobile antenna with high-Q loading coil wants to be used at a 52 Ohm coax cable.


Bei Messungen mit dem MINI-VNA war ich überrascht, wie genau die realen Werte den vorausberechneten entsprachen. Nur die Resonanz bei 19.7 MHz war höher als erwartet, wahrscheinlich bedingt durch die extrem vereinfachte Form des Fahrzeugs, die ich für das 4NEC2-Modell verwendet hatte.

Eine Feldstärkemessung auf 80m über eine Distanz von 500m zeigte, dass die multiresonante Mobilantenne mindestens den gleichen Wert lieferte wie die gleiche Antennenform mit Ladespule.

Weitere Vergleiche wurden unter den gleichen Messbedingungen zwischen käuflichen Mobilantennen und meiner multiresonanten Mobilantenne durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine TARHEEL M200A-HP den gleichen Wert erreichte, während eine EKO-ANTENNA 80m -Mobilantenne einige dB darunter lag, und noch unter diesem Wert lag ein DXM90 80m-Typ von DK2RZ (aber bei dessen geringer Länge ist ein Vergleich auch nicht wirklich fair).

Könnte dieser Antennentyp auch ohne Tuner verwendet werden? Natürlich ja, aber man müsste beim Feinabgleich der Spulen sehr akkurat vorgehen, und man würde eine zusätzliche Shuntspule von einigen µH am Fuß der Antenne benötigen, wie immer, wenn eine Mobilantenne mit Ladespule hoher Güte an 52 Ohm Coaxkabel betrieben werden soll.


När jag genomförde mätningar med en MINI-VNA var jag överraskat, hur bra de reala värden passade med mina beräkningar. Bara resonansen på 19.7 MHz låg högre än väntad, sannolikt p.g.a. den mycket förenklade formen av fordonet, som jag hade använt för 4NEC2-modellen.

En fältstyrkemätning på 80m över en distans av 500m levererade minst lika värden för den multiresonanta mobilantennen som för samma antennform med förlängningsspole.

Ytterligare jämförelser genomfördes under samma mätkonditioner mellen kommersiella mobilantenner och min multiresonanta mobilantenn. Resultaten visade att en TARHEEL M200A-HP nådde samma värde, medan en EKO-ANTENNA 80m-mobilantenn låg ett par dB lägre, och även lägre var värdet av en DXM90 80m-typ från DK2RZ (men när man iakttar dess ringa längd, är en sådan jämförelse väl knappast hederlig).

Kunde man använda denna antenntyp utan tuner? Visst kunde man, men då måste man arbeta mycket ackurat vid finjusteringen av spolarna, och det behövdes en extra shuntspole av några µH vid antennfoten, som alltid behövs, när en mobilantenn med en förlängningsspole av högt Q ska matas via en 52 Ohm koaxialkabel.




CONCLUSION


I am very happy and quite proud about this antenna. At the moment I do not see any reason to use a different mobile antenna concept in the future.

I can only encourage you to make your own experiments following the presented principle.

If you write about it I would be pleased if this concept would be cited as DF8HL MULTI-RESONANT HF MOBILE ANTENNA.

Even other versions are thinkable, e.g. a version with a third LC-combination. That would look like this...

DF8HL MULTI-RESONANT HF MOBILE ANTENNA 3LC



Ich bin sehr froh und etwas stolz über diese Antenne. Im Augenblick sehe ich keinen Grund, in Zukunft ein anderes Mobilantennen-Konzept zu verwenden.

Ich kann dich nur ermutigen, eigene Experimente nach dem vorgestellten Prinzip zu machen.

Solltest du darüber schreiben, fände ich es nett, wenn dieses Konzept zitiert werden würde als DF8HL MULTIRESONANTE HF-MOBILANTENNE.

Auch andere Versionen sind denkbar, z.B. eine Version mit einer dritten LC-Kombination. Das würde dann so aussehen...

DF8HL MULTIRESONANTE HF-MOBILANTENNE 3LC



Jag är mycket glad och lite stolt över denna antenn. För närvarande ser jag ingen anledning att använda något annat mobilantenn-koncept i framtiden.

Jag kan bara uppmuntra dig att göra egna experiment följande den presenterade principen.

Skulle du skriva om det, tyckte jag att det vore snällt att citera detta koncept som DF8HL MULTIRESONANT HF-MOBILANTENN.

Även andra versioner är tänkbar, t.ex. en version med en tredje LC-kombination. Det kunde se ut så här...

DF8HL MULTIRESONANT HF-MOBILANTENN 3LC




FURTHER IMPROVEMENTS


2016-04:

In real use over several months the ceramic capacitors turned out to be a problem: Though I used class I ceramic types, they became considerably warm.
I did not want to accept these losses and decided to build PTFE tubular capacitors myself, which even had the advantage of being fine-adjustable.
The result seems to be a full success and may be seen as the dot over the i for the project...


Im realen Gebrauch über mehrere Monate stellte sich heraus, dass die Keramik-Cs ein Problem darstellten: Obwohl ich Klasse I -Keramik-Typen verwendet hatte, wurden sie beträchtlich warm.
Da ich diese Verluste nicht hinnehmen wollte, konstruierte ich selbst PTFE-Rohrkondensatoren, die zusätzlich den Vorteil der Feinabgleich-Möglichkeit boten.
Das Ergebnis scheint ein voller Erfolg zu sein und kann für dieses Projekt als der Punkt auf dem I angesehen werden...


Under real användning i flera månader visade sig keramik-kondensatorerna att vara ett problem: Trots att jag hade använt keramik klass I -typer skedde en påtaglig uppvärmning.
Eftersom jag ville inte acceptera dessa förluster, konstruerade jag PTFE-rörkondensatorer, som hade den ytterligare fördelen att vara finjusterbar.
Hittills fungerar de utmärkt och kan anses som pricken över iet inom projektet...


   


2016-12:

After the teflon-capacitors melted and blew off with heavy arcs on an autumn trip 2016, I tried a solution with polypropylene tubes as dielectricum - with good results so far at first power tests.
Besides of that I shifted the 2. resonance frequency from 7 Mhz to 10 MHz (2. capacitor reduced from 48 pF to7 pF), in order to obtain higher efficiency on 10.147 MHz (APRS). It was just at 10 MHz where the previous solution had a weak point, which I hadn't really noticed, though it could have been interpreted out of the 4NEC2-calculations further up: Looking at the current distribution along the radiator it is conspicuous, that there is only low current above the LC-combination on 10 MHz. The reason is, that the antiresonance of the 2. LC-combination was near 10 MHz, which was very disadvantageous in view of the importance of the band for mobile APRS traffic.


Nachdem die Teflon-Kondensatoren im Herbst 2016 auf einer Reise geschmolzen und mit starken Lichtbögen durchgeschlagen waren, nun eine Lösung aus Polypropylen-Rohr als Dielektrikum - bei ersten Leistungstests bisher mit gutem Ergebnis.
Außerdem verschob ich die 2. Resonanzfrequenz von 7 MHz auf nahe 10 MHz (2. Kapazität von 48 pF auf 7 pF verringert), um einen höheren Wirkungsgrad auf 10.147 MHz (APRS) zu erreichen. Genau bei 10 MHz lag bei der bisherigen Lösung nämlich eine Schwachstelle, die mir zunächst nicht recht aufgefallen war, aber eigentlich in den 4NEC2-Berechnungen weiter oben schon erkennbar hätte sein sollen: Es fällt bei der Stromverteilung auf dem Strahler auf, dass bei 10 MHz nur wenig Strom oberhalb der LC-Glieder fließt. Die Ursache liegt darin, dass die Sperrresonanz des 2. LC-Gliedes nahe 10 MHz lag, was natürlich angesichts der Bedeutung des Bandes für mobilen APRS-Betrieb sehr ungünstig war.


Efter teflon-kondensatorerna smältade och slog genom med starka ljusbågar under en höstresa 2016, bytte jag nu till en lösning med polypropylen-rör som dielektrikum - hittills med goda resultat under flera hårda testar.
Dessutom försköt jag den 2. resonansfrekvensen från 7 MHz till nära 10 MHz (2. kapacitet minskat från 48 pF till 7 pF), för att få högre effektivitet på 10.147 MHz (APRS). Just vid 10 MHz hade den hittillsvarande lösningen nämligen haft en svag punkt, som jag hade inte riktigt lagt märke till, men som egentligen blev synbar redan i 4NEC2-beräkningarna längre upp: Det är uppenbart, att strömfördelningen på radiatorn visar bara svag ström ovanför LC-kombinationerna på 10 MHz. Orsaken är att spärr-resonansen av den 2. LC-kombinationen låg nära 10 MHz, som var mycket ogynnsam med hänsyn till den stora betydelsen av bandet för mobila APRS-operationer.


             









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