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
my 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 meinen
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 min 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.
2018-02:
A version with only 2 resonances (1 LC circuit), optimized for 80m. The coil
consists of 3mm copper tube, with a free space between the windings of about
2 mm. The result was a gain of one more dB on 80m.
Eine Version mit nur 2 Resonanzen (1 LC-Kreis), optimiert für 80m. Die Spule
besteht aus 3mm Kupferrohr, mit einem lichten Abstand von ca. 2mm zwischen
den Windungen. Das Ergebnis war ein Gewinn eines weiteren dBs auf 80m.
En version med bara 2 resonanser (1 LC-krets), optimerad för 80m. Spolen
består av 3mm kopparrör, lindad med mellanrum av ca. 2mm.
Resultatet var ytterligare en dB på 80m.
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