Antennes en transmissielijnen

Een antenne zet het hoogfrequente signaal van de zender om in een radiogolf, en bij ontvangst werkt het andersom. De transmissielijn (voedingslijn) brengt de energie met zo weinig mogelijk verlies van de zender naar de antenne. Voor het N-examen moet je van vier antennetypen de opbouw, de richteigenschappen en de polarisatie kennen. Van coaxkabel en open lijn moet je de opbouw, het gebruik en de voor- en nadelen kennen, en je moet weten waarvoor een antenne-aanpassingseenheid dient.

Golflengte en antennelengte

Hoe lang een antenne is, hangt af van de golflengte. Radiogolven gaan met de lichtsnelheid (c ≈ 300 000 km/s = 3 · 10⁸ m/s). Uit v = f · λ volgt de vuistregel:

λ (m) = 300 / f (MHz) en omgekeerd f (MHz) = 300 / λ (m)

Antenne(deel)	Elektrische lengte
Halvegolfdipool, totaal	λ/2
Elke helft van een dipool	λ/4
Straler van een groundplane	λ/4
Radiaal van een groundplane	ongeveer λ/4

Rekenvoorbeeld. Je wilt een dipool voor 7,05 MHz. λ = 300 / 7,05 ≈ 42,6 m → λ/2 ≈ 21,3 m. De dipool bestaat dus uit twee draden van elk ongeveer 10,6 m.

Andersom. Een groundplane heeft een straler van 0,5 m. Die straler is λ/4, dus λ = 4 × 0,5 = 2 m en f = 300 / 2 = 150 MHz.

Een echte draadantenne is iets korter dan de berekende lengte, ongeveer 95 %, door het zogenoemde eindeffect. Staat er in een vraag "ongeveer" of "zonder verkortingsfactor", reken dan met de zuivere λ/2 of λ/4. Hoe hoger de frequentie, hoe korter de golflengte en hoe kleiner de antenne.

Polarisatie

De polarisatie van een radiogolf is de richting van het elektrische veld. Die richting volgt de stralende elementen van de antenne:

• Een horizontale draad of horizontale Yagi-elementen geven horizontale polarisatie.
• Een verticale straler (groundplane, sprietantenne op de auto) geeft verticale polarisatie.

Bij verbindingen op VHF en UHF moeten zend- en ontvangstantenne dezelfde polarisatie hebben. Met een verticale antenne ontvang je een horizontaal gepolariseerd signaal veel zwakker. Op 2 m en 70 cm werken FM-verkeer en repeaters meestal verticaal; EZB (SSB) en CW voor grote afstanden vaak horizontaal. Op HF maakt het minder uit, omdat de ionosfeer de polarisatie onderweg verandert.

Halvegolfdipool

Opbouw van de dipool

Een halvegolfdipool bestaat uit twee even lange geleiders van elk λ/4, samen λ/2. In het midden zit een isolator en daar wordt de antenne gevoed: de ene ader van de voedingslijn gaat naar de ene helft, de andere ader naar de andere helft.

• In het midden is de stroom maximaal en de spanning minimaal, dus de impedantie is laag.
• Aan de uiteinden is de spanning maximaal en de stroom nul.
• Achtergrond (de N-eisen vragen bij antennes alleen opbouw, richteigenschappen en polarisatie; voedingsimpedanties zijn F-stof): de voedingsimpedantie is in de vrije ruimte ongeveer 70 Ω (precies: 73 Ω). Dichter bij de grond wijkt die waarde af. Je kunt een dipool goed voeden met 50 Ω- of 75 Ω-coax.

Een dipool is symmetrisch, coax is asymmetrisch. Vaak zet men daarom een balun (symmetrie-transformator) in het voedingspunt.

Richtwerking van de dipool

Een dipool straalt het sterkst loodrecht op de draad en bijna niets in het verlengde van de draad (de uiteinden op). Van bovenaf gezien heeft het stralingsdiagram de vorm van een acht. Een horizontale dipool die oost-west hangt, straalt dus vooral naar het noorden en het zuiden. (Dicht bij de grond wordt het diagram ronder, maar voor het examen geldt de acht.)

Polarisatie van de dipool

Een horizontaal opgehangen dipool is horizontaal gepolariseerd. Hang je hem verticaal, dan is hij verticaal gepolariseerd en straalt hij in het horizontale vlak naar alle kanten.

Eindgevoede antenne

Een eindgevoede antenne is een draad die aan één uiteinde wordt gevoed in plaats van in het midden.

• Bij een halvegolfdraad ligt het voedingspunt dan op een spanningsmaximum. De impedantie is daar zeer hoog (enkele duizenden ohm). Je hebt dus een aanpassing nodig, bijvoorbeeld een transformator of een tuner, om op 50 Ω uit te komen.

• Voordeel: praktisch. Het voedingspunt kan bij het huis of de shack liggen; je hoeft geen kabel naar het midden van de draad te brengen.

• Nadeel: de antenne wordt niet symmetrisch gevoed. De hf-stroom zoekt een terugweg via de mantel van de coax, de aarde, het lichtnet en de apparatuur in huis. Daardoor komt er hf in de shack en is de kans op storing bij jezelf en de buren groter. Een goede hf-aarde of tegengewicht is nodig. Bij storingsproblemen raden de exameneisen (eindterm 9) juist aan eindgevoede antennes te vermijden.

• De polarisatie volgt de richting van de draad, net als bij de dipool.

• Op het voedingspunt loopt vrijwel geen stroom, dus daar staat een zeer hoge hf-spanning. Daarom moet de isolatie bij het voedingspunt goed zijn.

• Een klassieke uitvoering is de Zepp (Zeppelin-antenne): een λ/2-draad die aan het eind wordt gevoed via een open tweedraadslijn. Eén ader zit aan het eind van de draad, de andere ader eindigt open. In een examenfiguur herken je hem daaraan.

• Een eindgevoede halvegolfantenne is gewoon λ/2 lang. Een draad van 20 m is dus resonant bij λ = 40 m, dat is f = 300 / 40 = 7,5 MHz.

Kwartgolfdraad zonder voedingslijn: een draad van λ/4 die direct op de (geaarde) zender wordt aangesloten, is op het voedingspunt laagohmig. Daar zit het stroommaximum; het spanningsmaximum zit aan het open uiteinde. De sterkste straling komt dus van het stuk vlak bij de zender, in de shack. Dat geeft veel hf in huis en meer kans op storing.

Kwartgolf groundplane

Opbouw van de groundplane

• Een verticale straler van λ/4, aan de onderkant gevoed met de binnengeleider van de coax.
• Drie of vier radialen van ongeveer λ/4, verbonden met de afscherming van de coax.

De radialen vormen een kunstmatig aardvlak (ground plane). Dat aardvlak "spiegelt" de straler en vervangt zo de ontbrekende helft van een verticale dipool. Op een auto doet het metalen dak dienst als aardvlak.

Impedantie van de groundplane

Dit staat niet letterlijk in de N-eisen, maar de VRZA-cursus N behandelt het en oude N-examens vroegen ernaar. Met horizontale radialen is de voedingsimpedantie ongeveer 36 Ω, de helft van die van een dipool. Laat je de radialen schuin naar beneden lopen (ongeveer 45°), dan stijgt de impedantie tot ongeveer 50 Ω en past de antenne beter op 50 Ω-coax. Een groundplane is asymmetrisch (straler aan de binnenader, radialen aan de afscherming). Daarom voed je hem met coax en niet met symmetrische lintlijn; bij schuin aflopende radialen past 50 Ω-coax precies.

Richtwerking en polarisatie van de groundplane

• Rondstraler: in het horizontale vlak straalt hij naar alle richtingen even sterk.
• Recht omhoog straalt hij bijna niets; de straling gaat onder een lage hoek weg.
• Verticale polarisatie.

Daarom wordt de groundplane veel gebruikt voor FM-verkeer op 2 m en 70 cm (vaste stations, mobiel, repeaters).

Yagi-antenne

Een Yagi is een antenne met parasitaire elementen. Op een drager (de boom) zitten evenwijdige elementen. Alleen het gestuurde element (straler, meestal een halvegolfdipool) is met de voedingslijn verbonden. De andere elementen zijn niet aangesloten: ze vangen straling van het gestuurde element op en stralen die weer uit. Daardoor versterkt de straling elkaar in één richting en verzwakt ze in de andere richtingen.

Element	Plaats	Lengte
Reflector	achter het gestuurde element	iets langer dan het gestuurde element (ongeveer 5 %)
Gestuurd element	in het midden, hier zit de kabel	ongeveer λ/2
Directoren	voor het gestuurde element	iets korter, vaak steeds korter naar voren

Ezelsbrug: de Reflector is de Reus achteraan, de directoren wijzen de weg.

Het gestuurde element is vaak een gevouwen dipool. Van achter naar voren staan de elementen in deze volgorde: reflector, gestuurd element (gevouwen dipool), director(en).

Richtwerking van de Yagi

• De Yagi straalt het sterkst vanaf de reflector in de richting van de directoren.
• Winst: in de voorkeursrichting is het signaal sterker dan bij een dipool. De antenne maakt geen extra vermogen, maar bundelt het vermogen in één richting. Winst t.o.v. een dipool wordt in dBd opgegeven.
• Voor-achterverhouding: de verhouding tussen de straling naar voren en de straling naar achteren, in dB. Een hoge voor-achterverhouding betekent dat je weinig last hebt van stations (en storing) achter je.
• Meer directoren geven meer winst en een smallere bundel (kleinere openingshoek). De antenne wordt wel langer.
• Een Yagi moet je naar het tegenstation draaien, meestal met een rotor.

Polarisatie van de Yagi

Horizontale elementen geven horizontale polarisatie, verticale elementen geven verticale polarisatie.

Transmissielijnen

Een transmissielijn verbindt zender en antenne. Elke lijn heeft een karakteristieke impedantie (golfimpedantie). Die hangt af van de afmetingen van de geleiders, de afstand ertussen en het isolatiemateriaal, en niet van de lengte van de lijn.

Coaxkabel

Opbouw van binnen naar buiten:

1. Binnengeleider (massieve of gevlochten koperdraad)
2. Diëlektricum (isolatie, bijvoorbeeld polyetheen of schuim)
3. Buitengeleider of afscherming (koperen vlechtwerk en/of folie)
4. Buitenmantel (kunststof, beschermt tegen vocht en beschadiging)

Zendamateurs gebruiken coax van 50 Ω; TV- en omroepkabel is 75 Ω. Coax is asymmetrisch (ongebalanceerd). Het hf-veld zit binnen de afscherming.

• Voordelen: afgeschermd, dus nauwelijks gevoelig voor de omgeving. Je kunt coax langs metaal, door muren of onder de grond leggen. Hij straalt weinig uit en pikt weinig op. Je sluit hem direct aan op de 50 Ω-uitgang van de transceiver.
• Nadelen: hogere verliezen dan open lijn. De verliezen nemen toe met de frequentie, met de lengte en met een hoge SWR. Voor UHF heb je dikke (dure) kabel nodig. Vocht in de kabel verhoogt het verlies.

Open lijn

Een open lijn bestaat uit twee evenwijdige geleiders op vaste afstand, gescheiden door afstandshouders (spreiders) of een strook kunststof (lintlijn, vensterlijn of "ladderlijn").

• Karakteristieke impedantie is hoog: ongeveer 300 Ω (lintlijn) tot 450–600 Ω (vensterlijn en open lijn met spreiders).
• De lijn is symmetrisch (gebalanceerd): in beide draden lopen even grote, tegengestelde stromen, zodat de velden elkaar buiten de lijn opheffen.
• Voordelen: zeer lage verliezen, ook bij een hoge SWR; licht en goedkoop. Geschikt om met een tuner één draadantenne op meerdere banden te gebruiken.
• Nadelen: niet afgeschermd en daardoor gevoelig voor de omgeving. Metaal, muren, regen en sneeuw in de buurt verstoren de balans; dan straalt de lijn mee en nemen de verliezen toe. De lijn moet dus vrij hangen, op afstand van metaal en muren. Lastig het huis in te voeren. Je hebt een tuner met symmetrische uitgang of een balun nodig om op de transceiver aan te sluiten.

Coax of open lijn

	Coaxkabel	Open lijn
Opbouw	binnengeleider, diëlektricum, afscherming, mantel	twee evenwijdige draden
Impedantie	50 Ω (amateur), 75 Ω (TV)	300–600 Ω
Symmetrie	asymmetrisch	symmetrisch
Verlies	hoger, stijgt met frequentie	laag, ook bij hoge SWR
Afscherming	ja, ongevoelig voor omgeving	nee, gevoelig voor omgeving
Aansluiten op transceiver	direct	via tuner of balun

Staande golven en SWR

Is de impedantie van de antenne gelijk aan de karakteristieke impedantie van de kabel, dan neemt de antenne alle energie op. Op de kabel loopt dan alleen een heengaande golf.

Zijn de impedanties niet gelijk, dan kaatst een deel van de energie bij de antenne terug naar de zender. Heengaande en teruggekaatste golf vormen samen een staande golf: op vaste plaatsen langs de kabel is de spanning maximaal of minimaal.

• SWR (staandegolfverhouding) = Umax / Umin op de lijn.
• SWR 1 : 1 = perfecte aanpassing, niets teruggekaatst. Hoe groter het impedantieverschil, hoe hoger de SWR. De SWR is nooit kleiner dan 1.
• Achtergrond (rekenen met de staandegolfverhouding is F-stof; voor N moet je weten waardoor staande golven ontstaan en wat een hoge SWR betekent): bij een zuivere weerstand als belasting is SWR = grootste impedantie / kleinste impedantie. Voorbeeld: antenne van 100 Ω aan 50 Ω-coax → SWR = 100 / 50 = 2 : 1.
• Een open of kortgesloten kabeleinde kaatst (vrijwel) alles terug: de SWR is dan zeer hoog.
• Oorzaken van een hoge SWR: antenne niet resonant op de gebruikte frequentie (verkeerde lengte), verkeerde kabel, defecte of natte connector, onderbreking of kortsluiting.
• Gevolgen: extra verlies in de kabel, en de zender ziet geen 50 Ω. Een transistoreindtrap regelt dan zijn vermogen terug of kan beschadigd raken.

De SWR meet je met een staandegolfmeter (zie eindterm 8).

Antenne-aanpassingseenheid

Een antenne-aanpassingseenheid (antennetuner, ATU) zet de impedantie van het antennesysteem (antenne plus voedingslijn) om naar de 50 Ω die de zender nodig heeft. De zender wordt dan goed belast en kan zijn volle vermogen veilig afgeven. Zo kun je ook een antenne gebruiken op een band waarvoor hij niet resonant is.

Een tuner maakt de antenne zelf niet beter: tussen tuner en antenne blijft de staande golf gewoon bestaan. Een tuner versterkt het signaal ook niet.

Examentips

• λ = 300 / f met f in MHz en λ in meter. Let op wat er gevraagd wordt: hele golf (λ), dipool (λ/2) of kwartgolf (λ/4). De afleiders zijn vaak precies de andere twee.
• Dipool: voeding in het midden, sterkst loodrecht op de draad.
• Groundplane: λ/4 verticaal, radialen, rondstraler, verticaal gepolariseerd.
• Yagi: reflector achter en langer, directoren voor en korter, straalt naar de directoren.
• Eindgevoede antenne: hoge impedantie aan het eind en meer kans op storing.
• Polarisatie = richting van het elektrische veld = richting van de elementen.
• Coax: 50 Ω, afgeschermd, hogere verliezen. Open lijn: 300–600 Ω, lage verliezen, gevoelig voor de omgeving.
• Staande golven ontstaan door een verschil tussen antenne- en kabelimpedantie. SWR 1 : 1 is ideaal.
• Een tuner past de impedantie aan voor de zender; hij versterkt niets.