PA1BJ Antennes e.d.: Varactor tuned 3 or 4 elem. FM yagi antenna

Door varicap diodes in het midden van de antenne-elementen te plaatsen, kunnen we het element hoger in frequentie afstemmen. (Het is precies het tegenovergestelde van het plaatsen van spoelen). Dat betekent dus dat we een director of reflector kunnen maken die elektrisch korter is dan zijn fysieke lengte.

De FM-omroepband is ideaal voor een dergelijk experiment. Standaard FM-yagi's zijn dat altijd

breedbandig. Dus dat betekent dat voor 3 of 4 elementen de versterking en de F/B-verhouding relatief laag zijn.

BB640 varicaps hebben een capaciteit van 3 tot 70 pF. Dit is een mooi bereik voor FM-antennes.

Ik heb een tuningbox gemaakt met vier potmeters van 20 K. Hierop komt 30 volt voedingsspanning te staan.

Alle elementen moeten ongeveer 3% langer zijn dan voor 88 Mhz optimaal zou zijn. Dit komt door het maximum van 70 pF in het midden.

Ik heb het in MMANA getest en dit gaf goede resultaten.

De reflector is 174 cm breed en van 6 mm buis.

Aanvankelijk gebruikte ik een gevouwen dipool 152 cm breed gemaakt van 10 mm buis.

Een, iets bredere, open dipool zou het voordeel moeten hebben van een lagere impedantie en, zoals ik hoopte, betere prestaties. Omdat deze relatief breed is, neemt de impedantie toe.

Na simulaties in MMANA bleek dat twee keer 81 cm een goede lengte zou moeten zijn.

Ik heb tests gedaan maar het leek erop dat de laagste frequenties, 88 Mhz, niet binnen bereik waren.

Op 2 juli ontving ik een Italiaans VOR baken op 116,96 Mhz en de dipool kon zelfs worden afgesteld tot maximaal 118 Mhz.

Hierop heb ik besloten om de dipool te verlengen tot 2x90 cm, van 8mm buis en dit was een goede keuze.

Dergelijke lengtes lijken misschien veel te lang, maar dat is niet het geval.

De losse open dipool heeft een impedantie van 104,4 ohm bij 88 Mhz en 266 ohm bij 108 Mhz.

De varactors compenseren het reactactieve deel probleemloos.

Het toevoegen van een afgestemde reflector en director geeft een verlaging van 3 a 4 keer de dipoolimpedantie, dus dit zou een mooie waarde moeten zijn.

Een andere verbetering was het gebruik van een choke met 8 windingen RG316-kabel, in plaats van RG58.

Dit gaf een betere onderdrukking van verticale signalen.

De dipool heeft aan beide zijdes een varicap (i.v.m. balans), maar dit is geen probleem. Uiteraard is de maximum capaciteit slechts de helft. Maar de dipool bleek goed afstembaar.

De director is 154 cm breed en van 6 mm buis. Aanvankelijk was deze iets langer maar kon 108 Mhz niet bereiken.

Varicaps hebben aan beide kanten 10 K-weerstanden. De minpool is via de R aan massa worden bevestigd. De + pool gaat naar een kabel.

Resultaten:

Het werkt goed. Nu is een versterking ongeveer 7 dBd te halen en dit over de hele FM-band. Ik merkte dat afstemmen op sommige zenders meer effect heeft dan op andere. Vaak kan men een zender afstemmen op het minimum, soms verzwakken 40 dB maar niet op alle frequenties en niet op alle zenders. En het bleek dat ik in het bereik van 94 tot 101 Mhz de ontvangstrichting zelfs 180 graden kon draaien. Reflector wordt dan een director en de director een reflector.

De afstand tussen de elementen is te zien in schematic views.

Opmerkingen over het minimaal maken van stations:

Deze leuke optie werkt het beste voor stations met een andere polarisatie. Als de antenne bijvoorbeeld horizontaal is gemonteerd, werkt het opheffen van verticale stations goed.

Maar ook stations met dezelfde polariteit kunnen worden opgeheven. Het werkt het beste in de sector van 50 tot 310 graden vanuit de ontvangstrichting. Dus dat betekent dat hoe dichter een station bij de ontvangstrichting is, hoe moeilijker het is..

Om maximale versterking te verkrijgen, is het belangrijk dat de antenne nauwkeurig in de richting van het station wijst.

Schematic view for the 3 elements version.

Schematic for the 4 elements version.
It has more possibilities for a high F/B ratio.

English:

By placing varactor diodes in the center of the antenna elements we can tune the element higher in frequency. (It's just the opposite of placing coils). So that means that we can make a director or reflector that is electrically shorter then its fysical length.

The FM broadcast band is an ideal one for such an experiment. Standard FM yagis always are
wide band ones. So that means that for 3 or 4 element ones, gain and F/B ratio are relatively low.

BB640 varactors have a capacity from 3 till 70 pF. This is a nice range for FM antennas.
I made a tuning box with four potmeters of 20 K. This on a 30 volt supply works well.

All elements need to be about 3% longer then for 88 Mhz would be the optimum. This is because of the 70 pF maximum.
I draw it in MMANA and this gave good results.

The reflector is 174 cm wide of 6 mm tube.
The dipole is 152 cm wide made of 10 mm tube. With thicker tube the tuning range is larger. First director is 154 cm wide of 6 mm tube. Initially it was longer but couldn't reach 108 Mhz.

Option al second director is 152 cm. With this fourth element you can reach a very high

F/B ratio.

Varactors have 10 K resistors on each side. Minus pole can be attached to ground via the R. The + pole goes to a cable.

Results:

It works well. Now we can have about 7 dBd gain for the entire FM band. I noticed that tuning has more effect on some stations then others. Often one can tune a station to minimum, sometimes with 40 dB but not on all frequencies and not for all stations. And it appeared that in the range from 94 till 101 Mhz I could even turn the direction 180 degrees. Reflector becomes a director and director a reflector.

Tuning the dipole has the less effect compared with the others. So one can also built a version with only tuned reflector and director. (Which I did initially)
The last one is more important when DX-ing then 1 dB extra gain. A disadvantage, of course, is that one has to turn three knobs when switching to an other frequency.

Notes on cancelling out stations:

This nice option works the best for stations of other polarity. For example if antenna is mounted horizontal, cancelling out vertical stations works well.
But also stations of same polarity can be canceled out. It works the best in the sector from 50 till 310 degrees from the pointing direction. So that means that the closer a station is to the pointing direction, the more difficult it is..
To obtain maximum gain, it is important that the antenna it pointed out accurately to direction of the station.