Meer bereik met je MeshCore node of portofoon of zender (deel 3)
Nòg meer bereik (3) - Antennes, frequenties en golflengten
Daar zijn hele dikke boeken over geschreven, door de decennia heen. Zowel professioneel als door radiozendamateurs, is er heel veel aan gewerkt en geëxperimenteerd, teneinde voor een specifieke toepassing en een specifieke locatie, een optimaal resultaat te bereiken. Niet alles kan overal en soms moet er echt geïmproviseerd worden.
Op antennes kun je zo ongeveer afstuderen.
Een feit is dat des te hoger de frequentie (trilling) is, des te korter de golflengte wordt. Omgekeerd dus ook: hoe lager de frequentie, des te langer de golflengte. Dat heeft direct invloed op de grootte en effectiviteit van een antenne. Een plaatje om wellicht even wat langer naar te kijken:
Wat wij met onze oren kunnen waarnemen zit nog verder naar links dan op dit plaatje. Wat wij met onze ogen kunnen waarnemen, is maar een petieterig stukje van het hele spectrum, veel verder naar rechts. Om het helemaal overweldigend te maken een afbeelding met nog heel veel meer informatie.
Het electromagneitisch specrum uitgebreid:
Terug naar de antenne:
De minimale optimale lengte van een “straler” of “spriet” of antenne, is in principe een kwart van de golflengte. Dat los van allerlei technisch interessante oplossingen om betere antennes elektrisch anders te laten werken, zodat ze meer versterking/resultaat geven. De uitdaging hier is sowieso, dat de lengte van bijvoorbeeld een "gestapelde" verticale antenne, gebonden is aan natuurkundewetten. En die schalen niet. Voor veel versterking op een gegeven frequentie, worden dat (monsterlijk) lange antennes.
Even met wat cijfertjes die een beetje een idee geven:
| Frequentie | Golflengte | ¼ golf |
| 27 MHz (KG; Korte Golf, HF) | 11 meter | 2,75 meter / 275 cm |
| 150 MHz (VHF) | 2 meter | 0,5 meter / 50 cm |
| 435 MHz (UHF) | 70 cm | 0,175 metern / 17,5 cm |
| 869 MHz (UHF/EU868) | 34,5 cm | 0,086 meter / 8,6 cm |
| 1298 MHz (UHF) | 23,1 cm | 0,058 meter / 5,8 cm |
Een “dingetje”: op hogere frequenties en met een kwart golf ben je er vaak niet. Da’s best utje. Nog zo'n "lastig" ding: er is ook een “tegencapaciteit” nodig in dat geval en die moet dan ook een kwart golf zijn. Of een groot plat vlak metaal. Of een serie zogenaamde radialen, al dan niet onder een hoek. Oké, niet te ingewikkeld. Terug naar de dipool:
Met twee elementen van een kwart golf in elkaars verlengde, samen met een totale lengte van een halve golflengte, is er sprake van een dipool-antenne. Die versterkt 0 dB, of 2,15 dBi. Die geeft het dus alleen maar gewoon door, want die heeft een versterking van 1x.
Naarmate de frequentie hoger wordt, kan de antenne ook compacter worden. Zeker op een porto of met een meshcore companion is dat simpelweg erg praktisch! Bijvoorbeeld de antenne op de meeste 2/70 porto’s verraadt door de lengte ook gelijk dat het een compromis is, waarbij vaak ook elektrische/technische trucs uitgehaald worden, om het rendement toch nog iets te verbeteren. Vooral ook om de antenne bijvoorbeeld (elektrisch) geschikt te maken voor gebruik op zowel VHF als UHF. Dat wordt dan een dual-band antenne genoemd.
Het verloop van de diverse electromagnetische golven op een dipool:
Voor EU868 zijn er de nodige antennes met een lengte van zo'n 17 cm. Hé, dat lijkt wel een halve golf!
Antennes en uitdagingen: Radiopiraten op zee, een voorbeeld
Even voor de beeldvorming: Decennia geleden luisterden velen naar Radio Veronica, Noordzee, 538, Mi Amigo etc. op de middengolf, zoals die band genoemd wordt. De golflengten lopen van zo’n 190 tot 560 meter. Zie je jezelf al rondrijden met een kwart-golf antenne op je auto? Nee hè? Of zoiets in je achtertuin opstellen?
Dit is waarom er soms een heel arsenaal aan technische zaken uitgehaald moest worden, om iets te laten werken – al was het vaak ook verre van optimaal.
De constructie van zo’n antenne is een compromis, omdat er gewoon geen ruimte was om zo’n 96 meter antenne neer te kunnen zetten op een boot als de Norderney. (96 meter is dan een halve golflengte, een dipool)
Heb je trouwens gezien hoe de basis-constructie van de dipool is en hoe deze gevoed wordt?….. Oké, oké.. . Ik zou het zo simpel mogelijk houden. ;-)
Voetnootje: middengolf frequenties en gedrag is makkelijk een A4 aan te wijden – wellicht vele meer. Maar daar gaat het in dit verhaal over bereik en zo niet om.
dB en dBi, een verschil van 2,15 dB
Is dat belangrijk? Ja en nee. Nee, als het wiskundige en technische verhaal je niet zo boeit en het “hoog over” gaat.
Ja, als je wilt kunnen uitrekenen wat in JOUW specifieke geval het resultaat van je inspanningen en uitgaven gaat zijn. En vooral of je het gewenste resultaat kunt halen. Persoonlijk vind ik dat best wel spannend en relevant. Want:
- Als het over versterking en demping gaat, moet je de simpele rekensommetjes WEL weten, om teleurstellingen te voorkomen. De “het kost een paar centen” moet natuurlijk wel de moeite waard zijn!
- dBi en dB of ook wel dBd, zijn relevant bij antennes ten opzichte van een dipool en wat je aan de antenne echt uitstraalt. Daarom:
De dipool
De simpelste o dB versterkende antenne is in wezen een open dipool. Die is een halve golflengte lang. Gewoon 2 metalen staafjes/buisjes (elementen genoemd) van ieder een kwart golflengte, die geïsoleerd van elkaar en in elkaars verlengde staan. In het midden wordt de coax-kabel vastgemaakt. De kern aan de ene kant en de mantel aan de andere kant. De ene kant van de dipool is dan de signaal-zijde en de andere kant is de “massa” voor de balans.
Detail: de impedantie van een open dipool is in principe 50Ω. ← daar is hij weer!
Het voordeel van de dipool is het nette, simpele stralingsdiagram. Haaks op de elementen straalt het even sterk naar voren, achteren, boven en onder. Net een soort van donut. Simpel, makkelijk, recht-toe, rechtaan. In het gif-je, wordt het getoond op 1 vlak. Het is in wezen een complete donut er omheen, haaks op de elementen.
Merk op dat er in het verlengde van de elementen zo goed als geen straling is. Dat is ook de reden dat de antenne van een porto verticaal staat en daarom rondstralend is – als een “donut” die gewoon plat ligt. Dit wordt ook wel “verticale polarisatie” genoemd. In het plaatje hierboven wordt dan eigenlijk ook “horizontaal gepolariseerd” getoond.
De dipool versterkt niet. Ofwel 0 dBd, zoals het echt exact heet. Precies 1x.
Of biedt maar liefst 2,15 dBi versterking in vergelijk met een zogenaamde isotrope puntstraler (N.B.: dat ding bestaat fysiek niet eens). Vind je het wiskunde/natuurkunde op zijwegen? Dat is het wel een beetje. Helaas is dat dBi voor antennes wel de mores in radioland tegenwoordig.
- Die dBd wordt door de zendamateur eigenlijk als de “echte dB’s” aangemerkt.
Voor zo ongeveer alle antennes die je kunt kopen, wordt de te halen winst in dBi aangegeven, in plaats van dBd (steeds dB genoemd in dit blog).
Dat dBi ziet er psychologisch namelijk beter uit. 2,15 dB beter maar liefst!. Net als de prijzen van artikelen in winkels: €9,95 of daaromtrent. Dat lijkt een stuk minder dan €10,00 toch?
Het is ietwat verneukeratief, simpel zat.
Winst!
Wat je zou moeten willen willen (echt), is zoveel mogelijk winst te halen in het hele pad van porto of set of meshcore node, via de pluggen en de coax naar de antenne. In het ideale geval maak je zoveel winst, dat het uitgestraalde vermogen bij de antenne (ERP, Effective Radiated Power), meer is dan het vermogen dat door de porto of set wordt afgegeven. Dan weet je ook dat je meer signaal uit de ether kunt halen voor ontvangst.
Dat bepaalt dus ook of je een zwak signaal WEL of NIET ontvangt. Zeker voor de ontvangst is een goede antenne een vereiste. Je kunt wel een lompe versterker achter een zender plaatsen en met veel vermogen uitzenden.... als je tegenstations niet kunt ontvangen, is dat redelijk nutteloos.
Het rekensommetje nogmaals: de dB’s versterking van de antenne minus de demping van de coax = rendement/versterking. En die wil je zo hoog mogelijk boven de nul hebben. Hier geldt echt: iedere dB de goede kant op, is absolute winst.
Stel: de antenne die je wilt hebben, versterkt 5 dBi op VHF en 7,6 dBi op UHF. In de praktijk betekent dat respectievelijk 2,85 dB en 5,45 dB versterking ten opzichte van een dipool. Berekend is dat 1,93x en 3,51x versterking. Let op! de dBi's zijn dus eerst omgerekend naar dB's. Daarna kun je alles vrolijk bij elkaar optellen en aftrekken.
Als de lengte coax die je in jouw geval nodig hebt, langer blijkt dan je eigenlijk leuk vindt, bijvoorbeeld 20 meter, dan wordt het wikken en wegen wat je wilt en kunt kopen en wat dan het resultaat is. Als je dB-resultaat ver onder de nul uitkomt, is het in ieder geval niet ideaal. Zacht uitgedrukt. Proberen het op zijn minst zo goed mogelijk te krijgen, is niets mis mee.
Als je wilt, kun je er hier leuk aan rekenen:
https://www.g4urh.co.uk/amateur_radio/watt_converter.php
Tip: gebruik 1 Watt als basis waarde, dan kun je gelijk de factoren van de versterking zien. En uiteraard, als je het vermogen van je porto of set of meshcore node invult, zien wat het uitgestraalde vermogen is. En dat is met de verschillende demping van de coax op de verschillende frequenties uiteraard ook nog eens verschillend.
Rekenen met dB's, dBi's, connectoren (en meer ellende)
Het is best makkelijk, zoals je hierboven ziet, dat je dB's kan optellen en aftrekken. Het uiteindelijke resultaat kun je dan gewoon omrekenen naar dingen als vermogen aan de antenne-voet in mW of W, of de mW of W aan ERP die je met een antenne uiteindelijk gaat bereiken. Vaak worden de connectoren vergeten. Daar zit ook verlies in. Hoeveel hangt af van het type connector en de kwaliteit. Het vervelende is dat connectoren niet per definitie een vast verlies hebben. Boven bepaalde frequenties kan het verlies ook snel oplopen.
Bijoorbeeld een PL-259 is vrij populair. Gekscherend ook wel eens de cb-plug genoemd. Tot pakweg 150 MHz gaat het nog wel, op 70cm met hangen-wurgen (dus liever niet) en daarboven is het dig gewoon ongeschikt.
Sprookjes van her en der
Nog even om te benadrukken: De versterking van antenne's worden gewoonlijk in dBi opgegeven. Daar worden ook de nodige sprookjes over verteld. Een antenne van 40 cm lang die op 869 MHz 10 dBi zou vertrekken? Gewoon een keiharde leugen! Dan kan fysiek helemaal niet.
Voor nu is het even boeiend wat dat dBi precies inhoudt en dat je het naar dB moet omzetten als je er mee rekent.