Beverageantennen

Introduktion

Beverageantennen (uttalas /ˈbev.ər.ɪdʒ/ eller för den som inte är bevandrad i fonetik, bever-idch ungefär där ”idch” skall uttalas med vibrerande stämband, något som svenskar har svårt för) är en antenn enbart avsedd för mottagning. Antennen är en trådantenn med i regel minst en våglängds längd som huvudsakligen används från långvåg upp till 160 m. Antennen uppfanns av amerikanen Harold H. Beverage 1921 som patenterade den. Dessa patent är numera utgångna. Antennen används såväl av radioamatörer, långvågs- och mellanvågs DX-are som av militär bland andra.

Kalla inte antennen för ”bäverantenn”. Detta är en felöversättning från engelskans ”beaver” för bäver men Beverage har inget med bäver att göra. Beverage är det engelska och amerikanska ordet för drycker, oftast avses läskedrycker men efternamnet syftar inte heller på det utan skall enbart ses som ett efternamn utan speciell betydelse.

En Beverageantenn består av en horisontell tråd från en halv till flera våglängder lång (i regel runt minst 100 m på 160 m till flera kilometers längd för långvåg) upphängd ovanför marken, med matningen till mottagaren i ena änden. Den andra änden avslutas genom ett motstånd till jord. Antennen har en utpräglad riktningsverkan med huvudloben i en låg vinkel utanför den motståndsterminerade änden, vilket gör den idealisk för mottagning av
DX-stationer via rymdvåg. Antennen måste därför alltid orienteras i riktning mot sändaren.

Fördelarna med Beverageantennen är utmärkt direktivitet och en större bandbredd än resonanta antenner. En av antennens nackdelar är dess fysiska storlek som kräver betydande landareal, få har utrymme för antennen. En Beverageantenn går heller inte att rotera för att ändra mottagningsriktningen. Praktiska installationer använder ofta flera Beverageantenner med reläer för att skifta mellan dem och ge täckning i mer än en riktning.

Ett alternativ till Beverageantennen för mer normala tomter kan vara den så kallade K9AY-loopen efter sin upphovsman men den får bli föremål för en separat artikel. Beverageantennen är intressant främst tack vare sitt ofta missförstådda funktionssätt då ytterst få har tillgång till de landarealer som krävs för att få plats med en Beverageantenn.

Beverageantennens historia

Harold Beverage experimenterade med mottagningsantenner som liknar Beverageantennen 1919 vid Otter Cliffs Radio Station i USA. 1920 upptäckte han att en annars nästan dubbelriktad lång trådantenn blir enkelriktad genom att placera den nära ett icke-idealt jordplan, alltså markytan, samtidigt som den ena änden av tråden avslutas med ett motstånd. 1921 beviljades Beverage ett patent på sin antenn. Det året hade upp till 14 km långa Beverageantenner installerats vid Radio Corporation of America:s, RCA:s anläggningar i Riverhead i delstaten New York och i Belfast i delstaten Maine bland flera andra ställen. Alla dessa ställen var mottagarstationer för transatlantisk radiotelegrafitrafik. Kanske den största Beverageantennen - en matris med fyra fasade grupper av Beverageantenner, var och en 5 km lång och varje grupp med Beverageantenner 3 km bred, byggdes av AT&T i Houlton i delstaten Maine för det första transatlantiska radiobaserade telefonisystemet som öppnade 1927.

Beverageantennens funktionssätt

Antennen består av en horisontell tråd, en halv till flera våglängder lång. Antenntråden skall hängas upp nära marken, vanligtvis på 3 till 6 m höjd, pekande mot sändaren. I slutet av antennen i den ände som är närmast signalkällan avslutas den av ett motstånd till jord som ungefär har samma värde i ohm som den karakteristiska impedansen hos antennen betraktad som en transmissionsledning, vanligtvis 400 till 800 ohm. För förklaring av karakteristisk impedans se min artikel om baluner, UNUN:s och transmissionsledningar. I den andra änden är antennen ansluten till mottagaren med en transmissionsledning, vanligtvis koaxialkabel, genom en balun för att matcha mottagarens 50 ohms impedans till antennens karakteristiska impedans.

Bild som visar hur antennen fungerar. På grund av jordresistans i marken är radiovågens elektriska fält (E, stora röda pilar) i en vinkel θ (den grekiska bokstaven theta) mot vertikalplanet, vilket skapar en horisontell komponent parallell med antenntråden (små röda pilar). Det horisontella elektriska fältet skapar en vandrande våg av oscillerande ström (I, blå linje) och spänning längs ledningen, vilken ökar i amplitud med avståndet från änden. När vågen når den drivna änden (till vänster) passerar strömmen genom transmissionsledningen till mottagaren. Radiovågor i den andra riktningen, mot den avslutade änden, skapar en vandrande våg som absorberas av avslutningsmotståndet R, så att antennen får riktningsverkan endast i en riktning.

Till skillnad från andra trådantenner, såsom dipol- eller monopolantenner som fungerar som resonanta antenner med de elektromagnetiska vågorna som rör sig i båda riktningarna längs elementet, fram och tillbaka mellan ändarna som stående vågor, är Beverageantennen en så kallad ”travelling wave antenna” på engelska. Den radiofrekventa strömmen rör sig i en riktning längs ledningen, i samma riktning som radiovågorna. Bristen på resonans ger den en bredare bandbredd än resonanta antenner. Den tar emot vertikalt polariserade radiovågor men till skillnad från andra vertikalt polariserade antenner är den upphängd nära marken och kräver viss jordresistans i marken för att fungera.

Beverageantennen förlitar sig på "wave tilt" för dess funktion. Vid låga och medelhöga frekvenser upprätthåller en vertikalt polariserad radiofrekvent elektromagnetisk våg som rör sig nära jordytan med begränsad markledningsförmåga en förlust som får vågfronten att "luta över" i en vinkel. Det elektriska fältet är inte vinkelrätt mot marken utan i en vinkel och producerar en elektrisk fältkomponent parallell med jordens yta. Om en horisontell tråd är upphängd nära marken och ungefär parallellt med vågens riktning, genererar det elektriska fältet en oscillerande radiofrekvent våg som rör sig längs tråden och sprider sig i samma riktning som vågfronten. De radiofrekventa strömmarna som färdas längs tråden läggs i fas och amplituden adderas genom trådens längd och ger maximal signalstyrka längst bort på antennen där mottagaren är ansluten.

Antenntråden och marken under den tillsammans kan betraktas som en "läckande" transmissionsledning som absorberar energi från radiovågorna. Hastigheten för de aktuella vågorna i antennen är mindre än ljusets hastighet på grund av marken. Vågfrontens hastighet längs tråden är också mindre än ljusets hastighet på grund av dess vinkel. Vid en viss vinkel θ max är de två hastigheterna lika. Vid denna vinkel är antennens förstärkning maximal, strålningsmönstret har en huvudlobb i denna vinkel. Vinkeln på huvudloben är:

θ max = arccos (1-(λ/2L))

där λ är våglängden och L antennens längd.

Antennen har endast en mottagningsriktning då vågor som anländer i mottagaränden färdas mot termineringsmotståndet och absorberas av detta.

Förstärkning

Beverageantenner har utmärkt direktivitet, eftersom de är nära den icke-förlustfria marken ger de inte någon förstärkning. Antennens förstärkning är vanligtvis mellan −20 till −10 dBi. Detta är sällan ett problem eftersom antennen används vid frekvenser där det finns höga nivåer av atmosfäriskt radiobrus. Vid dessa frekvenser bestämmer det atmosfäriska bruset, inte mottagarbruset, signal-till-brusförhållandet, så en ineffektiv antenn kan användas. Antennen används inte som en sändarantenn, att göra det skulle det innebära att en stor del av effekten slösades bort i avslutningsmotståndet och det skulle få ohanterliga proportioner.

Direktiviteten ökar med antennens längd. Medan direktiviteten börjar märkas vid en antennlängd på bara 0,25 våglängder blir den mer betydande vid en våglängd och förbättras stadigt tills antennen når en längd av cirka två våglängder. I Beverageantenner längre än två våglängder ökar inte direktiviteten eftersom strömmarna i antennen inte kan förbli i fas med radiovågen.

Implementation

En enkel Beverageantenn är vanligtvis en enda rak antenntråd mellan en halv och två våglängder lång, som löper parallellt med jordens yta i riktning för önskad signal. Antennråden är upphängd med isolerade stöd ovanför marken. Ett icke-induktivt motstånd ungefär lika med den karakteristiska impedansen hos tråden, cirka 400 till 600 ohm, är anslutet från trådens bortre ände till ett jordspett. Vi vill inte ha en induktiv komponent som bidrar till impedansen utan den skall vara rent resistiv, därför skall motståndet vara av en icke-induktiv typ.  Den andra änden av tråden är ansluten till transmissionsledningen som i sin tur är ansluten till mottagaren.

En dubbeltrådsvariant används ibland för styrning av bakre noll eller för dubbelriktad omkoppling. Antennen kan också implementeras som en uppsättning av 2 till 128 eller fler element i olika konfigurationer, vilket erbjuder avsevärt förbättrad direktivitet som annars är mycket svårt att uppnå på dessa frekvenser. Mycket stora fasade Beverageantenner med 64 element eller mer har implementerats som mottagningsantenner för OHR-radarsystem (eng. Over Horizon Radar).

Antennens impedans är lika med den karakteristiska impedansen hos tråden med avseende på mark, någonstans mellan 400 och 800 ohm, beroende på trådens höjd. Typiskt används en längd på 50 ohm eller 75 ohm koaxialkabel för att ansluta mottagaren till antennens slutpunkt. En matchande transformator bör införas mellan en sådan transmissionsledning med låg impedans och den högre impedansen hos antennen.

En Beverageantenn

Matning med balun

Ideala längder på Beverageantennen

De längder på en Beverageantenn som ger optimalt Fram/Back-förhållande på antennen

Längre Beverageantenner än de som finns med i tabellen ger sämre Fram/Back-förhållande. Varje gång längden fördubblas jämfört med längderna i den andra kolumnen i tabellen försämras F/B-förhållandet med 3–4 dB.

Korta Beverageantenner har en mycket bred huvudlob, sämre egenskaper vid låga elevationsvinklar och lägre känslighet. Längderna som anges i kolumn 2 i tabellen ovan har en 3dB-huvudlob på nära 180 grader vilket inte är särskilt önskvärt. Kolumn 3 ger en 3dB-huvudlob på 110 grader, bättre men inte bra. Fjärde kolumnen ger en 3 dB-huvudlob på 80 grader och femte kolumnen en mycket eftertraktad 3 dB-huvudlob på 50 grader, på bekostnad av ett F/B-förhållande på endast 17–18 dB.

Det går att fasa ihop Beverageantenner, idealiskt använder man sig då av två Beverageantenner som löper en halv våglängd ifrån varandra. Då får vi det utmärkta F/B-förhållandet för korta Beverageantenner kombinerat med den smala huvudloben och den större känsligheten för stora Beverageantenner. Dessutom fås på grund av fasningen ett superbt Fram/Sida-förhållande som inte går att få med enkla Beverageantenner. På 160 m rekommenderas fasade 178,31 m eller 268,22 m långa Beverageantenner med 82,30 m inbördes avstånd. Fasningen och det inbördes avståndet bör dock modelleras i till exempel EZNEC för optimalt resultat.

För den som vill ha förstärkning både i sändning och mottagning på de lägsta frekvensbanden, främst 160 m och 80 m, finns 4-squareantennen men det rör sig om komplicerade fasningar som ger möjlighet till riktningsändring av antennen och är föremål för en separat artikel. Den absoluta ”värstingantennen” på dessa frekvenser får nog sägas vara 9-squaren, 9 st fasade vertikaler i ett intrikat mönster som kräver en enorm landareal, endast några få installationer finns i världen. Principen är den samma som för 4-squareantennen.

73 de AA7G / SM5LWC, Gert