home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Antennas / Antennas_CD-ROM_Walnut_Creek_September_1996.iso / articles / instrums / antmeas.txt < prev    next >
Text File  |  1996-06-30  |  33KB  |  658 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7.  
  8. INSTRUMENTS FOR ANTENNA DEVELOPMENT AND MAINTENANCE
  9. R. P. Haviland, W4MB
  10.  
  11.  
  12.  
  13.     The work of developing and testing a new antenna is much
  14. less if proper tools are available. This includes the tools for
  15. making measurements of the performance of the antenna at each
  16. stage of its development. Even if you are just assembling a
  17. store-bought antenna, its best to do some testing before it's at
  18. the top of the tower. And for that used bargain beam from the
  19. hamfest, measurements can tell if its really a bargain, or just a
  20. source of aluminum.
  21.  
  22.     The following is partly a review of antenna measuring
  23. techniques and instruments. The rest is a compilation of methods
  24. and tricks which have been found useful. The methods include some
  25. suggestions for modification of standard devices for better use
  26. in antenna work. Let's start with some very old-fashioned items
  27. that I havn't seen used in years. 
  28.  
  29. SIMPLE VOLTAGE AND CURRENT MEASUREMENT
  30.  
  31.     Two useful tools for the antenna developer are a light bulb
  32. and a neon tube. Or more properly, a handful of bulbs of various
  33. ratings. The filament ones will be used as current indicators,
  34. and each rating is good for only a 10-1 range of current or so.
  35. Two types of neon bulbs are useful, the small 1/10 watt ones with
  36. rod electrodes, and the larger 2 watt ones with two D-shaped
  37. electrodes. 
  38.  
  39.     Low-voltage dial-lite bulbs are readily available in current
  40. ratings from 60 ma to several amperes. Some power is needed to
  41. operate these: in a 50 ohm line one ampere is 50 watts, and 100
  42. ma is one-half watt. These levels are transmitter levels  rather
  43. than signal generator levels, but as discussed later, the
  44. transmitter is a common test instrument.
  45.  
  46.     Use the filament bulbs whenever a current indicator is
  47. needed. A useful item is a pair of small boxes, each with two RF
  48. connectors joined by a lamp socket as in Fig. 1a. One unit makes
  49. a useful telltale indicator that current is flowing. With two
  50. connected in series by a quarter-wave length of transmission
  51. line, as in Fig. 1b, they become a visual SWR indicator: when the
  52. bulbs are equally bright, the SWR is 1:1. This is especially
  53. handy in adjusting the base tuning elements of a low frequency
  54. vertical. Of course a SWR meter is more accurate, but, for
  55. example, do you want to expose your Bird (tm) to the rain. Or
  56. keep a spare in your emergency kit. Later a better lamp type of
  57. SWR indicator is shown.
  58.  
  59.     A neon bulb is useful as an indicator of voltage. As for the
  60. filament bulb, it is a wide-band device. A quick check of antenna
  61. performance is to bring a neon bulb close to the ends of antenna
  62. elements, or touching if low power is being used. The
  63. effectiveness of Yagi elements is shown by their differing
  64. brightness. Unbalance between the two ends of elements can be
  65. detected the same way. And don't forget the old test of a
  66. transmitter- If the bulb glow is rose rather than orange, suspect
  67. the presence of a VHF parasitic. Be careful: mount the bulb at
  68. the end of a dowel or rod of insulation to keep hands away from
  69. high DC and RF potentials. 
  70.  
  71.     The sensitivity of a neon bulb can be increased by a passing
  72. a small DC current through the bulb, just enough to cause a tiny
  73. glow. A circuit is shown in Fig. 2a. If the glow starts when the
  74. switch is closed and continues with the switch open, the RF
  75. voltage is between the striking and extinction voltages,
  76. typically between 50 and 67 volts. Adding a calibrated
  77. potentiometer as in Fig. 2b converts the indicator to a measuring
  78. instrument. The RF voltage is equal to the the striking voltage
  79. of the neon bulb minus the dc voltage from the potentiometer.
  80. Adding a short dipole at the bulb-choke terminals makes a crude
  81. field voltage indicator.
  82.  
  83.     A four foot fluorescent bulb makes a good indicator of
  84. antenna performance during the final full-power check of a new
  85. antenna. It also impresses the neighbors.
  86.  
  87. BETTER VOLTAGE AND CURRENT MEASUREMENTS.
  88.  
  89.     While the above are useful indicators, for good work
  90. measurements should be possible. This means, at least, an
  91. indicator with a calibrated scale. Professionals now use digital
  92. instruments, but most are too expensive for amateur use. But
  93. don't forget to watch the swap and surplus sales.
  94.  
  95.     RF voltmeters are invariably a rectifier-DC voltmeter
  96. combination. A solid-state type is shown in Fig. 3a. A germanium
  97. diode is shown, for good response at low voltages. Such a unit is
  98. good to about 50 watts at 50 ohms. For higher voltages, silicon
  99. rectifiers can be used, or the vacuum tube rectifier of Fig. 3b.
  100. Units can be calibrated by comparison to an already calibrated
  101. unit. Other methods are to use a thermocouple ammeter as a
  102. standard, measuring the voltage across a known load, or to shunt
  103. the coupling capacitor with a larger one, using a low frequency
  104. AC voltmeter as the standard.
  105.  
  106.     These RF voltmeters are so useful and inexpensive that they
  107. are usually built into other items of equipment, as in the
  108. transformer ammeter and other devices described later. One or two
  109. separate units are often useful, for example, used instead of the
  110. bulbs in Fig. 1b. 
  111.  
  112.     The oldest method of RF current measurement called for a
  113. hot-wire ammeter. As sketched in Fig. 4a, a piece of resistance
  114. wire expanded from passed current. The expansion was converted to
  115. rotary motion by a drum, with a needle on a calibrated scale
  116. indicator. You will probably have to visit a museum to see one.
  117.  
  118.     The next method, Fig. 4b, used a thermocouple connected to
  119. the hot wire, this feeding a standard DC meter. These were a
  120. common part of military equipment through WWII, and can still be
  121. found in junk-boxes, on swap tables and in surplus. The small
  122. antenna connector box of the "Command Sets" used a separate
  123. thermocouple-meter system, good for the power range of 10-100
  124. watts. The dc meter is not calibrated in amperes, but an
  125. arbitrary linear scale. Its poles are shaped to give
  126. approximately a linear reading with power. Meters with internal
  127. thermocouples can be found, with a non-linear scale calibrated in
  128. amperes.
  129.     
  130.     A major advantage of these units is that they are nearly
  131. insensitive to frequency. They can be calibrated on DC. For
  132. greater accuracy, they should be checked on several frequencies,
  133. using a known load and an RF voltmeter to determine the current.
  134. The major disadvantage of these units is fragility, to mechanical
  135. shock damage and to burnout on overload.
  136.  
  137.     Today, it is almost certain that current measurements are
  138. made with an RF transformer, RF voltmeter combination, as in Fig.
  139. 4c. The voltage across the resistor is proportional to current.
  140. The scale will be non-linear for small currents, due to the
  141. square-law action of the diode rectifier. The suggested technique
  142. is to use a thermocouple type for calibration, plus one or two
  143. transfomer types for routine work.
  144.  
  145.     RF ammeters can be used much more than they are. The natural
  146. area is in base-fed verticals, on the lower bands. They are also
  147. useful where balanced feed is used, as in rhombics, the Zepp, and
  148. even quad loops fed by parallel coax or twin-line. The ARRL
  149. Antenna Handbook gives construction details of a specialized form
  150. especially useful for measuring current on guy wires, towers and
  151. other conductors.
  152.  
  153.     To be complete, another RF voltmeter should be mentioned.
  154. This is a receiver with a meter type of S-Meter. The LED bar-
  155. graph type is too coarse for most work. The best procedure is to
  156. calibrate the S-Meter with a steady signal fed through an
  157. attenuator box, as described in the ARRL and other handbooks. The
  158. meter reading on noise can be used as the reference, or the level
  159. of the generator if it is so calibrated. One of the common uses
  160. is to measure the antenna pattern of a friend's antenna. (Most
  161. hams can't get enough separation between the their own  pair of
  162. antennas to do proper measurements. See later.)
  163.  
  164.  SIGNAL GENERATORS
  165.  
  166.     The basic elements of a signal generator are shown in Fig.
  167. 5. They are really simple. An oscillator for the desired
  168. frequency, some method of indicating the signal level, and an
  169. attenuator for setting the level are the key elements.
  170.  
  171.     Most station transmitters have at least two of these
  172. requirements, if not all, and have the great advantage of being
  173. available. And it is likely to be the continued terminal of the
  174. antenna system. Thus, as mentioned, the bulk of amateur antenna
  175. work uses the station transmitter.
  176.  
  177.     Despite the convenience, a transmitter has drawbacks. Many
  178. won't cover an adequate frequency range. It's often difficult to
  179. set the output power to a low level, needed for many measurements
  180. and required to prevent unnecessary interference. Solid state
  181. transmitters don't like the widely varying loads of much antenna
  182. work. And it's often inconvenient to move the transmitter to the
  183. work area.
  184.  
  185.     Some of the problems can be avoided by using a power
  186. attenuator between the transmitter and the antenna. Fig. 6 shows
  187. a design, with two values of components being shown. These are
  188. intended to reduce a level of 10 watts to either 1 watt or 0.1
  189. watt. The 10 watts is chosen as a level found on most power
  190. meters. Such a unit will reduce interference, keep solid state
  191. transmitters happy, and give a source of known impedance.
  192.  
  193.     It's rarely worthwhile to build a signal generator. Low cost
  194. used units can be found at hamfests. Don't forget to look at the
  195. older ones using tubes. They may need some replacement
  196. capacitors, and a good cleaning. In compensation, they are
  197. rugged. There are some wide range new units at reasonable cost.
  198. One thing to look for is a constant level output terminal at
  199. about 1 Volt, to connect to a digital frequency meter. While
  200. signal generators have calibrated dials, the resolution is
  201. usually not sufficient for good antenna work. Also, the output of
  202. many generators is low, so a simple instrument such as a SWR
  203. meter may not work. The ARRL handbook describes amplifiers which
  204. can bring the power up to necessary levels. Don't omit the output
  205. filtering of these, since harmonics affect the accuracy of many
  206. measurements.
  207.  
  208.     If you do need to home-brew a generator, Fig. 7 shows a
  209. simple design of fair performance. It is intended for use over a
  210. single band, providing several fixed xtal frequencies and
  211. variable frequency. Because the transistor output is a square
  212. wave or nearly so, the output filter is necessary.
  213.  
  214.     The above types are basically single frequency generators.
  215. Spread frequency generators are also useful. The two commmon
  216. types are the noise generator, and the swept frequency generator.
  217. While the single frequency system can use broadband detectors,
  218. such as a simple RF voltmeter (except for the harmonic error
  219. problem), the broadband type must use a frequency selective
  220. detector/indicator. The most common type is the station receiver.
  221.  
  222.  
  223.     The circuit for a simple noise generator is shown in Fig. 8.
  224. The Microwave 1N21 diode shown isn't the only type which can be
  225. used, but it has high output. Low voltage Zener diodes are the
  226. other common type. The low frequency coverage is set by the size
  227. of the coupling capacitor and the isolating choke: the values
  228. shown are good for all HF bands. The upper limit is determined by
  229. the stray inductance of the coupling capacitor and stray
  230. capacitance to ground. With normal components and open
  231. construction, usefulness extends through the UHF. In use, the
  232. noise generator replaces the oscillator and the selective
  233. voltmeter (receiver) the detector in Fig. 5. 
  234.  
  235.     Early swept frequency oscillators used a mechanically varied
  236. capacitor to cover the swept range. WWII versions are sometimes
  237. seen at hamfests. Current designs use a voltage variable
  238. capacitor, a diode designed for high interelement capacitance.
  239. Generators usually provide an output voltage synchronized to the
  240. instantaneous frequency, but a few have supplied only a trigger.
  241. Either is used to control the detector indicator, a CRT being
  242. common. The detector itself must be broadband, for example, a
  243. simple RFvoltmeter, or a SWR meter. The generators are often
  244. found at hamfests, disguised as TV sweep generators. 
  245.  
  246.  
  247. SWR METERS
  248.  
  249.     For too many hams, the only antenna measurement made is of
  250. SWR. Many tales of poor antenna performance have been traced to
  251. concentration on this, and neglect of other measurements. Use the
  252. SWR measurement for what it should be: the measurement of
  253. conditions between a properly working antenna and a properly
  254. working transmitter or receiver. In this connection, don't forget
  255. that the SWR of an ideal dummy load is 1:1. But it doesn't
  256. radiate very well. To say this again for emphasis, the job of an
  257. antenna is to radiate, not to have low SWR. The matching unit is
  258. the SWR control, whether at the antenna or at the shack.
  259.  
  260.     Of course, SWR is of some importance. Coax attenuation does
  261. increase as SWR goes up, but this is usually important only on
  262. VHF and up. More important is the possibility of puncture at high
  263. power, or of a short due to heating and softening of the
  264. dielectric at a high current point. Pay attention to line ratings
  265. when setting SWR goals. The other problems, an unhappy solid
  266. state transmiter, RF on the mike cable, and narrow operating
  267. range, disappear if an antenna tuner is used. It is easier to use
  268. this antenna tuner if a SWR meter is permanently in the line.  
  269.  
  270.     Just after WWII, a simple SWR indicator appeared, as shown
  271. in FIG. 9a. It works because there is simultaneous magnetic and
  272. electric coupling to the transmision line. These combine to
  273. separate the forward and reflected waves. When the two lamps are
  274. of equal brilliancy, the SWR is infinite, when one is out, it is
  275. unity . Fig. 9b shows an unbalanced line version. One of these
  276. makes a useful indicator of antenna change if left permanently in
  277. the line. One in the emergency or field-day kit can be useful.
  278.  
  279.     The modern type of SWR meters use variations of this
  280. principle. The one of Fig. 10a uses the same parallel line
  281. structure as in Fig. 9b, but with separate lines for forward and
  282. reflected components. In Fig. 10b, a RF transformer is used for
  283. the current component, and a capacitor for the voltage. Designs
  284. are available for the power range from about 1 watt to many KW,
  285. and for freqencies through UHF. Separate units or measuring heads
  286. for HF and VHF are best, but most types will correctly indicate
  287. 1:1 SWR over a wider frequency range than shown on specification
  288. sheets. Check using a matched dummy load. For example, a typical
  289. line type intended for CB use gives good results on 144 MHz, and
  290. is usable on 220.
  291.  
  292.     Virtually all of the units on the market use a single meter,
  293. switched from forward to reflected. The two meter type is much
  294. easier to use. They are more expensive though, so you might want
  295. to add the second meter in a bolt-on box. You can replace the
  296. origional calibration pot with a dual unit, or add the pot
  297. externally. The meter doesn't need to be large: use the built-in
  298. meter for the important quantity. Usually, this is reflected
  299. power during antenna adjustment, and forward power in station
  300. operation. One of these modified units between the match-box and
  301. the transmitter, plus calibrated dials on the match-box makes for
  302. fast tune-up/operation on multiple bands, over the entire band
  303. extent.
  304.  
  305.     These SWR meters work on the basis of resistance comparison.
  306. If the resistor at the end of the pickoff line in Fig. 10a is
  307. replaced by a capacitor, the comparison is of reactance
  308. components. Automatic antenna tuners use a form of this device to
  309. control the reactance cancellation components of the tuner, plus
  310. a normal SWR type to control the feed resistance setting
  311. components. A combination R-X indicator can be built, but there
  312. are better techniques available.
  313.  
  314. PRECISION MEASUREMENTS TO REPLACE SWR
  315.  
  316.     While it is possible to design an exact matching system from
  317. SWR information by "cut and try", the process is easier if the
  318. impedance can be measured. Also, the terminal impedance of the
  319. antenna tells a lot about what is going on. Any serious antenna
  320. work requires impedance measurement.
  321.  
  322.     The single item of SWR does give a measure of the magnitude
  323. of the impedance. A second measurement is necessary to get the
  324. angle of the impedance. This can be the position of voltage
  325. minimum (see later), but getting this may not be convenient. An
  326. easy measurment is to add series resistance to the line, Fig.
  327. 11a, and measure the new SWR. The intersection of the the two SWR
  328. circles on a rectangular or curved (Smith) impedance chart gives
  329. two resistance and reactance magnitudes: a third measurement is
  330. needed to select the correct value of the two possible solutions.
  331. This  can be either the series capacitor or inductor as in Fig.
  332. 11b or 11c. The third circle on the chart now identifies the
  333. correct point. A computer solution of this resistance plot
  334. geometry is easy. The equivalent shunt elements are also usable.
  335.  
  336.     These series and shunt elements are useful in extending the
  337. calibration range of the measurement bridges discussed later. Use
  338. the series element for very low impedances, and the shunt for
  339. very high ones. Calculate the unknown from series ans parallel
  340. impedance relations. 
  341.  
  342.     For greater accuracy and ease of use, an impedance bridge or
  343. similar device is needed. The basic principle is shown in Fig.
  344. 12a, and a typical series arm bridge in Fig. 12b. Low cost
  345. versions are made by combining a noise generator with a simple
  346. bridge, as "The Noise Bridge". They are available commercially,
  347. or can be built to the designs in the ARRL, RSGB and Radio
  348. handbooks. Most are only designed for 50 ohm lines and for low
  349. reactances. Series elements as in Fig. 12b, or equivalent shunts,
  350. can be used to extend the measuring range. Some designs indicate
  351. only resistance, depending on the depth of the null to indicate
  352. when reactance has been eliminated.
  353.  
  354.     In the precision field, a General Radio RF bridge for the
  355. 0.4-60 MHz range occasionally appears at hamfests. The price
  356. tends to be high, since their usefulness is well known. More
  357. common, and much lower in cost is the HP VHF Bridge, excellent
  358. for scale model work in the 55-500 MHz range, and usable down to
  359. about 5 MHz with some problems. The HP RX meter for 0.5 to 500
  360. MXz occasionally appears, as does the GR UHF Admittance Meter for
  361. 20-1000 MHz. Newer equipment such as network analyzers, vector
  362. impedance meters and so on may appear, but these take more than
  363. loose change to buy.
  364.  
  365.     All of these units have the same basic test set-up, shown in
  366. Fig. 12a. Source and generator can be as discussed above, or can
  367. be of the many special types recommended by the manufacturer. Old
  368. HP and GR catalogs are often found at hamfests and used
  369. bookstores, and are the best guide to identification of possible
  370. items. There are many useful hints for use in these, also.
  371. Instruction and technique books may be found. Fair Radio can
  372. supply copies for some equipment, and it may be possible to get
  373. microfiche copies from HP. Call their nearest office for order
  374. info.
  375.  
  376.     The ARRL Antenna Handbook, the RSGB handbook and the Radio
  377. Handbook have descriptions of RF bridges or equivalent measuring
  378. equipment for home construction. See Reference Data for Radio
  379. Engineers and Terman's Radio Engineers Handbook for comprehensive
  380. discussions of theory plus some practical use material.
  381.  
  382.     These devices are not difficult to use. Setup can be a
  383. little tedious. Evaluation of the measuring results used to be
  384. more so, but there are now computer programs to get evaluated
  385. results by punching a few keys. The actual measurements are more
  386. fun than a chore.
  387.  
  388. THE SLOTTED LINE
  389.  
  390.     For some reason amateurs have not paid much attention to the
  391. slotted line, Fig. 13 a/b, or to its open wire analog, Lecher
  392. wires, Fig 13c. A 3 or 6 foot length of either makes a excellent
  393. impedance measuring element on UHF and VHF, and a 20 or 40 foot
  394. temporary Lecher wire in the back yard is good for 6-10 and 6-20
  395. meter work. The travelling detectors are the most problem, but
  396. they can be a simple RF voltmeters of Fig. 3a. The terminals
  397. should contact the wire for very low power, but a high enough
  398. level to allow capacity probe coupling to the conductors is
  399. better. The measurements needed are the ratio of the highest and
  400. lowest voltages, and the position of the lowest.  
  401.  
  402.     Commercial slotted lines, both coax and waveguide,
  403. generators and detector/indicator elements for the VHF through
  404. SHF range are not uncommon at hamfests. These precision devices
  405. are really nice for the upper bands. 
  406.  
  407.     Older editions of the ARRL VHF Manual had a lot of data on
  408. this family of devices. The RSGB VHF-UHF Manual is very good,
  409. giving complete construction data on a sloted line. The Radio
  410. Handbook has some information. 
  411.  
  412. CALIBRATED LINES
  413.  
  414.     Impedance bridges of any form give the impedance at their
  415. terminals. But in antenna work, the item of interest is the
  416. impedance at the antenna. The impedance transforming effect of
  417. the transmission line must be accounted for. The very old
  418. proceedure involved plugging numbers into equations. The Smith
  419. chart was invented to get the same answer by fast graphical
  420. plotting. Today a computer program solves the equations, and
  421. gives both number values, and Smith Chart plots.
  422.  
  423.     Any of these solutions take some time, and are not
  424. convenient when an antenna is being developed by cut-and-try. Its
  425. easier to have the measurements give the antenna values directly,
  426. which is possible by using the fact that the impedance values
  427. repeat each half wave of line. The trick is to get the right line
  428. length. This can be done by measurement, cutting the line to the
  429. value PK*LAM/2, LAM being the wavelength at the test frequency
  430. and PK the propagation constant stated by the manufacturer,
  431. usually 0.67 for coax.
  432.  
  433.     Since the propagation constant does vary some from batch to
  434. batch, and since the end connectors change the effective length,
  435. it is better to measure the effective length. For this, short one
  436. end of the line. A small disk with a center hole is good if there
  437. is no connector: one of these can also be used to short a cable
  438. connector receptacle. A small coil is connected to the other end,
  439. and the resonant frequency meaured with a grid-dip meter (see
  440. later). For greater accuracy, measure with coils of 1,2 and 3
  441. turns, and plot the frequency against the number of turns.
  442. Project the curve to the zero-turn axis to get the true resonant
  443. frequency. The line length is 4 times the wavelength,i.e.,
  444. 4*299.8/f.
  445.  
  446.     The transformation is exact at only one frequency. Assuming
  447. that the antenna is near resonance, a small change in frequency
  448. has little effect on the resistance measurement. The reactance
  449. value change is approximately the impedance of the line
  450. multiplied by the fractional wavelength change. If the frequency
  451. change is appreciable, use the Smith Chart or computer.
  452.  
  453.     Another use of line sections of known effective length is to
  454. move a SWR minimum point into the range of the measuring device.
  455. This is the way to use a short slotted line below its normal
  456. lower limit. For a 1 meter line, extensions of 1, 2, 3 etc,
  457. meters length are needed.
  458.  
  459.     Another line use is as a shunt for the antenna terminals, to
  460. bring the terminal impedance to a value suited to the measuring
  461. instrument. If a T connector is used, its length must be
  462. compensated for. 
  463.  
  464. If you take time to make up any of these lines, label them
  465. carefully, and save them for future work. But don't store them in
  466. sunlight, in a damp area, or with too tight a coil. Treat them
  467. like precision tools.
  468.  
  469. FIELD STRENGTH METERS
  470.  
  471.     Most amateurs are surprised to learn that they have a field
  472. strength indicator they are not using. It's the SWR meter. With a
  473. telescoping antenna at one connector and the sensitivity control
  474. turned to high, it can be used in a lot of situations. Some of
  475. the small indicators sold for CB use have a special jack for such
  476. an antenna.
  477.  
  478.     A better design uses a tuning coil, as in Fig. 14. This
  479. increases the sensitivity, and reduces the effect of interfering
  480. signals. If you live near a broadcast station, the tuned type is
  481. a necessity. See the handbooks for variations in design,
  482. including design for field intensity measurement. Commercial
  483. designs are fairly common at hamfests.
  484.  
  485.     A unit can be calibrated by measuring the strength of a
  486. high-end broadcast station at one or more known locations , and
  487. using the strength curves the station filed with its FCC
  488. application. With care, a calibration can be obtained with a
  489. short vertical, with known power fed to it.  
  490.  
  491.     The feature of the Signal Strength meter is that it
  492. indicates the RF field, which is the entire purpose of the
  493. antenna. One is mandatory for proper adjustment of a low
  494. frequency phased vertical array. In development of a new
  495. directional antenna, the best indicator of gain performance is
  496. the pattern. The field strength meter is one way to measure this,
  497. but see the later comments.
  498.  
  499. THE GRID DIP OSCILLATOR
  500.  
  501.     One of the most neglected antenna measuring devices is the
  502. grid dip meter. It is used to get the resonant frequency of an
  503. antenna element, of a trap, a guy or boom. It gives an indication
  504. of the usable bandwidth and even of the loss. Adjust the
  505. sensitivity control on the dipper for a good dip indication. A
  506. narrow, deep dip occurs if the element being checked is high Q,
  507. which also means low loss. A narrow shallow dip usually means low
  508. coupling. A wide band reduction of reading with no pronounced dip
  509. indicates loss. 
  510.  
  511.     To be really useful, three additions or even modifications
  512. of the dipper are needed, as shown in Fig. 15. The first at (a)
  513. is to allow use of a digital frequency meter, making the dipper a
  514. precision resonance indicator. At the dip, the frequency of the
  515. dip oscillator is determined by the coupled circuit, if it is
  516. high Q, and is the frequency of the coupled circuit at the exact
  517. dip, even for lower Q circuits. 
  518.  
  519.     For occasional work, a temporary loop or a pickup antenna on
  520. the frequency meter is adequate. But for regular use a connector
  521. should be added to the dipper, with the loop permanently mounted.
  522. Alternatively, connection to some internal pickup point may be
  523. used. In the tube type, a capacitor to the cathode has been used.
  524. In tunnel diode and transistor types, it may be necessary to add
  525. a FET isolation stage, coupled to the tuning circuit. These
  526. should really be built in by the designer/manufacturer.
  527.  
  528.     The second addition, Fig. 15b, is provision for capacity
  529. coupling to the measured element. In antennas this is to the end
  530. of an element, or to the inside end of a trap. The capacitor can
  531. be a 2 to 5 PF ceramic, one end lead wrapped around one coil-plug
  532. pin, the other ending in a small alligator or battery clip. This
  533. is the connection to the circuit being measured. The frequency
  534. scale calibration is affected, especially at the high frequncy
  535. end of the dial.  For repeat work, this capacitor should be built
  536. in, connecting to a separate jack. Again, these should be
  537. provided by the designer of the dipper. 
  538.  
  539.     The third change, Fig. 15c, is construction of a set of
  540. special coils, shaped to give good magnetic coupling to a linear
  541. element, the antenna wire or tube. The easiest description is
  542. that these are shaped like a wire coat hanger. You could try to
  543. make the inductance match that of the regular coils, but the
  544. frquency meter connection makes this unnecessary. In use, the
  545. straight section is brought close to the antenna.
  546.  
  547.     The dipper now allows direct measurement of the resonant
  548. frequency of the element. In the Yagi, the reflector should be
  549. resonant a few percent below a design frequency, and the director
  550. a few percent above. The design frequency depends on the goal of
  551. the antenna, maximum gain or maximum F/B ratio. The percentage
  552. depends on the bandwidth goal. Usually the radiator is made
  553. resonant, but it does not need to be. Specification sheets
  554. sometimes give the resonant frequencies.
  555.  
  556.     An advantage of the dipper measurement is that it includes
  557. the effect of element taper, clamps and the shortening by the
  558. boom. Its a valuable check on the design details. Use it to check
  559. the calculated resonant frequency.
  560.  
  561. OTHER INSTRUMENTS 
  562.  
  563.     All of the above have been electrical measurements. Several
  564. mechanical devices are useful. The most basic is a steel tape
  565. calibrated in meters and centimeters. It saves no end of
  566. conversions. With just a little practice, it's easy to think in
  567. meters rather than in feet.
  568.  
  569.     Another mechanical device is a spring scale. One use is
  570. simply to check the weight of elements. A more important one is
  571. for proof testing of element and clamping strength. The element
  572. projected area times the wind loading (50 lbs per square foot
  573. typically) gives the element load. The center clamp must stand
  574. this as a pull along the boom. The distributed load can be
  575. converted to an equivalent end load, and the scale used to place
  576. this at the element end. The boom to mast fitting must withstand
  577. the entire load of the antenna.
  578.  
  579.     A torque wrench is useful if working on the larger beams,
  580. and on towers. Most amateur mechanics pride themselves on the
  581. ability to tighten fittings correctly. Perhaps so: a torque
  582. wrench is better.
  583.  
  584. THE ANTENNA RANGE
  585.  
  586.     An antenna range can be a place for repeated development of
  587. antennas, or simply the place used to check out "that new beam".
  588. Results depend on several fundamentals, common to all ranges.
  589.  
  590.     The most important is the factor of distance between the
  591. antenna and the measuring device. This must be great enough to
  592. allow the emitted signal to be essentially a plane wave at the
  593. measuring point. For a point source (or detector pickup) Kraus
  594. gives this as d=k*a*a/lambda, where lambda is the wavelength, and
  595. a is the maximum antenna dimension, in the same units as
  596. wavelength. The k is determined by the accuracy needed. A value
  597. of 2 is satisfactory for work on the main lobe for gain. For
  598. adequate resolution of the sidelobes, a value of 4 can be used,
  599. except that for very low-sidelobe designs, a value around 9 is
  600. needed.
  601.  
  602.     For a typical small triband yagi, with a turning radius of
  603. 23 feet, a is equal to 14 meters. The minimum separation is very
  604. nearly 20 meters, or 66 feet, or 130 feet for sidelobe checking.
  605. But on 10 meters it would approach twice as much. Also, this is
  606. for a point source or pickup. If this were a half wave long,
  607. about another 33 or 66 feet would be required on 20 meters, or
  608. 16/32 feet more on 10. Try the values for a large moonbounce
  609. antenna on 2. Not too many amateurs have space for an adequate
  610. range. For individual stations an interested, friendly neighbor
  611. is important to a personal antenna range.
  612.  
  613.     Even with room, there are points to watch. A major one is
  614. ground reflection. The effect of this decreases with height of
  615. the antennas. It also decreases if the antennas at both ends of
  616. the path are directional, but this also means that greater
  617. separation is needed. Pattern distortion occurs from reflections,
  618. as by a roof, or the side of the building. And moving objects are
  619. a delaying nuisance. These factors are the reason pattern
  620. measurements are often neglected. If made, they are usually by
  621. cooperation of another Ham, sometimes a local some miles away,
  622. sometimes DX. Neither is really good, the first because of stray
  623. reflections, the second because of fading.
  624.  
  625.     There are several possibilities for Ham Club activity here.
  626. Some clubs maintain an antenna trailer for field day and
  627. emergency use. Addition of a good field strength meter or a low
  628. powere remotely controlled transmitter makes this into a portable
  629. measuring unit. Temporary parking in a low traffic area well away
  630. from the antenna under test shouldn't be any problem, but warning
  631. cones and lights are indicated, and review of plans with the
  632. police may be in order.
  633.  
  634.     Two well separated flat roof buildings make a good range if
  635. there is no reflecting traffic between them. An individual, but
  636. better a club, might be able to make arranagements for their use
  637. as a range. Schools, high school or above, may be more
  638. cooperative if there is an arrangement for student participation-
  639.  good publicity and a source for new hams, as well.
  640.  
  641.     Many of the computerized repeaters have a signal strength
  642. measuring/ reporting routine. This doesn't seem to attract the
  643. attention it deserves, either from the station manager or
  644. repeater users. With a little work on equipment stability and on
  645. software revision for easy use, a real antenna range can be
  646. developed that is available to all users. Control can be over the
  647. air, or by a special telephone line.
  648.  
  649.     The idea can be extended. There are many relatively low cost
  650. transmitters , receivers and transceivers which cover all amateur
  651. bands (and more) under computer control. One of these at the
  652. repeater site or even a special site would make a remote antenna
  653. range a multi-band activity. The largest problem would be
  654. antennas, but high efficiency isn't needed, so small loaded
  655. crossed loops or dipoles would serve. A really good installation
  656. would have choice of antennas for both polarizations.
  657.  
  658.     There is a place for creative club activity here.