Antennebouw

Net als een camera een lens nodig heeft, zo heeft een radio-ontvanger een antenne nodig. Om met een RTL-SDR dongle naar meteoren te luisteren, kun je eenvoudig een Yagi-antenne bouwen.

Het ontwerp van een Uda-Yagi-antenne wordt gekenmerkt door drie componenten: het eigenlijke actieve deel (de dipool) en twee parasitaire elementen; de reflector aan de achterkant en een director aan de voorzijde. De elementlengtes en hun onderlinge afstanden luisteren nauw, omdat de twee parasitaire elementen in fase moeten resoneren met de dipool. De onderlinge afstanden bepalen de golflooptijd en de elementlengtes bepalen de resonantiefrequentie. Signalen uit andere richtingen lopen meer of minder uit fase en worden zodoende minder versterkt of zelfs gedempt. Op die manier wordt het ontvangen signaal gebundeld langs een bepaalde richting en in het geval van een 3-elements antenne 5 dB (3x) versterkt. Dit principe is in 1926 door de Japanners Uda en Yagi ontdekt, waarvan de laatste een Engelstalig artikel over de antenne publiceerde. Richtantennes die volgens dit principe werken, worden daarom meestal Yagi-antennes genoemd.

Zelfbouw

Je kunt vanaf ongeveer €70 à €80 kant-en-klare 3-elements 144 MHz (2m) antennes kopen, of een complete antenne als bouwpakket met alle onderdelen vanaf ongeveer €35. Een dergelijke Yagi-antenne is echter ook heel goed zelf te maken met materialen uit de lokale bouwmarkt. De dimensies blijven hanteerbaar en de toleranties zijn vanwege de relatief lage frequentie groot genoeg voor bijna 100% succesgarantie. Voor de GRAVES radar en BRAMS meteoorbakens vind je hieronder twee bouwbeschrijvingen die door radiozendamateur Simon Bijlsma (PA7SB) zijn geoptimaliseerd voor de respectievelijke frequenties van 143 MHz en 49 MHz.

Foto’s: CAMRAS (Simon Bijlsma). Zelfgebouwde 3-elements Yagi-antennes voor meteoorwaarnemingen. Met de bouwbeschrijvingen op deze pagina kun je een van deze antennes maken. Links de antenne geoptimaliseerd voor GRAVES (143 MHz) en rechts voor BRAMS (49 MHz).

Benodigd gereedschap

Voor het bouwen van de richtantenne volgens de onderstaande bouwbeschrijving heb je het volgende gereedschap nodig.

Pijpsnijder en of ijzerzaag
Boormachine en 4, 6, 9 en 13 mm metaalboortjes
Soldeerbout en soldeertin
Rolmaat
Schroevendraaier
Steeksleutels
Kniptang

Yagi-antenne voor GRAVES (143 MHz)

Foto’s: CAMRAS (Simon Bijlsma).

Dit ga je maken: een 3-elements Yagi-antenne voor GRAVES

– Onderdelen

1 ronde aluminiumbuis 2 m lang, diameter 13 mm
1 ronde aluminiumbuis 1 m lang, diameter 13 mm
1 vierkant aluminiumprofiel 1 m lang, diameter 20 mm
1 antenne klem 20×20 mm
2 kunststof elementhouders (o.a. ‘Tino’s Funkshop “)*
1 aluminium hoekprofiel 20/40 x 75 mm
1 BNC-chassisdeel of N- chassisdeel (optioneel)
1 kunststof kabeldoos
1 PVC buisje diameter 15 mm, 50 mm
1 PVC buisje diameter 15 mm, 70 mm
1 coaxkabel RG 58 ca. 50 cm (andere types dunne 50 Ohm coaxkabel mogelijk)
3 boutjes, ringetjes en moertjes 4 mm, 40 mm
4 boutjes, ringetjes en moertjes 4 mm, 30 mm
2 lasoogjes 4 mm
1 smoorspoel ‘varkensneusje’ of weerstand 1k Ohm

– Overzicht afmetingen

Reflector: positie 0 mm, lengte 1060 mm
Dipool: positie 480 mm, lengte 1000 mm (2 x 495 mm, 10 mm tussenruimte)
Director: positie 760 mm, lengte 890 mm

– Bouwhandleiding in 10 stappen

STAP 1 – De bouw begint met het op maat maken van de elementen met behulp van een buissnijder of ijzerzaag. Daarna begin je met het zagen van de draagboom op de gewenste lengte. Op de aangegeven posities boor je 4 mm gaten in de draagboom waar later de elementen en de dipoolaansluitdoos op gemonteerd worden.

STAP 2 – Om de mogelijkheid te hebben om de antenne zowel in een horizontale als een verticale polarisatie te kunnen monteren, wordt aangeraden om de draagboom ongeveer 12 cm langer te maken. Met een totaallengte van 88 cm kan de antenneklem achter de reflector gezet worden (zie foto hieronder). Als je de klem direct achter de dipool monteert kun je die extra 12 cm weglaten, het geheel is dan meer in balans. Je kunt de antenne dan alleen gebruiken voor horizontale polarisatie, anders verstoort de (metalen) antennemast het stralingspatroon van de antenne.

STAP 3 – De aluminium buis voor het middelste element, de dipool, snijd of zaag je doormidden. Op 5 mm van de uiteinden boor je een gaatje waar de boutjes doorheen kunnen waarmee later de lasoogjes en RG 58 coaxkabel bevestigd worden. De dipoolhelften steek je in een 70 mm lang PVC buisje zodanig dat de uiteinden een tussenruimte van 1 cm vrij laten tussen beide dipooldelen. In het PVC buisje boor je (gemeten vanaf één kant) op de posities 25 en 45 mm ook twee gaten voor boutjes door het buisje en de aliminium buisdelen (zie foto hieronder).

STAP 4 – In de kabeldoos boor je aan weerszijden de 13 mm gaten voor de elementen en een 9 mm gat voor het BNC chassisdeel. Boor tevens een 4 mm gaatje midden in de bodem om de kabeldoos met een boutje aan de draagboom de bevestigen.

STAP 5 – Voor de andere bevestiging van de kabeldoos boor je een gaatje van 4 mm onder in het aluminium hoekprofiel waar een boutje doorheen komt om die op de draagboom te bevestigen. Dit is tevens het aardingspunt waarmee de dipool aan de draagboom wordt verbonden. Boor een 9 mm gat op de andere zijde van het hoekprofiel, dit dient voor het BNC-chassisdeel.

STAP 6 – Boor twee 6 mm gaatjes aan beide einden van het 50 mm lange PVC buisje. Doe door de eerste opening de RG 58 coaxkabel er doorheen. Wind een spoel van zes windingen om het buisje en steek het laatst stuk kabel door het tweede 6 mm gat. De spoel van de RG 58 coaxkabel rond een PVC buisje dient om zogenaamde mantelstromen te onderdrukken (zie foto hieronder). Een alternatief is een ferrietring of klem die geschikt is voor VHF. Zonder deze filters werkt de antenne ook, maar de kans bestaat dat er storing vanuit de omgeving via de buitenmantel van de coaxkabel bij de antenne terecht komt.

Foto’s: CAMRAS (Simon Bijlsma) Yagi-antenne voor het GRAVES meteoorbaken. Het binnenwerk van de kabeldoos met de dipool is rechts uitvergroot. Zie de tekst voor de gedetailleerde beschrijving.

STAP 7 – Monteer de boutjes door het 70 mm PVC buisje en de beide dipool helften, en bevestig je dit alles met wat behendigheid binnen in de kabeldoos. Doe de lasoogjes waaraan je de RG 58 coaxkabel hebt gesoldeerd en het varkensneusje op de boutjes en draai de moertjes vast. Het zogenaamde ‘varkensneusje’ dient om statische ontladingen te voorkomen die de RTL-SDR dongle kunnen beschadigen. Uiteraard kun je die direct met de RG 58 coaxkabel in dezelfde lasoogjes solderen. De extra lasoogjes in de foto zijn gebruikt omdat het ‘varkensneusje’ naderhand is toegevoegd om de gesoldeerde kabel niet meer los te maken. Het andere einde van de coaxkabel soldeer je aan het BNC-chassisdeel. Via het aluminium hoekstuk wordt het BNC-chassisdeel geaard aan de draagboom en de mast (zie bovenstaande foto).

STAP 8 – Precies in het midden van de buizen voor de reflector en de director boor je gaatjes voor de bevestigingsboutjes van de elementhouders. Bevestig op deze manier de reflector en de director aan de draagboom.

STAP 9 – Je bent nu zover dat je de antenne bijna in gebruik kunt nemen. Aan het BNC-chassisdeel van de kabeldoos verbind je een coaxkabel waar al een BNC-stekker op zit. Aan het andere kabeleinde moet een geschikte adapter komen, bijvoorbeeld van BNC naar MCX of SMA, voor het aansluiten op de RTL-SDR dongle. Dit hangt van jouw type dongle af.

STAP 10 – Schroef, tot slot, de antenneklem op de draagboom en bevestig de hele Yagi-antenne desgewenst op een antennemast of driepootstatief; je bent klaar om je eerste meteoorreflecties te kunnen ontvangen.

* De elementhouders zijn ook zelf te maken, bijvoorbeeld volgens deze bevestigingsmethode. Een alternatieve montagemethode is de draagboom te doorboren met de buisdiameter van de element. Het element is dan te fixeren door er een schroef doorheen te schroeven. De elementen kunnen daarom ook van 8 mm of 10 mm buis gemaakt worden, al is de mechanische sterkte bij een geringere diameter wat minder. Bij antennes die vaak verplaatst worden, is een dikkere buis dus steviger en verbuigt het minder snel. Voor de werking maakt het niets uit. Een ander alternatief is de elementhouders te 3D-printen. Via de website Thingiverse zijn diverse ontwerpen voor elementhouders voor Yagi-antennes gratis te downloaden. Maar let op, verschillende diameters en/of montagemethoden hebben consequenties voor de kritische lengte van de elementen. Dunnere elementen moeten iets langer zijn dan de dikkere, en geïsoleerde elementen zijn korter dan ongeïsoleerde. Voor meer uitleg verwijzen we je naar de website van DK7ZB of het antenneboek Rothammel.

Yagi-antenne voor BRAMS (49 MHz)

Foto: CAMRAS (Simon Bijlsma).

Net zoals je een richtantenne voor de GRAVES radar kunt maken, is het ook mogelijk om zelf een antenne voor 49 MHz te bouwen. Volg dezelfde 10 stappen in de bouwbeschrijving, maar gebruik de onderstaande materialen voor het maken van de antenne voor meteoordetecties op de golflengte van de Belgische BRAMS bakens.

– Onderdelen

6 ronde aluminiumbuis 2 m lang diameter 13 mm
1 ronde aluminiumbuis 1 m lang diameter 10 mm voor verbinding van de 13 mm elementhelften.
1 vierkant aluminiumprofiel 2 m lang diameter 20 mm
1 antenne klem 20×20 mm
2 kunststof element houders (o.a.’ Antennas-amplifiers‘) *
1 aluminium hoekprofiel 20/40/75 mm
1 SO-239 chassisdeel of BNC- of N- chassisdeel (optioneel).
1 kunststof aansluitdoos
1 PVC buisje diameter 15 mm 50 mm
1 PVC buisje diameter 15 mm 70 mm
1 coaxkabel 75 Ohm bv. Satellietkabel of RG 59 ca. 250 cm (2x 1/4 Lambda 28/50 Ohm balun**)
3 boutjes, ringetjes en moertjes 4 mm 40 mm
3 boutjes, ringetjes en moertjes 4 mm 30 mm
2 lasoogjes 4 mm
1 smoorspoel ‘varkensneusje’ of weerstand 1k Ohm

– Overzicht afmetingen

Reflector: positie 0 mm,lengte 3020 mm
Dipool: positie 920 mm, lengte 2845 mm (2 x 1415 mm, 15 mm tussenruimte)
Director: positie 1850 mm, lengte 2660 mm

* zie voetnoot bij de bouwbeschrijving hierboven.

** zie de DK7ZB-website voor meer uitleg over de 28/50 Ohm balun. Let hierbij op de juiste verkortingsfactor (V), deze is kabeltype afhankelijk en hier 0,82. De voortplantingssnelheid van de golf door de satellietkabel is ongeveer 82% van de lichtsnelheid (c), daarom moet de fysieke kabel lengte korter zijn dan de berekende golflengte. In ons geval(c/f x 0,25 x V) 300 / 49,97 x 0,25 x 0,82 = 123 cm.

Foto: CAMRAS (Simon Bijlsma) 2e foto en illustratie Martin Steyer DK7ZB. Voor de BRAMS antenne is het nodig een een 2x 1/4 Lambda 28/50 Ohm balun te maken. Links zie je voor de beeldvorming het eindresultaat bevestigd via het kabeldoosje, in het midden het tussenresultaat, rechts het soldeerschema.

Bekabeling

Welke antenne je ook kiest, het is belangrijk om verliesarme coaxkabel te gebruiken en bij voorkeur niet te lange kabels, omdat er dan teveel signaal verloren gaat. Bij grotere lengtes dan 10 m is het af te raden om het type RG 58 coaxkabel te gebruiken. Dure kabelsoorten zoals EcoFlex, Aircom+, H2000 zijn niet per se nodig; de voordeligere Aircell 7 kabel is heel goed bruikbaar. Als er toch langere lengtes coax nodig zijn, zoals bij de opstelling bij de Dwingeloo Telescoop (130 m), is het noodzakelijk om een ‘Low Noise Amplifier’ (LNA) te gebruiken. Dit is een versterker met een lage eigen ruis en een grote versterking. Deze LNA compenseert het kabelverlies ruimschoots en daardoor zijn de zwakkere reflecties goed hoorbaar. Zonder de LNA worden de signalen door het kabelverlies ongeveer 10x verzwakt (men noemt dit een kabeldemping van 10 dB). De meteooropstelling wordt door dit effect dan heel erg ‘doof’ voor de reflecties van meteoren.

Plaatsing van de antenne

Tot slot is het belangrijk om te vermelden dat de plaatsing van de antenne belangrijk is. Het zorgvuldig uitkiezen van de beste opstelplaats van de ontvangstantenne vergt natuurlijk wat ervaring. Mogelijk kun je advies inwinnen van een lokale radiozendamateur (als je die kent uiteraard), omdat die meestal ervaring hebben met het opzetten van antennes en het minimaliseren van storing. Je kunt desgewenst met een draagbare ontvanger (AM modulatie) gaan rondlopen om de plek met het minimum aan ruis en storing te vinden. Ook kan een signaalzoeker helpen bij het vinden van storingsbronnen. Voor een paar euro wordt dit bouwpakketje door Scouting verkocht. Denk daarbij aan storingsbronnen zoals plasma TV’s, LED-verlichting, schakelende voedingen, PLC(internet via het stopcontact), zogenaamde ‘optimizers’ en inverters van zonnepanelen. Dit soort storingsbronnen kunnen de pret tijdens het radiowaarnemen bederven of het in bepaalde gevallen zelfs onmogelijk maken om reflecties van meteoren te ontvangen. In stedelijke gebieden is de kans op succes, om genoemde reden, groter wanneer u de reflecties van de GRAVES radar gaat ontvangen in plaats van de BRAMS bakens. Bovendien is de 2m antenne waarschijnlijk klein genoeg om op een balkon te kunnen monteren in het geval u geen tuin hebt.

Foto: CAMRAS (Simon Bijlsma). Antennes voor de webSDR van CAMRAS. De Yagi-antenne (bovenop de mast) is iets gekanteld zodat het onder een hoek van 10 à 15 graden omhoog kijkt.

Voor vaste opstellingen leert de ervaring dat het best resultaat gehaald wordt door de antenne zo hoog mogelijk te plaatsen, minimaal 3 à 4 meter hoog. De ontvangen signaalsterkte is dan groter omdat er minder obstakels in het zicht van de antenne zijn. Ook wordt de kans kleiner dat er plaatselijke storing wordt ontvangen door de grotere afstand tot storende apparaten. Ook het richten van de antenne heeft een positief effect voor het waarnemen. De antenne wordt een beetje gekanteld gemonteerd, zodat de antenne onder een hoek van ongeveer 10 à 15 graden omhoog kijkt. De bundel waarbinnen de antenne gevoelig is, ligt dan al meer in de richting van het gebied waarbinnen de reflecties plaatsvinden en het heeft het bijkomende voordeel dat er iets minder grondruis en storing wordt ontvangen. De polarisatie van de antenne kan zowel verticaal als horizontaal georiënteerd gemonteerd worden. Afhankelijk van de plaatselijke omstandigheden werkt de ene radio-opstelling hierdoor net wat beter dan de andere. In de meeste gevallen is de horizontale opstelling wat ruisarmer, mede omdat de meeste stoorbronnen verticaal gepolariseerd zijn. Daarentegen heb ik de indruk dat verticaal de reflecties meestal wat sterker zijn, dat heeft vermoedelijk te maken met de invloed van het aardmagnetisch veld. Proefondervindelijk kun je uittesten wat bij jou ter plaatse de beste signaalruisverhouding (SNR) geeft, want dat is belangrijker voor detecties van meteoren dan de absolute sterkte van het signaal.

Meer informatie over antennebouw

Tekstbijdrage: Simon Bijlsma (PA7SB), radiozendamateur, amateurastronoom en CAMRAS-vrijwilliger.