Quad Antenne

Während der Lockdown Zeit hat der Vorstand des LV1 in Wien mehrere Projekte gestartet um das Vereinsleben in der durch Beschränkungen geprägten Zeit aufrecht zu erhalten. Das wöchentliche Treffen wurde durch ein wöchentliches ZOOM Meeting ersetzt. Dort wurden mehrere gemeinsame Bauprojekte gestartet. Auch auf den lokalen Repeatern gab es Aktivitäten, so unter anderem der Bau der Bierdosenantenne.

Das ursprünglich im Herbst 2020 gestartete Projekt wurde durch Covid-19 Beschränkungen unterbrochen. Im April 2021 hat OE1IAH die Sache in die Hand genommen und wiederbelebt. Der Bau der Antenne soll im wöchentlichen ZOOM Meeting des LV1 begleitet werden. Ich habe verschiedene Internet Quellen benutzt um die Dokumentation zu erstellen. Besonders Hervorheben will ich die Seiten von Rüdiger DC4FS. Dessen Bezeichnungen und Nummern habe ich übernommen um ein Lesen seiner und dieser Dokumention zu erleichtern.

Eine Variante dieser Dokumentation wird am OEVSV Wiki publiziert werden.

Quad (Square) Antenna

During the Covid-19 restrictions the board of LV1 Vienna, the local HAM association, started several activities to keep the HAM spirit alive. There is a weekly ZOOM meeting to discuss HAM related issues. On the local repeater there was also a antenna project the beer can antenna.

The quad antenna project was interrupted die to the restrictions. In April 2021 OE1IAH restarted the activities. Building the antenna will be discussed again during the weekly ZOOM meeting. This page is for reference, for everybody who wants to build the antenna as well. I used several WEB sources, I want to point to Rüdiger's DC4FS description which I used. My naming convention follows his names and numbers to allow easier usage of his description together with this document.

A variant of this documentation will be published on OEVSV'w Wiki.
 
Die Quad Antenne wird auch oft Fenster-Quad genannt. Das verkürzt die mögliche Anwendung deutlich. Die Antenne kann durch zusammenklappen leicht transportiert werden und eignet sich daher auch für SOTA Aktivitäten hervorragend. Dieses Projekt beschreibt eine Dual Band Variante für 2m und 70cm.
Im Praxisbuch Antennenbau 4. Auflage ist die Antennenbauform ab Seite 247 kurz beschrieben. Im Rothammel 13. Auflage findet man die Besprechung auf Seite 807.
The quad antenna is often called window quad. This is quite misleading. The antenna can be folded down to a tiny form factor. This allows easy transportation to use it for SOTA or field day activities. This project covers a 2m/70cm variant.
 

Rohmaterial

Grundmaterial für die Antenne sind 15mm x 2mm Aluminium Flachstäbe. Das Flachmaterial muß zugesägt werden und nach Plan Löcher gebohrt werden. In meiner Überarbeitung benötigt man fast nur 4mm Löcher. Für die Montage des BNC Flansches gibt es noch 2 2,5mm Löcher um darin 3mm Schrauben zu befestigen, dazu später mehr.

Die Knotenpunkte werden M4 Schauben verbunden. Dabei werden teilweise Muttern mit Nyloneinsatz benutzt. Die geläufige Bezeichnung dafür ist "selbstsichernde Muttern". In der Doku von DC4FS wird das als Stoppmutter bezeichnet.

Der Abstimm-Luftkondensator besteht aus 2 gegenüberliegende Alustangen. Diese werden durch Nylonschrauben auseinander gehalten. Die einfachste Montage ist in beide Teile ein Gewinde zu schneiden und beim Zusammenschrauben die zwei Metallstäbe zu distanzieren. So kann man im Abstand der Gewindesteilheit die Kapazität trimmen. Ich überlege noch eine leichter benutzbare Variante auszuarbeiten.

Required Materials

The base material is 15mmx2mm aluminum flat bars. The bars need to be cut in length. Holes need to be drilled according to the plan. Almost all holes are 4mm just 2 specially marked ones are 2,5mm. More about it further down, the smaller holes are for the BNC socket.

All ends get connected by M4 screws, some of them use self securing nuts.

The trimming air capacitor is built by overlaying aluminum bars. The distance is secured with the nylon screws. The simplest method is to set a distance and next use to screw to hold it. This offers distance in the height of one thread. I'm looking for a more flexible method...
 

Benötigtes Material Übersicht:

  • 1 BNC Flansch
  • 14 Schrauben M4 x 10
  • 8 selbstsichernde Muttern M4
  • 5 Muttern M4
  • 1 Flügelmutter M4
  • Beilagscheiben - nicht zwingend
  • 3 Nylonschrauben M5
  • 1 Messingschraube M3
  • 2 Saugnäpfe für Fenstermontage

required material overview:

  • 1 BNC socket
  • 14 screw M4 x 10
  • 8 self securing nut M4
  • 5 nut M4
  • 1 wing nut M4
  • washer - not mandatory
  • 3 nylon screw M5
  • 1 brass screw M3
  • 2 suction cups for windows mounting
 
Zur Übersicht die Längen der Aluminium Teile:
  • 4 x 570 mm
  • 1 x 240 mm
  • 3 x 180 mm
  • 1 x 150 mm
  • 1 x 45 mm
  • 1 x 40 mm
  • 2 x 55 mm
For reference the required length of aluminum parts:
  • 4 x 570 mm
  • 1 x 240 mm
  • 3 x 180 mm
  • 1 x 150 mm
  • 1 x 45 mm
  • 1 x 40 mm
  • 2 x 55 mm

Flansch
X

Säge und Bohrplan für die Aluminium Teile


Flansch
Säge und Bohrplan und Montageplan als Download-PDF

Säge- und Bohrplan

 
Die Metallteile werden für das Bauprojekt vorbereitet geliefert. Die Teile sind auf Länge gesägt, gebohrt und mit Gewinden versehen. Der Halter für die BNC Buchse ist bereits in Form gebogen. Für den Zusammenbau sollten die Kannten nochmals verschliffen werden, die Enden eventuell Rund gefeilt werden um beim Zusammenlegen keine scharfen Ecken zu haben. Die Abmessungen und der Montageplan sind auch als PDF zugänglich.
The matal parts for the building project are prepocessed shipped. The parts are cut in length, all holes are drilled and the threads are cut. The holder for the BNC sockes is already bent in shape. For assembly all parts should be rechecked and cleaned. The ends may get a round shape to avoid sharp ends when the antenna is folded down. The drawing and the mounting plan are available as an PDF document as well.
 

Montage

Die jeweils 4 Stäbe der Strahler werden mit den selbstsichernden Muttern angeschraubt. Dabei so weit anziehen daß man die Antenne noch zusammenfalten kann. Eine der oberen Ecken des großen Quadrats wird mit einer Flügelmutter gesichert. Das erlaubt das einfache Lösen wenn man die Antenne zusammenfalten will. Die Schraube zu dieser Mutter sollte am Stab verklebt werden damit sie nicht so leicht verloren gehen kann, zusätzlich wirkt das als Verdrehschutz beim Ummontieren.

Assembly

The 4 bars for the radials should be mounted with the self securing nuts. The screws should be tightened to allow folding them together. One of the upper corners should be secured with the wing nut. This allows quick and easy opening the big ring to fold the antenna down. This screw should be secured with some glue to avoid loosing it. This also works as a lock against spinning the screw.

Flansch
X

Antennen Aufbau und Montage


Flansch
Säge und Bohrplan und Montageplan als Download-PDF

Antennen Aufbau

 
Der BNC Flansch wird auf dem gebogenen Teil montiert. Das bringt den Anschluss ein wenig nach vor als der Ebene der Antenne um den benötigten Platz hinter dem Flansch zu geben.
Ich bin noch unschlüssig welche Methode die beste ist um die Seele zu kontaktieren. Ein Weg ist mit einer Schraube von hinten in den BNC Konnektor zu drehen. Dazu braucht man keine Lötkenntnisse. Die Alternative ist in den Alu Teil eine Messingschraube zu drehen und diese mit dem Mittelleiter des NBC Flansches zu verlöten. Dazu braucht es aber gutes Werkzeug und Erfahrung beim Löten - nix für Anfänger.
Der BNC Flansch selbst wird mit einer M3 Schraube an dem Trägerteil befestigt. Es wird nur eines der 4 möglichen Montagelöcher benutzt.
The BNC socked is mounted on the bent part. This brings the socked a bit forward to give space for the inner part of the BNC backside.
I'm still not sure how to connect the core of the BNC to the aluminum. One option is to run a screw through the BNC soldering part. The other way is to use a brass screw mounted in the aluminum and solder the connector to it.
The BNC socked is mounted using a M3 screw to the support part. Only one hole of the flange is used to mount it.

Flansch
X

BNC Flansch


Flansch

BNC Flansch

 
Der Abgleich der Antenne erfolgt am besten mit einem VNA. Mit den Nylonschrauben kann man den Abstand der Luftkondensatoren einstellen. Damit sollte ein SWR von 1:1,5 erreichbar sein.

Antennengewinn ist voraussichtlich bei 3dBi somit vergleichbar mit einem Dipol.
The calibration of the antenna requires a VNA. Using the nylon screws the distance of the air capacitors can be adjusted. This should allow to get a SWR of about 1:1,5.

The antenna gain should be about 3 dBi. That is about the same of a dipole.
 
Die Luftkondensatoren habe ich von den WEB-Vorschlägen her umkonstruiert. Die beiden äußeren Nylonschrauben ziehen die Platten zusammen. Es gibt ein Gewinde in einem Stab, der 2. Stab hat ein normales Loch. Dahinter ist eine Mutter um die Schraube zu kontern damit die Einstellung sich nicht verstellt werden kann. In der Mitte ist eine weitere Schraube die die 2 Platten auseinander drückt. So entsteht insgesamt eine mechanisch stabile Verbindung, die mittlere Schraube drückt die Platten auseinander damit kein Kurzschluss entsteht.
I have modified the air capacitors, well-known from other WEB reports. There is a thread in one of the rods the opposite one has a normal hole. The screw can be secured with a nut behind the rod. In the middle there is a third screw to push the 2 rods apart. This builds a capacitor which is mechanically stable and as well easy to adjust. The screw in the middle avoids a shortcut between the rods.

Flansch
X

Kondensator mit Schrauben zur Justrierung


Flansch

Kondensator

 
Der zweite Kondensator für 70cm ist ähnlich aufgebaut. Da die Fläche zu kurz ist für 2(3) Schrauben habe ich hier eine Schraube die wie zuvor gekontert wird um die Schraube zu sichern. Zwischen den Platten befindet sich eine 0,75mm PMMA Platte die rund gebogen ist. Dadurch entsteht eine Feder, weiters isoliert die PMMA Schicht, PMMA ist ein überaus qualitativ hochwertiges Dielektrikum.

The second capacitor for 70cm has a similar design. The area is too limited to have 2(3) screws. So I use again a screw with a nut to lock it. between the rods I have a PMMA sheet which is bent into a round shape. This works like a spring and pushes the two rods apart. PMMA is a extremely good quality dielectricum used to manufacture capacitors.

 
Beim Vermessen der Antenne habe ich festgestellt das das SWR Minimum bei 150-160MHz liegt. Also weit außerhalb der AFU Frequenzen. Zunächst habe ich versucht das "hinzutrixen" indem ich die Gammaleitung seitlich verschoben habe. Das war nur gering hilfreich. Dann habe ich vorsichtig die 2m Stäbe von 530 -> 540 geändert. In einer alten CQDL war der 2m Ring mit 540mm angegeben. Das hat das ein klein wenig nach unten geschoben. Nächste Änderung 2 Stäbe durch 600mm ersetzt. Bingo! Das hat das SWR Minimum in den Bereist 144-145MHz geschoben. Die Antenne schaut so natürlich völlig windschief aus. Ich hatte aber nicht mehr langes Material übrig, nur 2 Stücke daher die sonderbare Form. Nächster Versuch wird ein Ring mit 4 x 570'er Stäben sein. Danach wird abermals vermessen und hoffentlich passt es dann.
During my initial tests with the antenna I discovered the SWR minimum is at 150-160MHz. This is far away from the HAM frequencies. My initial reaction was to try some tricks. Like moving the connection of the gamma line left and right. As expected tis was not a success. Next try was to increase the length. In an old CQDL I learned they used 540mm length so I went from 530 ->. Unfortunately this did not get much better. Next I installed two rods with 600mm length. Bingo! The SWR minimum is now around 144-145MHz. My next step will be an antenna with 4 y 570mm rods. I hope my measurements will be successful!
 

Technische Daten

  • unterstützte Bänder: 2m / 70cm
  • Antennenanschluss: gemeinsame BNC Buchse
  • Abmessungen: 570x530mm
  • Antennengewinn: 1-3dBi
  • SWR: ~1:1,5
  • Belastbarkeit: ~500W (1000W????)
  • Gewicht: ~300g

Technical Specs

  • supported bands: 2m / 70cm
  • antenna connection: shared BNC connector
  • Size: 570x530mm
  • antenna gain 1-3dBi
  • SWR: ~1:1,5
  • power rating: ~500W (1000W????)
  • Weight: ~300g
 

Das LV1 Bauprojekt

Nach längerer Wartezeit habe ich die Alu Teile bekommen. Für die Teile habe ich eine Sortierbox gebaut um sie nicht durcheinander zu bringen.

The LV1 Activity

After a long waiting time I received the aluminum parts. I have done a sorting box to keep the elements apart.

Flansch
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Alu Teile und Körnerschablonen


Flansch

Teile und Schablonen

 
Die erste Montage hat gut funktioniert. Bei der Montage der Gammaleitung musste ich feststellen, daß ein paar Löcher nicht fluchten. Da muß ich noch nachsehen ob mein Plan falsch gezeichnet ist oder ob ich die Körnerschablone falsch aufgesetzt habe. Für genau diesen Fall macht man einen Prototyp.
The initial mount worked pretty fine. I recogniced an issue on the gamma line. Some holes are not aligned. I need to find out where I made the mistake. Wrong drawing, bad center gauge, or whatever reason.

Flansch
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erste Montage der Teile


Flansch

Probemontage

 
Die Messung des SWR Minimums zeigte bei einer Stablänge von 530/540mm etwa 150MHz. Da brauch't man als Funkamateur die Antenne nicht.
The SWR minimum was hat 150MHz on a rod length of 530/540mm. No use for HAM radio.

Flansch
X

2m SWR der ersten Tests bei 150MHz


Flansch

SWR 150MHz

 
Umbau der Antenne, Stablänge auf 570mm geändert brachte das SWR herunter auf die gewünschten 144MHz. Durch einstellen des Kondensators erreicht man SWR von 1,2 - 1,3. Der im nachfogenden Bild gezeigte Wert von 1,6 war unmittelbar nach dem Zusammenschrauben, ohne weiterer Einstellungen.
Redesign of the rod lenth to 570mm pushed the SWR down to 144MHz. Trimming with the capacitor geths the SWR to 1.2 - 1.3. The next picture shows a SWR of 1.6. The antenna was not trimmed, the picture was taken right after mounting it.

Flansch
X

2m SWR so soll es sein


Flansch

SWR 144MHz

 
Es gibt viele Teile die an den Enden miteinander verschraubt werden. Es müssen daher viele Löcher 3mm und 4mm 7,5mm vom Ende der Stange mittig gebohrt werden. Dazu habe ich mir ein spezielles Werkzeug gebaut. Es ist ein U das das Stangenende auf exakt die richtige Position bringt. Beim Einrichten stellt man die Montageplatte so ein, daß der Bohrer das Loch trifft. Das geht einfach und ist sehr präzise. Die Teile wurden am Lasercutter geschnitten und dann verklebt mit Acrifix. Das ist ein Spezieller Acryl (PMMA) Kleber der sicher verbindet aber keine hässlichen Schmauchspuren hinterlässt wie das bei Sekundenkleber passiert.
There are many elements which need to be mounted on its ends. So I have to drill a lot of holes 7.5mm away from the end. I designed a tool to help me. It is a U shape guide where the rod is inserted. The drill is exactly positioned that helps a lot. The tool is made with acryl glass (PMMA) and mounted using Acrifix glue. This is a special PMMA clue, which avoids the ugly smoke signs which are generated by superglue.

Flansch
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Bohrwerkzeug aufgespannt auf der Ständerbohrmaschine


Flansch

Bohrlehre

 
Pro Antenne sind von den 7,5mm Löchern knapp 30 nötig. Bei erwarteten 20-40 Antennen Teilesätzen erleichtert die Lehre die Arbeit gewaltig weit über 1000 Löcher sind da zu bohren!
Each antenna has a lot of those 7.5mm holes roughly 30! We expect 20-40 kits. This multipies up to over 1000 holes. So the tool will speed up the process dramatically.
 

Projekt Log

Nachfolgend der Zeitliche Bericht über das Projekt im LV1 im Winter/Frühjahr 2020/2021.
  • 2020-11-.. Ankündigung des Bauprojekts in der QSP
  • 2020-12-.. Beschaffungsversuche für die Aluminium Teile, diese sind aufgrund von Covid-19 Beschränkungen gescheitert
  • 2021-03-.. Neuer Anlauf durch OE1IAH
  • 2021-04-06 Neuzeichnen der Grafiken für das Fertigen der Alu Teile
  • 2021-04-07 Bestellung der Alu Teile bei Firma FixMetall in Brunn am Geb.
  • 2021-04-11 Start dieser WEB Seite zur Dokumentation des Bauprojekts
  • 2021-04-12 Seit Montag 12.4. treffen die bestellten Teile für den Bau sukzessive bei OE1IAH in der Werkstatt an.
  • 2021-04-12 Start der WIKI Seite am OeVSV WEB
  • 2021-04-20 Übernahme der Alu Teile zur weiteren Bearbeitung und Vorbereitung der Bausätze.
  • 2021-04-21 Anfertigen der Werkzeuge um die Bohrungen anzuzeichnen und im zweiten Schritt die Löcher bohren.
  • 2021-04-22 Prototyp Antenne zusammengebaut
  • 2021-05-23 Kondensator Konzept realisiert, Prototyp Vermessen, SWR Probleme auf 2m
  • 2021-05-26 2m Resonanz hergestellt indem der Rahmen um 12cm vergrößert worden ist

Projekt Log

The lines underneath list the steps to prepare the kit used in the Viennese HAM society.
  • 2020-11-.. Announcement of this project in the local HAM magacine QSP
  • 2020-12-.. First attempt to get the required material failed due to covid-19 restrictions
  • 2021-03-.. new approach restart by OE1IAH
  • 2021-04-06 new CAD drawings of all required aluminum parts
  • 2021-04-07 order of aluminum parts at FixMetall.
  • 2021-04-11 launch of this WEB to document the activities
  • 2021-04-12 since Monday 12th April the ordered components for the kits are received at the bench of OE1IAH.
  • 2021-04-12 Start of the parallel WIKI on OeVSV WEB (German only)
  • 2021-04-20 ordered aluminum parts received
  • 2021-04-21 new tools to mark the elements to speed up drilling holes.
  • 22021-04-22 I have assembled the prototype.
  • 2021-05-23 capacitor verified prototype measurements bad SWR on 2m
  • 2021-05-26 2m resonance moved down by inserting 12cm more length to the big loop.


 

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published on: 2021 05 29