Hardware Store 40m Magnetic Loop Antenna 2017-09-13¢  Hardware Store 40m Magnetic Loop Antenna for Regional

  • View
    4

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of Hardware Store 40m Magnetic Loop Antenna 2017-09-13¢  Hardware Store 40m Magnetic Loop...

  • Hardware Store 40m Magnetic Loop Antenna for Regional and EMCOM Use 

    Richard Bono – NO5V 

     QST Antenna Design Competition – 80 through 10 meter entry 

    Overview: 

    This describes a field deployable magnetic loop antenna for 40m band using (mostly) materials from the  local hardware store. The magnetic loop antenna is deployed close to the ground and provides a  directivity pattern suitable for NVIS use making it a field expedient EMCOM HF antenna with a very small  footprint. Key to this design is a high voltage cylindrical capacitor that is also an integral part of the  antenna structure. 

    Design Points: 

    I used AA5TB’s magnetic loop antenna spreadsheet to determine the basic design with the loop  conductor composed of a 22.5‐foot length of RG‐213 coax. RG‐213 had a braid diameter of 0.314 inches.  This cable is terminated with a PL‐239 connector on each end. A loop of these dimensions gives the  following design points: 

    :

  • The estimated efficiency is 41% with zero additional losses. The loop is greater than 1/10 wavelength  but smaller than a ¼ wavelength. The bandwidth is estimated to be 13.1 kHZ. 

    Capacitor Requirements: 

    I based this design around operation at 100W although in a field or EMCOM scenario 20‐25W watts  would likely be suitable for regional communications. At the 100W design point, the capacitor must  withstand 4.3kV. Rather than using an expensive air variable or vacuum variable capacitor, I opted to  build a homebrew cylindrical capacitor made with copper plumbing pipe. This is a similar to the well‐ known “trombone” capacitor with some important differences. First, the capacitor is a single telescoping  section as opposed to a trombone capacitor, that has two sections in series. The ends of the copper pipe  have SO‐239 chassis connectors soldered directly to them so that the RG‐213 coax connects directly to  it. This makes the capacitor an integral part of the antenna structure and minimizes losses. A threaded  rod is used to manually adjust the capacitance by telescoping the pipe nested lengths. 

    The design spreadsheet shows that a capacitance range of 42.7 – 48.1pF is needed to tune the 40m  band (after subtracting out the 18.5pF of distributed capacitance from the loop itself).  

     This is a view of the capacitor: 

     

     

  • Capacitor Design: 

    The capacitor itself is composed of nested copper plumbing pipe. The outer pipe is ¾” and the inner pipe  is ½” pipe. The gap between the two pipes is filled with polyethylene sheet to form the dielectric.  

    The capacitance per inch of a cylindrical capacitor is calculated from the following equation: 

    0.614 log 12

     

    Where € = permittivity of dielectric (PE = 2.25) 

      D1 = inner diameter of outer pipe (0.811 inches for a ¾” copper pipe) 

      D2 = outer diameter of inner pipe (0.625 inches for a ½” copper pipe) 

    This gives a capacitance per inch of pipe = 12.21 pF. The gap that needs to be filled is 0.093 inches. The  PE film I used is 4mil thick clear plastic sheet that requires 23 turns around the length of the inner  copper pipe. This represents 51.5 inches of plastic sheet wrapped around the inner conductor. The  length of pipe was selected is 7 inches long to provide room for mounting it. The tuning range for the  40m band represents less than a half an inch of travel. PE has a dielectric strength of 18.9 kV/mm. This  provides considerable headroom against the 4.3kV needed for 100W operation. 

    Capacitor BOM: 

    Item  Qty  Supplier  1‐1/4" x 1/2" PVC reducer  1 Home Depot  1‐1/4" x 2 ft PVC pipe  1 Home Depot  1‐1/4" PVC Coupling  1 Home Depot  3/4" type M Copper pipe 2ft  1 Home Depot  1/2" type M copper pipe 2ft  1 Home Depot  5/16" x 12" nylon threaded rod  1 Mcmaster Carr  5/16" lock nuts (10 pack)  1 Home Depot  5/16 nuts  1 Home Depot  3ft x 50ft 4mil PE Sheet  1 Home Depot  SO‐239 Chassis mount  2 Ebay  Plastic cutting board  1 Dollar tree  Washer  1 Home Depot  sheet metal screw  2 Home Depot  cable tie (small)  1 Home Depot  Electrical tape  Home Depot   

     

     

  • Capacitor Construction: 

    1.) Cut length of 1‐1/4” PVC pipe 4‐1/2” long  2.) Drill through two holes 1‐1/2” apart. One hole is 0.811 inches in diameter and the other is 0.50 

    inches in diameter.  3.) Cut copper pipes to 7” total length and deburr the edges.  4.) Solder one SO‐239 chassis connector to one end of each pipe. I recommend using a vise to 

    secure the connector then place pipe on top. Then heat the joint with a propane torch for about  30 seconds then run solder around the joint.  

    5.) Insert the larger copper pipe into the PVC drilled earlier such that about 1 inch protrudes  through. 

    6.) Cut a piece of plastic cutting board that is 1‐1/2” by 2‐1/2” in size. Mine is about 3/8” thick  7.) Drill two holes centered on the board cut in #6 above and 1‐1/2” apart. One hole should be .625 

    in diameter and the other 0.50 in diameter.  8.) Insert the smaller pipe into the large hole on the board until the chassis connector is nearly 

    flush.  9.) Wrap a 6.5” x 51.5” piece of 4‐mil sheet around the smaller copper pipe. Use scotch tape to hold 

    the initial wrap in place and wrap as smoothly and tightly as possible with the ends as flush as  possible. Use a small piece of scotch tape to hold the sheet n place. Note that the sheet will  extend off the end of the pipe. Use a cable tie to secure the sheet to the pipe up against the  plastic block. 

    10.)  Drill two small holes just above and below the smaller hole on the PVC pipe.  11.) Jam a 5/16” nut into the ½” hole in the PVC pipe. Place a washer over the opening and use two 

    small sheet metal screws to secure the nut in place.  12.)  Thread a 5/16” lock nut onto the threaded rod such that about and 1‐1/2” protrudes.  13.) Insert the threaded rod through the small board and then apply a second lock nut and tighten 

    against the board just enough to allow the rod to turn.  14.) Wrap electrical tape around exposed sections of the larger diameter copper pipe.  15.)  Line up the threaded road with the 5/16” nut and start running it through. When the smaller 

    pipe enters the larger pipe, help guide it in while continuing to engage the threaded rod.  Continue until about 1” of the inner rod is left. 

    16.) Install the 1‐1/4” coupler to the PVC pipe on the side closest to the copper pipes.  17.) Install a 1‐1/4” to ½” reducer to the coupler. 

  •  

     

     

     

     

     

     

     

    PVC Pipe  Threaded Rod 

    Electrical tape  wrapped  around ¾”  copper pipe 

    PVC Coupler 

    PVC Reducer 

    Lock Nuts  Washer and  captive Nut 

    Inner  Copper  Pipe  wrapped in  PE Sheet 

    Plastic  Board 

    Tie Wrap

    SO‐239 Chassis  mount 

  • Antenna BOM: 

    The following is the bill of materials required to complete the antenna: 

    Item  Qty  1/2" PVC Pipe 40 Inches long  1 1/2" PVC Pipe 46 inches long  2 1/2" PVC tee  3 Hi‐voltage Capacitor Assembly  1 22.5" RG‐213 patch cable assembly  1 BNC female to dual binding adapter  1 BNC male to UHF Female adapter  1 FT140‐43 Toroid   1 18 Gauge solid insulated wire.  1 RG‐8X feed cable length as needed.  1 String or twine  1  

    Antenna Construction: 

    1.) Cut ½” PVC pipe to length indicated in BOM  2.) Cut ½” wide slots on two of the three ½” PVC tees

      3.) Insert the modified tee onto each of the two longer PVC pipes.  4.) Insert one of the longer pipes into the center of the remaining (center) tee  5.) Insert the remaining pipes onto the ends of the center tee  6.) Cut a length of 18 gauge wire and wrap 5 even turns around the FT140‐43 ferrite core.  7.) Attach the wire ends to the binding posts on the BNC adapter. 

  • 8.) Attach the BNC to UHF adapter to the BNC adapter

      9.) Install Hi‐voltage capacitor to PVC pipe on end without tee.   10.)  Run the RG‐213 cable connector through the toriod and position roughly halfway along its 

    length.  11.) With the PVC support arms and capacitor laying flat on the ground, connect one end of the coax 

    to the capacitor. Wind