obrolan AntennaManIa 1109

obrolan AntennaManIa 1109

CAROLINA WINDOM® Compact™ Antenna


YBØKO Bam

Meneruskan bahasan tentang antena SuperLoopTM di obrolan AntennaMania edisi kemarin, di edisi ini akan diwedar ten- tang rancangan CAROLINA WINDOM®, produk andalan lain dari Radio Works - perusahaan yang didirikan oleh Jim Thompson W4THU di awal 90an -- yang kemudian berkem- bang menjadi pemasok utama berjenis wire antennas dan thèthèk-bengèk per-antena-an bagi komunitas amatir radio sedunia.

Rancangan CAROLINA WINDOM aslinya dikembangkan lewat serangkaian eksperimen oleh Jim Wilkie WY4R, Edgar Lambert WA4LVB dan Joe Wright W4UEB (dari North Caro- lina), tetapi sebagai “barang dagangan” hal-hal yang berkai- tan dengan sisi legal (hak paten), komersial (merk dagang) serta pengembangan lebih lanjut secara tehnis dipegang oleh Jim W4THU yang juragan Radio Works seperti disebutkan di atas [bam]

CAROLINA WINDOM mengawali debut-nya di tahun 1992 dengan digunakannya pada DX-pedition di Nas- sava (KP1-land), pulau karang gersang di Karibia de- ngan kondisi alam yang sebenarnya kurang bersahabat bagi kegiatan radio amatir, apalagi untuk DX-pedition. Pada ekspedisi ini, dari 33,000 QSO yang tercatat di logbook, lebih dari 27,000 di antaranya dilakukan dengan menggunakan antena ini.

Pada 26/12/1994 dengan antena ini pula QSO antara Fran KA3WTF dari Larksville, PA dan Paul AA4XX dari Raleigh, NC membukukan rekord 1.918.552 miles/ watt di 40m, yang kemudian mereka pertajam lagi menjadi 4.300.000 miles/watt dengan bekerja QRPp @ 96 µWatt. Menyikapi kisah-kisah sukses tersebut Jim W4THU sendiri juga sesumbar dengan menyebutkan Carolina Windom dapat memberikan kelebihan 1 sam- pai 2 S-unit ketimbang Multi-band Dipole lain dengan dimensi yang kurang lebih sama (misalnya G5RV).

Karakteristik dan cara kerja CarolinaWindom.

Mengamati Gambar 1 di atas terlihat sosok Carolina Windom yang tak jauh berbeda dengan rancangan WINDOM “yang asli”, antena jenis OCF (Off Center Fed) Dipole besutan Loren G. Windom W4GZ di tahun 1929. Loren mengumpan rancangannya dengan single wire (kawat tunggal, yang sebagai transmission line diang- gap berimpedansi 200 - 300 ohm) ke feedpoint yang diasumsi berimpedansi 200 - 300 ohm juga, yang bisa ditemui pada titik +/- 12% (lihat rumus perhitungan di bawah) dari salah satu ujung bentangan elemen yang 1/2λ (half-wave) itu.

Pada berbagai versi OCF “modern” (mis. antena Fritzel FD4 yang cukup populer di Eropa pada dasawarsa 80-90an) digunakan open-wire balanced feeder yang berimpedansi 300 ohm, baik yang buatan sendiri atau “buatan pabrik” seperti TwinLead TV (baik yang dari jenis “ribbon type” maupun yang “window line”). Karena ogah untuk bersusah-susah membuat open wire dan cukup sulit sekarang ini untuk mendapatkan TV-feeder yang cukup laik dan layak untuk digunakan sebagai saltran (saluran transmisi), maka orang kemudian beralih ke kombinasi antara kabel coax 50 ohm + Matching Transformer untuk bisa match dengan impedansi di titik pengumpanan yang 200 - 300 ohm tadi.

Kenapa harus bersusah-susah menggunakan coax 50 ohm untuk mengumpan half wave Dipole pada titik berimpedansi 200 - 300 ohm, dan tidak LANGSUNG saja menggunakan kabel coax tersebut untuk meng- umpan half-wave Dipole pada titik tengah bentangan antena (center-fed) yang sama-sama berimpedansi 50 ohm? Nah, di sinilah sebenarnya letak rahasia keber- hasilan rancangan Carolina Windom ini …..

Center-fed Dipole merupakan sirkit yang bersifat bal- ance, sedangkan sebagai transmission line coax bersi- fat unbalance, sehingga kalau dipaksakan untuk mengumpan center-fed Dipole dengan coax TANPA meng- gunakan Balun, maka arus balik ( = I4 atau common mode current) yang merambat sepanjang dinding luar (serabut/outer braid) dari kabel coax akan membuat dinding luar coax tersebut jadi ikut memancar se- hingga pola pancaran/radiation pattern jadi cacat. Arus balik tersebut juga akan mencari alur balik/ return path menuju ground lewat berbagai rangkaian (sirkit) pada pemancar, yang dapat mengakibatkan RFI, TVI, howling effect -- audio yang mencuit karena masuknya RF ke sirkit audio, audio yang cacat dan ‘ngebrebet serta berbagai dampak negatip pada pan- caran lainnya.

Pada rancangan Carolina Windom, dampak negatip tersebut JUSTRU dimanfaatkan untuk meningkatkan kinerja antenna. Di sini Jim Thomson W4THU mene- rapkan konsep VERT™ (Vertically Enhanced Radiation Technique), yaitu kiat menggunakan sisi vertikal (yang dibuat dari kabel coax yang dipotong sepanjang 1/4λ/ quarter-wave pada Gambar 1 sebagai “segmen antena yang radiate/memancar” (hence sebutan Vertical Radiator), yang menghasilkan pancaran dengan pola radiasi vertikal bersudut pancar rendah (low- angle vertical radiation pattern) yang sangat menun- jang untuk DX-ing

Seperti tersurat dan tersirat di atas, inilah “kunci suk- ses” antena ini, yang pola radiasinya merupakan kom- binasi antara pola radiasi horizontal bersudut pancar tinggi dari sayap-sayap horizontal/flat top (untuk QSO dengan cakupan jarak pendek dan sedang) – dan de- ngan pola radiasi vertikal bersudut pancar rendah dari Vertikal radiator untuk cakupan DX.

Dengan kata lain, Vertical Radiator kemudian bekerja sebagai sebuah Inverted Vertical Antenna, yang de- ngan sayap-sayap horizontal (flat top) yang sekarang lebih berfungsi sebagai counterpoises (elevated radials) menghasilkan pancaran yang sangat efisien karena nyaris terbebas sepenuhnya dari ground losses.

TANPA atau kalau Vertical Radiator dicopot ( = feeder- line langsung dikonèk ke feed point), di band 20m pola radiasi yang dihasilkan tidak akan jauh berbeda de- ngan pancaran antena Double Zepp biasa, dengan pola pancaran seperti yang terlihat pada gambaran 3D di Gambar 2 berikut:

Berbagai “istilah DAGANG”
Dengan memahami karakteristik dan cara kerja ran- cangan ini seperti yang diwedar di atas, semoga tidak ada yang lantas begitu saja terkesima dengan “bahasa iklan” yang disebut pada Gambar 1.

“Low loss Matching Transformer” (atau The Dedicated Matching Unit' pada iklan Radio Works yang lain) se- benarnya adalah sebuah Balun 1 : 4 biasa -- yang ber- fungsi untuk menjodohkan/matching impedansi dari Vertical Radiator (50 ohm) dengan impedansi feedpoint yang (dibuat) 200 ohm itu. “Special High isolation LINE ISOLATOR adalah bahasa iklan dari CHOKE BALUN, yang berfungsi sebagai pemisah antara bentangan coax yang berfungsi sebagai Radiator dan yang berfungsi sebagai transmission line, dan dengan demikian seba- gai reaktans induktip yang diserie dengan transmission line akan menangkal common mode current untuk merambat masuk melewatinya.

“Menjinakkan” dimensi Carolina Windom
BETAPAPUN, mengkonversikan ke sistim metrik ukuran -ukuran pada Gambar 1 maka didapati bentangan atau footprint Carolina Windom yang sepanjang 133 ft atau 40.54 mtr ( = 15.24 mtr + 25.30 mtr).

Dibulatkan jadi 41 mtr, ukuran segitu rasanya masih “jauh panggang dari api” untuk bisa terjangkau bagi amatir berlahan cekak di kawasan perkotaan.

Menyadari hal tersebut di tahun 2009 Radio Works merilis CAROLINA WINDOM® Compact™ 80 (atau 40 untuk cakupan band 40m ke atas) sebagai versi ring- kas Carolina Windom.

Dengan bentangan 21 mtr yang mendekati separuh ukuran asli, kinerja versi ringkas ini di-claim nyaris sama, kecuali pada pola radiasi yang tidak se-omni directional seperti pada versi asli – atau seperti disebutkan Jim W4THU sendiri: “Performance is nearly identical, so only the length and physical layout are different. Further the radiation pattern is not as omnidirectional as the standard CAROLINA WINDOM®, and it's about the only compromise the CAROLINA WINDOM® Compact™ makes ….”

Untuk mendapatkan ukuran yang SEPARUH DARI ASLINYA tersebut berbagai kiat pemendekan elemen sudah dilakukan Jim, a.l . dengan meng-Linear Loading-kan elemen, menekuk (bending) ke bawah masing- masing ujung elemen – sampai akhirnya lewat be- berapa kali ujicoba dan simulasi komputer Jim mene- mukan bahwa MELIPAT KE DALAM kedua ujung elemen (lihat Gambar 3) adalah solusi kompromistis bagi ran- cangannya untuk tetap bisa berkinerja optimal.

Jim mengakui tidak mudah untuk membuat simulasi rancangan ini di komputer (karena terlalu banyak vari- able yang harus diperhitungkan), dan karenanya lebih memilih pendekatan manual secara trial-n- error, alias coba dan coba lagi – baru ukuran-ukuran fisik yang didapat di”masuk”kan ke komputer untuk meng- optimasi-kan hasilnya. Kinerja optimal akhirnya dida- pat sesudah meng-optimal-kan masing-masing jarak antara bentangan elemen utama (yang tidak dilipat) dan ujung bagian yang dilipat (notasi 4.6 mtr pada Gambar 3), sudut lengkungan dan posisi titik offset -- titik sambung antara segmen elemen yang pendek  (15.24 mtr) dan elemen panjang (25.30 mtr) -- yang juga merupakan feedpoint.

Merakit sendiri 80/40m CAROLINA WINDOM

Mempertimbangkan pengguna di hi-band akan lebih memilih jenis antena pengarah (directive antennas) yang bisa diputar- putar (rotatable) ketimbang fixed wire antenna berpola pan- car omnidirectional seperti Carolina Windom ini maka ba- hasan pada paragrap-paragarap berikut lebih terfokus pada penggunaan antena ini sebagai dual-banders di lo-band (80 dan 40m) saja.

Rumus-rumus
Merujuk pada rumus perhitungan antena WINDOM “yang asli” seperti yang bisa dirunut dari berbagai lite-

ratur, sebagai ancar-ancar Len Carlson, K4IWL (pada artikel di QRP EXPRESSIONS Newsletter, August 5,2005) memberikan rumus pemotongan sayap hori- zontal yang dibikin off-set dengan ratio 37.8 : 62.2% antara sisi pendek dan sisi panjang.

Dengan memilih 3.700 MHz (frekuensi tengah band 80m) sebagai design frequency bisa dihitung ukuran- ukuran sebagai berikut:
Design frequency (f): 3.700 MHz
Total half wave length: L = 143/f = 143/3.700 =38 mtr (dibulatkan ke bawah)

Panjang sisi pendek: 378 (37.8%) x 38 = 14.36 =14.50 mtr (dibulatkan)

Panjang sisi panjang: .622 (62.2%) x 38 = 23.64 =23.65 mtr (dibulatkan)

Panjang Vertical Radiator = [band/4 x 0.3048] = 80/4 x 0.3048 =6.1 mtr (dibulatkan).
+ Versi asli (dari Radio Works) menggunakan kawat tembaga serabut (stranded hard drawn copper wire)
# 14 (1.6 mm) sebagai bahan elemen
+ pada pembuatan Vertical Radiator unsur VF/velocity factor dari kabel coax TIDAK USAH diperhitungkan.

Tips & Trick:
Kalau didapati frekuensi kerja yang terlalu di bawah (= elemen terlalu panjang), dari pada memotong kawat sisipkan kapasitor 100 pF (transmitiing type, cari salah satu dari contoh pada Gambar 4) di feepoint (pada titik sambung antara sayap sisi panjang dengan terminal keluaran Balun 1:4).

Kalau susah mendapatkan kapasitor jenis ini, pada titik yang semula akan dipasangkan kapasitor itu se- lakan saja 1 mtr coax RG-58 sebagai gantinya.
Kupas +/- 1 cm selongsong PVC/vynil dan braid/shield di masing-masing ujung, kemudian cor dengan lem epoxy untuk menghindari air (hujan/embun) meresap masuk ke dalamnya (atau selongsongi bagian yang tadinya dikupas dengan heath shrink tubing).

Membuat sendiri berjenis Balun
Di tiap Hamfest sebenarnya cukup mudah untuk men- dapatkan (atau memesan untuk dibikin-in kalau “stok lagi kosong”), Balun 1:4 maupun Choke Balun 1:1 yang diperlukan untuk perakitan Carolina Windom ini, tapi bagi mereka yang sudah meng-nawaitu-kan untuk mem-biksen-nya berikut beberapa contoh pembuatan- nya.

BALUN 1:4
Skema Balun 1:4 mudah didonlot dari internet, jadi berikut langsung diwedar contoh pembuatannya saja. Siapkan bahan berupa toroid T250-2 (red core) dan 175 cm (lebih baik kepanjangan dan nanti tinggal di- trim ketimbang kependekan) kawat dinamo (enameled copper wire) AWG 16 (1.2 mm).

Bentangkan kawat dengan lurus, kemudian lipat jadi dua persis di tengah-tengah, sehingga didapatkan 2 ler kawat @ 87.5 cm. Pada tahap ini kawat JANGAN dipotong dulu.
Tandai (dengan tulisan di selotip) ujung-ujjung kedua kawat: A1-A2 dan B1-B2.
Lilitkan kedua “ler” kawat bareng-bareng sebanyak 30 lilitan (pada gambar berikut hanya terlihat 18 lilitan) pada toroid . Buat lilitan serapat mungkin supaya tidak mudah terurai atau ‘nglokor, tapi begitu proses pelilitan selesai, renggangkan tiap lilitan sedemikian rupa sehingga didapatkan jarak antar lilitan yang teratur dan kedua ujung liitan membentuk sudut 30 derajat seperti pada gambar 5. Potong kawat di titik lipatan tadi.

Cek dengan ohm-meter untuk memastikan pelabelan ujung-ujung kawat (dengan A1, A2, B1 dan B2) sudah benar, supaya tidak terjadi salah solder, salah termi- nasi dan salah sambung yang menyimpang dari skema penyambungan seperti pada Gambar 6 berikut..  

Perhatikan bahwa ujung-ujung A2 dan B1 disatukan untuk kemudian di-ground-kan, sedangkan ujung A1 terhubung ke inner pin dari konektor coaxial dan salah satu pin terminal balanced, dengan terminal lainnya

CHOKE BALUN
Kalau bisa mendapatkan “bahan”nya berupa 7-10 biji ferrite beads ukuran 1 dan 3/8”, sepotong pipa PVC
0.5” dengan cap (dop) - nya dan 2 bh konektor coax SO -259 (Gambar 7) dengan kembali merujuk artikel Len Carlson, K4IWL yang dikutip didepan, Choke Balun bisa dibuat dengan urutan proses sebagai berikut:

Siapkan 75 cm coax RG-58, bagi (dengan ditandai, bukan dipotong) menjadi 3 segmen @ 25 cm.: 1 seg- men tengah + 2 segmen ujung.
Selongsongkan minimal 7 biji ferrite beads pada seg- men tengah, dan sesudah itu lipat ke dua segmen ujung untuk saling menyilang di atas segmen tengah, kemudian ikat dengan cable ties seperti pada foto di- bawah


Masukkan “struktur” Choke Balun yang sudah jadi tersebut ke potongan pipa PVC yang sudah disiapkan, kemudian solderkan inner conductor dan shield braid dari coax ke pin-pin pada Konektor SO-259 yang sudah terlebih dulu di-mount ke masing-masing cap.
BTW, kalau susah mendapatkan ferrite beads yang sesuai, Choke Balun juga bisa dibuat dari 5 -- 6 mtr coax RG-58 yang dililitkan rapat-rapat pada “koker” dari potongan pipa PVC 1.5”- 3” seperti dicontohkan Rick AG6K, di artikelnya yang bertajuk "A Balanced to Balanced Antenna Tuner” di QST, February, 1990, atau yang contekannya (pada koker PVC 2”) terpejeng di Gambar 8 berikut.

The Final Touch.
Mengambil hasil itung-itungan di halaman 7 dengan bentangan total 38 mtr, sisi pendek 14.50 mtr dan sisi panjang 23.85 mtr itu perakitan bisa diawali dengan memposisikan feedpoint persis di tengah-tengah ben- tangan kedua flat-top yang (dibuat) 20mtr saja, se- hingga didapatkan ukuran sayap yang harus dilipat pada sisi pendek = (14.50 minus 10) = 4.50 mtr dan sisi panjang = (23.85 minus 10) = 13.85 mtr.

Bagi yang punya akses ke software simulator antena seperti MMANA, EZNEC dsb., masukkan parameter di atas dan cobalah untuk meng-optimasi-kannya, seperti yang dilakukan Jim W4THU waktu berkuthat untuk mendapatkan ukuran-ukuran di Gambar 3.

Atau, peng-optimasi-an dilakukan secara manual de- ngan ber-trial-n-error saja, dengan target untuk menda-
patkan :
1. aperture (bidang tangkap) maksimal yang bisa dida- patkan dengan mempertahankan jarak 4.60 cm antara bentangan sisi panjang yang tidak dilipat dengan UJUNG segmen yang terlipat. (lihat kembali Gambar 3). Kalau ketinggian instalasi memadai (katakanlah 10 mtr DPT), dengan cara ini MUNGKIN ujung sisi pendek cukup di-klèwèrin saja ke bawah, dan tidak usah dilipat
2. Impedansi di feed point sekitar 200 ohm, supaya bisa ber-jodoh dengan Balun 1:4.
Hal ini bisa dilakukan dengan menggeser-geser posisi feed point dengan berpathokan bahwa meng- geser ke arah kanan/ke dalam (ke arah posisi titik TENGAH — 50% - dari bentangan) akan menurunkan impedansi di feed point sampai mendekati 50 ohm.

Satu hal yang dipesankan Jim W4THU di Instruction Manual yang disertakan dengan CAROLINA WINDOM® Compact™ 80 (bagi mereka yang membeli langsung ke Radio Works, atau bisa juga diakali dengan meng- unduhnya dari website mereka) segmen yang dilipat biarkan tergantung ‘ngelendong (drooping/sagging) begitu saja sehingga seolah membentuk garis kurva, jadi hindarkan untuk membuatnya jadi berbentuk persegi panjang (rectangular) dengan sudut-sudut menyiku, misalnya dengan memasangkan isolator di sudut-sudut bawah persegi panjang “maya” tersebut, dan kemudian “menarik”nya dengan perentang ke
arah bawah.

So, have fun with homebrewing your own antenna, and as always: ….ENJOY !!!
[bam]

YBØKO Bam