Sgc Smartuner sg-230 User manual

for

SStteeaalltthh

AAnntteennnnaass

SG-231

SG-230PRO SG-235

SG-230

“No Compromise Communications”

SSMMAARRTTUUNNEERRSS®

®

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Smartuners for

Stealth Antennas

“No Compromise Communications”

Table of Contents

Introduction 1

Chapter 1 Tuner, Coupler, What is the Difference? 2

Chapter 2 Why an Antenna Coupler? 4

Chapter 3 Basic Antenna Theory 6

Long Antenna

Short Antenna

Antenna Radiation Patterns

Antenna Height and Radiation Angle

Chapter 4 Antenna Types - Theory 10

Vertical

End Fed Wire, or Marconi

Inverted L

Center Fed

Loop

Chapter 5 Practical Installations 14

Ground Systems

Flag Pole Vertical

Tree Mounted Verticle

Invisible L

Where is the Loop?

Center Fed Stealth Antenna

Tree Supported Delta Loop

Chapter 6 Indoor Antennas 22

Indoor Loops

Apartment Loop

Portable Loaded Loop

Attic Antennas

Chapter 7 Construction Techniques 25

Wire Antennas

Weather mounting the SGC Smartuners

Chapter 8 Conclusion 27

Glossary 28

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Using the SGC Smartuners®in Antenna Restricted Locations

The purpose of this book is to assist those who must operate a High Frequency

radio station from an antenna restricted environment. You will find that it is

not necessary to install large obtrusive antenna systems to have effective HF

communications. Of course the information contained here can be applied to

non restricted environments as well. Even if you are not an experienced radio

operator, you will find plenty of information to install an effective HF antenna

system in any location or environment.

If you already have a working knowledge of HF antenna systems, we hope

that this information will spark your interest in experimenting with different

designs to optimize the performance of your installation. Using the SGC

Smartuners®removes most of the tedious impedance matching circuit design

and construction from your antenna experiments, and allows you to spend

your time more effectively in trying different ideas and getting signal mea-

surements and reports.

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Introduction

Tuner, Coupler, What is the Difference?

Antenna couplers are placed at the antenna, and precisely match conditions of

the antenna to the feed line. Antenna tuners are generally located at the trans-

mitter output, at the radio end of the coaxial feed line.

A tuner placed at the transmitter, fools a transmitter into working correctly.

A coupler installed at the antenna feed point eliminates the most serious cause

of feed line losses by providing a proper match of the antenna to the feed line.

The Smartuner®is a true antenna coupler.

*typical antenna tuners do not have the wide impedance matching range that

the SGC couplers offer.

The SGC Smartuner®series of automatic antenna couplers eliminates these

challenges, and allows a single antenna to operate efficiently at any frequency

in the HF and even VHF to 60 MHz. bands. Tuning is completely automatic,

and very fast. The weather proof design allows mounting the Smartuner®at the

antenna feed point, so the feed line (coax cable) always has a low SWR, and

low loss.

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Chapter 1

Smartuner®Family

SG-230 SG-230PRO SG-235

SG-231

The SGC Smartuners®are general purpose antenna couplers which can be

operated with any HF radio and almost any type of antenna configuration.

The coupler network consists of a π(pi) or L type. It automatically selects

appropriate algorithms that have been determined from the internal coupler

measurements. It reads, and feeds this information back to the microprocessor.

The initial (first time) tuning may take one to several seconds depending on

the complexity of the tuning process for the particular antenna. After tuning

the first time for a specific frequency and antenna, this information is entered

in the non-volatile computer memory which will store up to 500 tuning solu-

tions. When the same conditions are encountered again, re-tuning is accom-

plished within 10 milliseconds by recalling the information from the memory.

Special software has been designed by SGC to allow accurate and fine tuning

of the coupler.

The matching range of the Smartuner®is much greater than the conventional

manual tuner, and offers much greater flexibility. Yes, it can probably tune up

the proverbial “wet string” (make sure that you use salt in the water)!

*most other couplers on the market do not have this tune from memory fea-

ture, and must retune each time that the frequency is changed.

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Black—ground

Red + 12VDC

PL – 259

To transmitter

SGC Smartuner

(side view)

Wire antenna

Diagram of Smartuner Installation

Large ground (counterpoise) system

or ground rods

9 feet (2.8 meters)

Ground bolt

Antenna output

porcelain

connectors Red/White—

Smartlock

control line

(optional)

Black/White—

remote tuned

indicator

Why an antenna coupler?

The antennas outlined in this book are fed with an SGC Smartuner®. This

offers many advantages over conventional antenna feed methods.

Virtually all modern transmitters are designed to operate into a 50 ohm load. If

the antenna presents some other value, the transmitter will not be able to deliv-

er full power to the antenna, and may even shut down completely or be dam-

aged by an improper load.

Some antennas by design, will offer close to the desired 50 Ohm load on the

design frequency. The common dipole is a good example. The feed point

impedance of the perfect dipole in free space is about 72 Ohms, and in a real

installation may be closer to 50 Ohms. Such an antenna can be operated very

efficiently without a tuner, and fed with coax cable, but only on the band for

which it is designed.

One solution to this challenge is to provide one antenna for each band of oper-

ation. This might be a good solution if you only work on one or two bands, but

is very difficult or impossible to do from many restricted locations. Some spe-

cially designed antennas such as trapped antennas can operate on more than

one band, and offer some solution to the frequency agility problem. The down-

side is that traps are often inefficient, and you are stuck with the design length

and installation restrictions of the particular antenna.

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Chapter 2

1/2wavelength on operating frequency

50 ohm cable

insulatorinsulator

Resonant Dipole

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Cat Whisker Antenna

Four dipole antennas fed with a single feed line provides

four band coverage but is not well suited to restricted environments.

It is possible to extend the coverage of a dipole or other type of antenna by

installing a conventional manual tuner in the feed line, but efficiency falls off

rapidly as the SWR on the feed line increases. This type of installation may

allow for effective operation across one band, and even good operation on the

third harmonic, but will provide poor results at some other frequencies. This

is not to say that the tuner cannot provide a 50 Ohm load to the transmitter; it

probably will; the trouble is that the feed line will be operating at a very high

SWR, and system loss will be unacceptable.

An antenna such as a dipole can be fed with open wire or ladder line similar to

the familiar 300 Ohm TV antenna lead in wire with good efficiency, as the

feed line loss is less at high SWR. Still, you must manually tune the system

each time that you change bands. This type of feed line must be routed away

from conductive objects, and cannot be buried.

Trap Antenna

50 ohm cable

insulatorinsulator

50 ohm

Coax

Traps

80 M

40 & 15 M

10 M

4 Bands with 1 antenna

Does not allow full band coverage on 80 M

Basic Antenna Theory and Facts.

It is the job of the antenna to radiate the electrical energy from your transmitter

as electromagnetic radio wave. It is important to remember that even the best

antenna coupler cannot perform well without a good antenna. It is the job of

the Smartuner®to match the antenna to the transmitter. It is the job of the

antenna to radiate the energy.

Almost any conductive object can be made to radiate some electromagnetic

energy, some will do so far more effectively than others. While it is true that

the SGC Smartuner®will match the load of an 8 ft. antenna to your transmitter

at 1.8 MHz., the efficiency of the antenna will be very poor. How poor?

Consider this example:

Long Antenna

Frequency = 1.8 MHz. Antenna: Dipole, Length: 240 ft. efficiency: nearly

100% effective radiated power with 100 watt transmitter: 90 watts.

This means that all but about 10 watts from the transmitter is being radiated by

the antenna. Now take a look at what happens with a very short antenna.

Short Antenna

Frequency = 1.8 MHz. Antenna: Steel whip Length 8 ft. Efficiency: about 2%

Effective radiated power with 100 watt transmitter: About 2 watts!

As you can see, there is more to the antenna question than just getting the

antenna ‘tuned’. Very short antennas will not work efficiently on the lower

bands. Of course this is an extreme and somewhat simplified example, and

electrically short antennas can provide useful radiation. Just keep in mind as

you select the antenna for your location, that it is usually best to use the largest

radiator that your installation will accommodate.

Antenna Radiation Patterns:

Along with efficient operation of an antenna, it is also a good practice to

design for the desired radiation pattern.

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Chapter 3

This is a complex subject when working with frequency agile antenna sys-

tems, as the characteristics of a given antenna are dependent on its frequency

of operation.

For example:

The classic dipole antenna is said to have strongest radiation broadside

to the wire, and a slight null off the ends. This is true only when the

following conditions are met.

Dipole Radiation Pattern Antenna

The antenna is 1/2 wavelength above ground. For example, a dipole

for the forty meter band would require a height of 20 meters.

Antennas closer to the ground will tend to be more omni directional.

The antenna is operated on the design frequency. The antennas that we will be

discussing will be for operation across the HF spectrum. The radiation pattern

will be different on each frequency!

The antenna is in the clear, without obstruction from nearby conductive

objects. Most antennas that are installed in a restrictive environment will be

affected by nearby house wiring, power lines, and other objects. This will dis-

tort the natural radiation pattern of a given antenna.

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maximum radiation

dipole minimum radiation

Very long wires will exhibit a different radiation pattern. Wires that are more

than a few wavelengths long will exhibit some directivity near the end of the

wire. This can be true even if the wire is close to earth.

An example of this situation would be a 200 ft. wire operating on the 10

meter band. This antenna would be fairly directive off the ends of the wire, and

would have a null off the sides. This could be a real advantage if it is consid-

ered in the design and orientation of the antenna.

Very Long Antenna

The end result of the above factors is that radiation patterns for your antenna

may be predicted only in a general way, and will be different on each band.

It is possible to design your antenna for a desired radiation pattern on a partic-

ular band, or perhaps even 2 bands if you like. Additional information is avail-

able in the ARRL Antenna Handbook. There are also antenna modeling pro-

grams available for your PC that will allow you to analyze different antenna

types. However, antennas described in this book will offer effective communi-

cations in almost all situations. You should keep in mind that it may be better

to design for highest efficiency than for any specific radiation pattern.

Antenna Height and Radiation Angle

Antenna height above ground has a lot to do with the way an antenna will per-

form. It may or may not be worth extra time and effort to get the antenna high

above the ground. This depends upon the coverage that you need.

If you are interested in working stations out to about 500 miles on the 40 and

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200' wire

maximum radiation

SMARTUNER

80 meter bands, a horizontal antenna that is relatively close to the ground will

give good results. This is due to the fact that most of the radiation will be at

high angles, and the strongest refraction will return to earth nearby. This is

called NVIS for near vertical incident skywave. NVIS antennas are popular for

emergency communications groups needing only regional coverage.

These expressions are somewhat simplified for convenience, and if you wish to

expand your knowledge about antenna height and radiation angles, we suggest

that you study the ARRL antenna book, and perhaps investigate the antenna

modeling software referred to elswhere in this book.

If you want to chase DX, you will need to get the antenna about 1/2 wave-

length or more above ground at the operating frequency. On 20 meters and

above, this is not a major challenge as it requires that the antenna be only 10

meters above ground. Most of us will not be able to get this height for the low

bands, 40 meters and down, and a vertical antenna may be the better choice.

The vertical will not be as strong as a horizontal antenna until the distance is

over about 1,000 miles, then the vertical antenna with it’s lower angle of radia-

tion will be the winner.

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Antenna Types:

We will take a brief look at some popular types of HF antennas, and their suit-

ability for restricted environment applications.

Vertical Antenna

The vertical antenna can be a good choice for small lots, and if disguised as a

flag pole, can provide an effective antenna that is completely invisible!

The radiating element must be isolated from ground. One method used to

accomplish this is to use rigid plastic pipe for the pole, and run a heavy gauge

wire inside the pipe.

For a more robust installation, a fiberglass or delrin rod that fits the inside

diameter of an aluminum pole can be used as a base insulator. Fiberglass or

delrin stock is available from industrial supply houses.

Commercial fiberglass whip antennas are available from marine supply stores.

These are designed to be installed on boats, but can give good service on fixed

stations as well. They are available in lengths from 17 ft. to 26 ft. It is possi-

ble to paint the antenna to camouflage it, and such an antenna could be used

very effectively in some antenna restricted environments.

This installation provides operation from 1.6 to 30 Mhz

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Chapter 4

wood post

radial

system

wires longer than the

radiating element

SMARTUNER

Fiberglass Installation

(Marine Whip)

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Suitable vertical radiators can also be constructed using aluminum or steel

mast that is commonly sold for supporting television antennas. Remember that

most vertical antennas must be insulated from the earth at the base. One

simple method we have used, is a thick glass bottle buried at the base of the

antenna. The neck of the bottle fits inside the mast, and insulates it from

ground. Of course such an insulator offers no lateral support, and can only be

used with antennas that are supported by guy wires, or attached to some

supporting structure, such as the eaves of a building.

In these installations, the Smartuner®is located at the base of the antenna.

Don’t forget to provide protection from direct sunlight load.

End Fed Wire, or Marconi Antenna

One of the most simple types of antenna is the end fed wire. This antenna is

fed with the SGC Smartuner®at or near ground level. It can be nothing more

sophisticated than an odd length of wire with the far end supported by some

convenient structure, such as a tree or pole. There is no magic length, or opti-

mum length, unless you decide to optimize the design for operation on your

favorite band as discussed earlier.

This antenna should be made as long as possible for best efficiency. It will

provide omni directional coverage if it is installed near vertical, and will pro-

vide low angle radiation good for working DX.

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Conduit for

control cable

and coax

Ground cable No. 4 AWG

(150 cm maximum)

30°

11M 2M

Insulator

GTO cable

Coupler

2M

Base Installation with

Ground Wire Radials

Radial wires

buried in soil

pole or tree supports far end

This antenna requires an effective earth ground or counterpoise, as described

later in this book, and may not be a good choice for installation above ground,

such as a second floor apartment.

Inverted L Antenna

The Inverted L is a popular low band antenna, and is suitable for installation in

restricted areas. This antenna will provide excellent performance and good low

angle radiation for working DX, as well as some high angle horizontally polar-

ized radiation that is good for working nearby stations. The vertical portion of

the antenna should be as long as possible, with the horizontal length supported

by a tree, building, or pole. If you can get over 100 ft. total length, you will

have very efficient 160 meter band operation, and good operation on the higher

bands as well. The overall effectiveness of this antenna will be determined by

the length of the radiating element, and the quality of the ground or

counterpoise system.

The entire antenna can be made from wire if you have the supports. A more

popular method is to use an aluminum mast for the vertical section, and wire for

the horizontal portion. The base of the antenna must be insulated from ground,

and a suitable ground or counterpoise system used.

Center Fed Antenna

The center fed antenna can be a very effective radiator. It does not require an

earth or counterpoise connection. This type of antenna is often installed in a

horizontal plane, as high above the earth as possible.

insulator ground radials

aluminum mast

# 12 wire

SMARTUNER

insulated from

building

BASE DIPOLE

INSTALLATION

SG 215/230

AUTO

COUPLER

7 TO 25 METERS

E66 INSULATORS (X8)

1 METER

3 METERS

HOT

CND

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SGC Inc. SGC Building, 13737 S.E. 26th St. Bellevue, WA. 98005 USA

P.O.Box 3526, 98009 Fax: 425-746-6384 or 746-7173 Tel: 425- 746-6310 or 1-800-259 7331

E-mail: [email protected] Web site: http://www.sgcworld.com

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SGC Inc. SGC Building, 13737 S.E. 26th St. Bellevue, WA. 98005 USA

P.O.Box 3526, 98009 Fax: 425-746-6384 or 746-7173 Tel: 425- 746-6310 or 1-800-259-7331

E-mail: [email protected] Web site: http://www.sgcworld.com

There is no reason why you cannot install the center fed antenna with the ends

bent or zig zagged to fit your location, and it is certainly better to use this

method of installation than to shorten the antenna to fit.

You can also let the ends of the antenna drop towards the ground with very

little effect on efficiency.

The SGC Smartuners can be located on the antenna supporting structure,

whether it is a tower, flag pole, chimney or whatever. We do suggest that the

unit be shielded from direct sunlight and possibly large hail stones. (See illus-

tration on page 26 )

Loop Antennas

The term loop antenna is used to describe an antenna that is closed at the ends.

Popular shapes are squares, rectangles, and deltas (triangles). The larger the

enclosed area of a loop antenna for a given length of conductor, the higher the

efficiency of the antenna will be.

Loop antennas may be oriented either vertically, or horizontally, and even at an

angle in between. The loop can be fed at any point on it’s parameter.

SMARTUNER

rope supports

insulator

electrical connection

insulator

SMARTUNER

Practical Installations

At SGC, we get calls everyday, asking if the Smartuner will tune a particular

type of antenna. The impedance matching range of the Smartuners is from

about .1 Ohm to 10,000 Ohms. As long as you follow the basic guidelines and

use good practice, you can expect the Smartuner to match virtually any load to

your transmitter.

Ground Systems

If you use a center fed, or loop antenna, it is not necessary to install a ground or

counterpoise system.

If however you are using any type of end fed antenna, the radio ground, or

counterpoise will be a primary factor in how well the system performs.

While it is true that the SGC Smartuners®will load up an end fed wire against a

single 8 ft. copper ground rod, this is far from the ideal situation.

It is very important to recognize that as in any electric circuit, there must be a

return path to complete the circuit. In the case of the vertical, or end fed anten-

na, this path consists of the earth ground, or the counterpoise system. Volumes

of information have been published on this subject. We will offer here, a few

tried and true solutions that will be helpful in many cases. Possibly the most

important consideration is the location of the ground or counterpoise system. It

is of the utmost importance that the Smartuner®be located within no more than

three feet of this point! Closer is better. There are no exceptions to this rule.

The reason is that any significant length of conductor will present high imped-

ance to RF energy at some frequencies. A long path to ground will look like an

open circuit on some frequencies! Plan for this in advance, and you will have an

antenna system that operates well on the first try.

Chapter 5

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P.O.Box 3526, 98009 Fax: 425-746-6384 or 746-7173 Tel: 425- 746-6310 or 1-800-259-7331

E-mail: [email protected] Web site: http://www.sgcworld.com

If you cannot locate the Smartuner®in a position that allows a short connection

to the ground or counterpoise, you would do well to consider a center fed

antenna, or loop.

The most desirable setup will be a counterpoise made up of four or more radial

wires, each about 1/3 longer than the radiating element. These wires can be

above ground, or buried a few inches in the earth. It is advisable to use insulat-

ed wire for the radials to slow the corrosion process. You may increase the

number of radials if you have the space and resources to do so, and enjoy

increased performance from your system.

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SGC Inc. SGC Building, 13737 S.E. 26th St. Bellevue, WA. 98005 USA

P.O.Box 3526, 98009 Fax: 425-746-6384 or 746-7173 Tel: 425- 746-6310 or 1-800-259 7331

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The Smartuner must be located

near the ground system

Use several radial

wires whenever

possible

antenna

SMARTUNER

12. Radial System - p.11

Ends may be bent to fit

available space

4 or more evenly spaced

wires - longer than the

radiating element

SMARTUNER

The radials may be bent and zig zagged to fit your lot, but they should not cross

each other. You can use less than four radials if you are willing to sacrifice

some performance. Keep in mind that the AM broadcasters use a radial system

with 120 wires!

If you have no room to install a radial counterpoise system, you may choose to

use an earth ground instead. With this type of system, multiple rods will be dri-

ven into the earth at the ground point. Again, you must locate the Smartuner®

within a few feet of the earth ground! No exceptions.

Use 8 ft. copper plated steel rods. These may be purchased at a hardware or

electrical supply house. Four rods in a square, and about 5 ft. apart is suggested.

The rods should be driven into the ground until only a few inches remains

above the earth. The rods are then connected together with 3/4 inch braid or

copper flashing. Use the same type of conductor to make the connection to the

ground lug on the Smartuner®. All ground connections should be soldered to

maintain a good connection over time.

In some instances you may be able to use existing plumbing as a ground sys-

tem. If your building has copper pipe for the water system, it may be possible to

connect to it for a ground system. The results will vary depending on many fac-

tors, but be aware that such a ground may be “polluted” from the nearby AC

mains, and can pick up noise from nearby electronic devices. It is always better

to provide an isolated ground system when possible.

Another, possibly better source of a good ground system is a copper piped

sprinkler system.

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SGC Inc. SGC Building, 13737 S.E. 26th St. Bellevue, WA. 98005 USA

P.O.Box 3526, 98009 Fax: 425-746-6384 or 746-7173 Tel: 425- 746-6310 or 1-800-259 7331

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- p.11

SMARTUNER

Last and probably least desirable, you may consider the installation of a coun-

terpoise made up of a length of wire somewhat longer than the radiating ele-

ment that is bent to fit your installation. Such an installation may be useful if

you must use an end fed antenna from a second story (or higher) location.

We have seen some degree of success with this type of counterpoise when it is

looped around the interior floor of the operating room. Keep in mind when

considering this type of installation, that the possibility for interference both to

and from nearby electronic devices is high, and that the strong RF field around

the transceiver can cause trouble with the radio itself during transmit.

As you can see, the vertical or end fed wire may not be the simple solution

that it first seems to be. If you do not have the space or ability to provide an

adequate ground or counterpoise system, perhaps a center fed or loop antenna

will be better suited to your installation.

Now that we have a little background theory, lets look at some specific

installation ideas.

Flag Pole Vertical

In a neighborhood that allows no antennas at all, this is a solution worth con-

sidering! You may choose to construct the pole from plastic pipe, aluminum or

some other metal. If you are using a commercially made metal flag pole, you

must either insulate the base of the pole from the earth, or use the shunt feed

method.

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ounterpoise Installations - p.12 Antenna

SMARTUNER

Ground radials may be laid

out to fit existing space.

SGC Smartuner SG-230 User manual

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