Wat is een 4-Square?

Een 4-Square is een array van 4 antennes die in een vierkant staan opgesteld. Door deze opstelling kun je richtingen kiezen om te ontvangen en te zenden. Omdat je gebruik maakt van 4 antennes is het erg belangrijk dat het hele concept symmetrisch is uitgevoerd. Hier is dan ook veel extra aandacht aan besteed tijden het bouwen.

Wat eraan vooraf ging
De afgelopen contest jaren hebben wij het er vaak over gehad wat we nog, redelijkerwijze, zouden willen verbeteren. Dat we, tijdens de contesten, liever geen gebruik wilde maken van multiband antennes zoals de FD4 stond als een paal boven water. We hebben dan ook in 2020 een Inverted L opgehangen zodat we ook een monoband antenne voor 80 meter hadden. Nu hadden we voor alle banden een monoband antenne, immers voor 40 hadden we een vertical met elevated radials.

Tijdens een discussie, na de PACC 2020, wat nu verder waren er 2 opties. Ik opteerde een K9AY loop zodat we betere “oren” hadden kwam Roel met het idee voor een 40 meter 4-square. Ik zag het nut er niet zo van in, maar dat bleek later een goede misopvatting te zijn. Covid gooide behoorlijk roet in het eten en er was, in mijn visie, geen vooruitgang. In september kwam Peter (PD1RP) met de optie om een 4-Square te lenen van PA6AA om te testen tijdens de CQ WW SSB in oktober 2020.

Op 10 oktober stapte Peter, Paul en ikzelf in de auto om de 4-Square op te halen. Een rondje Nederland. Eerst naar Schoonoord in Drenthe om de stuurkabel op te halen bij Bernard PB7Z. Daarna door naar Jan PA0VAJ in Woudbloem noord Groningen voor de rest. Al met al een hele dag onder de pannen en dik 450 Km achter de kiezen.

CQ WW SSB 2020
Voor de contest had Peter de 4-Square netjes opgezet volgens de instructies van Jan. Tijdens de contest bleek, zeker voor mij was dit een verrassing, de 4-Square goed te werken. Jan had al aangeboden om eventueel ook voor ons er een te maken. Echter na de contest heb ik me verdiept in dit antennesysteem en had ik zo mijn twijfel bij de uitvoering van Jan. Na veel lees en uitzoek werk heb ik uiteindelijk gekozen voor het ontwerp van Patrick TK5EP.

https://www.egloff.eu/index.php/en/la-technique/antennes/4-verticales-en-phase

Het bouwen
Begin november 2020 had ik mijn plan, en daarmee mijn BOM (Bill of Materials) klaar en heb ik alles besteld. Ik had besloten om een print te gebruiken omdat deze voorhanden was via een Zweeds contest station. Waarom moeilijk als het ook makkelijk kan?

De antennes (Deel 1)
Het eerste wat compleet binnen was waren de spullen voor de antennes. Litze, connectoren en metalen doosjes. Hiermee ben ik maar begonnen en na een uurtje knutselen waren de 4 stralers klaar.

Hierna was de “Switching box” aan de beurt. Na het wikkelen van de ringkernen kwam ik er achter, meten is weten, dat ik verkeerde ringkernen opgestuurd had gekregen. Ik had duidelijk T225-2 besteld maar T225-6 gekregen (alhoewel er op de verpakking T225-2 vermeld stond. Foutje bedankt Reichelt). Goede raad is duur. Ik kon bij een Nederlandse shop wel de juiste ringkernen krijgen en heb deze maar besteld. Toen deze binnen waren en gewikkeld kreeg ik ineens wel de correcte waarde op mijn meter. Wat luistert dat nauw hè?

Het wikkelen was nog wel even een dingetje. Omdat ik het geheel “LZ” proof wilde hebben gebruikte ik 2,5MM2 koperdraad. Ik kan je vertellen dat dit niet eenvoudig wikkelt. Enfin, na wat uurtjes was ook dit klaar. De juiste gaten, op de juiste plekken geboord in de metalen behuizing en klaar was Karel.

Volgende stap was het bedienkastje. Dit is redelijk eenvoudig, ik moest er echter alleen nog 4 LED’s aan toevoegen om de juiste richting aan te geven. Na wat denkwerk was ook dit snel opgelost en gemaakt. Hieronder een foto van de buiten- en binnenkant van het stuurkastje.

    

Dummyload
Het systeem werkt met een dummyload op de controle kast. Dit zorgt ervoor dat alle teruggevoerde signalen in de dummyload verdwijnen. Echter hoe zwaar moet die dummyload zijn? Niemand kon mij daar op een sluitend antwoord geven. Ik heb, meerdere, Dummyloads van ca 100 Watt, maar is dit genoeg? Goede raad is duur dus heb ik gezocht naar opties. Op Ebay kwam ik, in DL, een betaalbare Spinner dummyload tegen van 625 Watt. Deze heb ik zelf op een koelblok gemaakt. Dit zal nooit de opgegeven 625 Watt kunnen dissiperen maar zal zeker voldoende zijn voor ons doel.

De stuurkabel
Omdat we het voorbeeld van PA6AA hadden gebruikt waren er hier ook wat zaken die ik anders wilde doen. PA6AA gebruikte gewone 5-Polige DIN pluggen (waarvan Richard RFR er al 1, voor de contest, moest solderen). Tijdens het brainstormen over wat beter was kwam Gert-Jan GJK met het idee om XLR pluggen te gebruiken. Lekker stevig en ook redelijk hufter proof. Nu nog het oprollen van de kabel. PA6AA gebruikt een zelfgemaakte haspel (foto links). Dit werkt uiteraard, maar in mij OCD brein kon dit niet. Ik koos voor een lege haspel van Brennenstuhl met daarop genoeg UTP om, eventueel, de 4-Square 135 meter van de set te kunnen zetten (foto rechts).

         

De antennes (Deel 2)
Inmiddels had ik in mijn hoofd, na gesprekken met TK5EP en PA3FYM ook klaar wat voor radialen we zouden gebruiken. Elevated of op de grond. Elevated betekend dat de totale antennemast lengte minimaal 1,8 meter langer gaat worden dan bij grondradialen. Dit omdat voor 40 meter het voedingspunt op ca 1,8 meter hoog komt te zitten. De beslissing is gevallen. Elevated radials it is.. Elke antennemast zou bestaan uit 5 “groene leger mastjes” en een 6 meter lange hengel er boven op. Aangezien de groene mastjes een werkhoogte hebben van 1,2 meter per stuk is de totale hoogte 12 meter. Precies genoeg voor de lengte van de straler en de hoogte van het voedingspunt. Om de mastjes te tuien heb ik scheerlijnen gemaakt die vast komen aan een RVS tuischoteltje die tussen het 4de en 5de paaltje komt te zitten.

De Phase leidingen
Een 4-Square heeft natuurlijk naar iedere antenne een stuk coax lopen. Dit is de z.g. Phase leiding. Door de footprint van de array staan de antennes in een vierkant 10,56 meter uit elkaar. (dit is een kwart golf van 7.100 Mhz) En dat betekent dan ook dat diagonaal er afstand is van ca 14,93 meter (de controle box ligt in het midden van de 4 antennes en daar moet de coax op aangesloten worden), kun je geen 50 Ohm coax gebruiken. Deze heeft (gemiddeld) een verkortingsfactor van .56 en aangezien elke Phase leiding een kwart golf moet zijn kom je hier niet mee weg. Immers is 10,56 x 0,56 ca 5,91 meter voor een 50 Ohm kabel. Als je 75 Ohm coax gebruikt gaat het ineens wel. De door mij gebruikte 75 Ohm coax van Messi & Paoloni is 10 mm dik (passen dus RG-213 PL pluggen op!!) en heeft een verkortingsfactor van .85. Nu zijn de Phase leidingen ca 8,97 meter lang en hebben we genoeg ruimte naar het midden van de array.

Het meten
Nu alles klaar was hebben we de hulp ingeroepen van Thom PA9T. In januari kwamen we, op gepaste Covid afstand, bij elkaar om de metingen te doen. Twee antennes tegenover elkaar, bijvoorbeeld NW en ZO moeten een Phase verschil hebben van 180 graden en dan moeten de naast liggende antennes, NO en ZW in dit voorbeeld, 90 graden Phase verschil hebben.
De scoop gaf gelukkig aan dat ik het geheel goed gemaakt had. We zagen exact de waarde die we verwachte. Ook Patrick TK5EP gaf aan dat dit “spot on” was en dat hij wel slechtere resultaten gezien had.

    

De antennes (Deel 3)
Eind januari hebben Paul en onderstaande één van de antennes opgezet en 1:1 gezet. Op advies van TK5EP hebben we eerst 2 radialen geplaatst op de juiste hoogte (1,8 meter in het midden en ca 0,5 meter aan het einde) en deze op de juiste lengte gemaakt met behulp van een antenne analyzer. Toen dit goed was hebben we een 3de radiaal op dezelfde lengte gemaakt en 3 radialen aangesloten op de straler (alle 4 de antennes hebben 3 radialen). De analyzer gaf een perfecte dip op 7.100 MHz. Hierna hebben we de maten gekopieerd naar de andere 3 antennes. Hiermee was het laatste stukje ook klaar.

Nu was alles klaar voor het testen in een contest. Hierover later meer.

Auteur: Karel Stas PA1RLM

Note
Met dank aan: De groep PA6AA voor het gebruik van jullie systeem als test, PA3GER voor alle kennis, PD0GJK voor de goede ideeën, TK5EP en PA3FYM voor het bevestigen van het gebruik van de Elevated radials, PA9T voor de hulp bij het meten. PE2LZ voor de uren van brainstormen via de telefoon.