<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN">
<HTML><HEAD><TITLE></TITLE>
<META http-equiv=Content-Type content="text/html; charset=utf-8">
<META content="MSHTML 6.00.2900.3527" name=GENERATOR></HEAD>
<BODY><!-- Converted from text/plain format -->
<P><STRONG><FONT face=Verdana><FONT size=5>The 'Loop Fed Array' Yagi Antenna 
Feed System</FONT> </FONT></STRONG></P>
<P><FONT face=Verdana><STRONG>Justin Johnson G0KSC</STRONG> makes public details 
of the LFA ‘Loop Feed Array’. </FONT></P>
<P><FONT face=Verdana>The LFA Yagi is not fed with a dipole as traditional Yagi 
antennas would be. Instead, it is fed with a rectangular loop which is laid flat 
on the boom of the Yagi in place of the dipole driven element. </FONT></P>
<P><FONT face=Verdana>The LFA is not ‘The Holy Grail’ of directional antennas 
and will not give any additional forward gain for any given boom length. 
However, it has a new and unique combination of properties which can be tailored 
to provide improvements in many areas over a traditional dipole-fed Yagi. 
</FONT></P>
<P><STRONG><FONT face=Verdana>LFA Yagi Advantages </FONT></STRONG></P>
<P><FONT face=Verdana>The advantages of the LFA concept are as follows: 
</FONT></P>
<UL>
  <LI><FONT face=Verdana>Superior front to back ratio </FONT>
  <LI><FONT face=Verdana>Exceptionally clean patterns </FONT>
  <LI><FONT face=Verdana>Ultra-wideband gain and matching characteristics 
</FONT>
  <LI><FONT face=Verdana>A new definition of the ‘ideal’ boom length </FONT>
  <LI><FONT face=Verdana>Flexible feed point arrangement </FONT>
  <LI><FONT face=Verdana>Direct 50Ω feed </FONT>
  <LI><FONT face=Verdana>Optimization of loop dimensions. </FONT></LI></UL>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width=350 align=right border=0>
  <TBODY>
  <TR>
    <TD><FONT face=Verdana><IMG height=233 
      src="http://www.southgatearc.org/news/may2009/images/DSC_0796.JPG" 
      width=350 border=1></FONT></TD></TR>
  <TR>
    <TD>
      <DIV align=center><FONT face=Verdana color=#666666>A 5 element 50MHz Yagi 
      in use on my tower </FONT></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><STRONG><FONT face=Verdana>Superior Front to Back Ratio </FONT></STRONG></P>
<P><FONT face=Verdana>Quad beams are renowned for their readily achievable clean 
patterns, with superior front to back properties over Yagis (when comparing like 
numbers of elements in small arrays). <BR>The LFA Yagi seems to have picked up 
this desirable characteristic. In models created so far, front to back figures 
of between 30&shy;-40dB have been readily achieved in Yagis of 7 and 8 elements 
without distorting the forward pattern or indeed creating any unwanted 
sidelobes. In addition, 3 and 4 element patterns look very similar in shape and 
performance to quad alternatives. This is one of the benefits of the LFA, as 
traditionally fed OWA antennas tend not to model well unless at least 4 elements 
are used.<STRONG> </STRONG></FONT></P>
<P><STRONG><FONT face=Verdana>Exceptionally Clean Patterns </FONT></STRONG></P>
<P><FONT face=Verdana>Another very nice ‘quad-like’ characteristic of the LFA 
Yagi is side lobe suppression. This is of particular importance when short boom, 
multi-antenna arrays are being used for EME work. It can be quite a challenge to 
eliminate rearward lobes in the elevation plane which will lead to noise being 
picked up from residential locations (and perhaps causing interference in these 
locations too). The LFA Yagi provides the best benefits of both small quad and 
Yagi antennas in one design. The LFA concept also offers more design variables 
that can be used to tailor the performance to suit individual requirements. 
Although it may require much more antenna modelling, there is also a good 
possibility that the design objectives can be surpassed rather than merely 
achieved.<STRONG> </STRONG></FONT></P>
<P><STRONG><FONT face=Verdana>Ultra Wideband Characteristics 
</FONT></STRONG></P>
<P><FONT face=Verdana>In modelling of both 10 and 11 element LFA Yagis for 2m I 
have achieved over 15dBi forward gain along with more than 34dB front to back 
ratio, with no significant sidelobes or unwanted forward lobes and a VSWR of 
less than 1.1. This is exceptional performance indeed, but even more exceptional 
considering how well this performance is maintained across a very wide bandwidth 
between 144MHz and 145MHz. This Yagi provides the nucleus of a very effective 
array for the serious DXer and EME enthusiast. Figure 4 shows similar wideband 
VSWR performance for the 50MHz LFA Yagi. </FONT></P>
<P><STRONG><FONT face=Verdana>A New Definition of the ‘Ideal’ Boom Length 
</FONT></STRONG></P>
<P><FONT face=Verdana>As any Yagi experimenter will know, for any given 
frequency and number of elements there is an ‘ideal’ boom length that provides 
the best balance between forward gain and front to back ratio. Shorter boom 
lengths will generally provide higher F/B but at the expense of forward gain 
(though if the boom is made even shorter the F/B will begin to drop as well). 
With longer booms, forward gain increases but F/B ratio drops away or becomes 
much harder to achieve. An interesting characteristic of the LFA is that the 
‘ideal’ boom length is greater than for a conventionally fed Yagi with a similar 
director structure, and this tends to give both more gain and improved F/B 
ratio. This is in part due to the size of the loop and the extra space it takes 
up on the boom – behind and in front of the loop, the spacings of the reflector 
and first director remain similar to those of traditional Yagis. When the loop 
is made more square in shape, so that it occupies even more space along the 
boom, both the forward gain and the F/B capabilities increase together. Using 
the 50MHz 5 element Yagi as an example, the loop length (along the boom, the 
X-axis dimension in the models) is around 45cm and therefore this extra length 
must be added to the boom. I have achieved 11.3dBi forward gain and over 20dB 
front to back from a boom length of a little over 5 metres, which thus becomes 
the new ‘ideal’ boom length for such an antenna. </FONT></P>
<P><STRONG><FONT face=Verdana>Flexible Feed Point Arrangement 
</FONT></STRONG></P>
<P><FONT face=Verdana>Another powerful aspect of the LFA is the flexibility of 
the feed arrangement and how it can alter performance of the Yagi. From the 
limited experiments made so far, it has been established that if the loop is fed 
at the rear centre (nearest to the reflector, as shown in <STRONG>Figure 
7</STRONG> ), better wideband performance can be achieved than by feeding at the 
front centre. Although the feed point cannot simply be switched from one 
position to the other without re-optimization, a front feed can provide a slight 
increase in forward gain and F/B; the VSWR bandwidth is narrower than for rear 
feed but still better than seen in comparable traditional Yagis. As stated 
above, the length of the loop along the boom can also be varied to change the 
LFA’s operational characteristics. More experimentation is required to establish 
which is the best way to feed this antenna. </FONT></P>
<P><FONT face=Verdana><STRONG>Direct 50</STRONG> Ω<STRONG> Feed 
</STRONG></FONT></P>
<P><FONT face=Verdana>As with all of my designs for the amateur builder, there 
is no need for any matching unit, coaxial stubs or any other tuning arrangements 
at the feed point. A simple 1:1 balun or coaxial choke is enough. Fine tuning 
can be achieved by moving the ends of the loop in or out (very much as one would 
to tune a folded dipole). <STRONG>Figure 8</STRONG> shows another example of the 
LFA’s excellent VSWR bandwidth. Note that the narrow dip which is so 
characteristic of the dipole fed Yagi has gone. For the practical version of the 
FD0605H 50MHz 5el Yagi (Figure 3) I tried a 1:1 voltage balun (branch feed with 
¼ wave and ¾ wavelengths of coax). This was successful but the ends of the balun 
must terminate upon the loop itself. Any connecting wires will de-tune the 
antenna and increase the VSWR. </FONT></P>
<P><STRONG><FONT face=Verdana>Optimized Loop Dimensions</FONT></STRONG></P>
<P><STRONG></STRONG><FONT face=Verdana>As already noted, the loop dimensions 
offer more design variables that can be used to help optimize the entire Yagi 
array. There are still many more tests to be conducted. The loop circumference 
is close to a full wavelength, but modelling experiments have already 
established that by altering the shape of the loop, the F/B ratio and forward 
gain can be balanced one against the other. The typical width of a loop (the Y 
dimension, parallel to the parasitic elements) for 50MHz would be around 10cm 
shorter than the first director and the loop length (X axis, along the boom) 
between 35cm and 60cm for best results. When starting a model for 50MHz, I 
typically use 2.5m width and around 45-50cm length, although with certain boom 
lengths a smaller loop length of 35cm has also returned good results. Scaling 
those dimensions for other bands will give a good starting point. For example, 
with 5mm wires at 144MHz, the loop length I am using is around 16-18cm along the 
boom. </FONT></P>
<P><FONT face=Verdana>To fine tune the antenna once it is in place, I recommend 
making the end sections of the loop from a smaller size of telescoping tubing, 
so it can be slid in and out to alter the total circumference of the loop. 
However, it is important to note that part of the side lobe suppression is 
delivered by the anti-phase currents along the ends of the loop. To reproduce 
the computer models as accurately as possible, the corners of the loop should be 
formed as small radius bends. If these ends are formed as half circles (to look 
like a large folded dipole), the side lobe suppression will not be anywhere near 
as good. </FONT></P>
<P><STRONG><FONT face=Verdana>Ultra low temperature antennas for EME 
</FONT></STRONG></P>
<P><FONT face=Verdana>Another break-through is the very low sky temperature of 
these antennas which is of particular importance for EME work. The popular 
VE7BQH list (Google search) provides a list of 4 stacked arrays from around the 
global and compares attributes such as gain, G/T, sky temperature (measured in 
degrees Kelvin) and more. <BR>The LFA Yagis, while not appearing on this list as 
yet, show a much lower temperature than comparable arrays. In fact, a 4 by 13 
element array for 144MHz gives a lower sky temperature than any other array 
listed. Considering that an antenna's sky temperature drops the larger the array 
becomes and that the VE7BQH list has antennas over 8 wavelengths long, this 
attribute is quite an achievement.</FONT></P>
<TABLE cellSpacing=0 cellPadding=0 width=350 align=right border=0>
  <TBODY>
  <TR>
    <TD><FONT face=Verdana><IMG height=382 
      src="http://www.southgatearc.org/news/may2009/images/13el.jpg" 
      width=350></FONT></TD></TR>
  <TR>
    <TD><FONT face=Verdana color=#666666>The incredible pattern of a 13 
      element 144MHz Yagi with extremely tight F/R ensuring low QRM pick up in 
      city locations</FONT></TD></TR></TBODY></TABLE>
<P><STRONG><FONT face=Verdana>New Low-Noise Antennas for 'Urban' locations 
</FONT></STRONG></P>
<P><FONT face=Verdana>One problem that affects many Hams is the tendency for 
antennas to pick up man-made noise in city locations. One of the new breed of 
LFAs are an ultra low noise Yagi which drastically reduces noise pick up form 
any direction other than the direction the antenna is facing. </FONT></P>
<P><FONT face=Verdana>This is achieved by modelling the massive amount of Front 
to Back possible with an LFA (without generating unwanted side lobes) Fig2 
displays the plot of a 13 element LFA showing the characteristics of the noise 
noise LFA </FONT></P>
<P><STRONG><FONT face=Verdana>Conclusion </FONT></STRONG></P>
<P><FONT face=Verdana>I believe I have only scratched the surface of the LFA 
Yagi concept. In a relatively short time it has enabled me to create some very 
good models which are now beginning to show proven practical results, so I am 
sure that with more time and many more minds, the LFA concept can produce some 
remarkable antennas. I am also working on a number of models for 70cm and 23cm 
that have equally impressive predicted performance – perhaps these will be the 
topic of a later article! </FONT></P>
<P><FONT face=Verdana>By offering more design variables than a traditional Yagi 
(the width, length, positioning and feed point of the driven loop), the LFA Yagi 
offers much more flexibility in design and optimization, so that more of the 
desirable performance objectives can be achieved simultaneously. Overall, this 
will result in superior performance.</FONT></P>
<P><FONT face=Verdana>At last it seems possible to achieve more of the 
characteristics of the legendary quad antenna within the compact and more 
visually pleasing outline of a Yagi, while also losing some of the less 
desirable properties of traditional Yagis. I am sure that, like me, many hams 
will see the LFA Yagi as a viable alternative to both the quad and traditional 
Yagi, and equally I believe the LFA will become a common feature within DX and 
EME stations. </FONT></P>
<P><FONT face=Verdana>If you have any comments, suggestions or findings relating 
to the LFA, please let me know and I will be happy to share these results on my 
website, which in the near future will have a section dedicated to the LFA 
designs. </FONT></P>
<P><FONT face=Verdana></FONT>&nbsp;</P>
<P><FONT face=Verdana>Below is a link to my download page where the original 
DUBUS article can be downloaded. </FONT><A 
href="http://www.g0ksc.co.uk/file-download/category/1-antenna-design-files.html" 
target=_blank><FONT 
face=Verdana>http://www.g0ksc.co.uk/file-download/category/1-antenna-design-files.html</FONT></A></P>
<P><FONT face=Verdana><STRONG><EM>Justin, G0KSC</EM></STRONG> </FONT></P>
<P><FONT face=Verdana>E-mail: </FONT><A href="mailto:justin@g0ksc.co.uk"><FONT 
face=Verdana>justin@g0ksc.co.uk</FONT></A><BR><FONT face=Verdana>Website: 
</FONT><A href="http://www.g0ksc.co.uk/" target=_blank><FONT 
face=Verdana>www.g0ksc.co.uk</FONT></A> </P></BODY></HTML>