+ All Categories
Home > Documents > LAB MANUAL EC-604 A&WP
58
ANTENNA AND WAVE PROPAGATION (EC-604) THEORY Basic antenna concept This section is a concise review of some important theory aspects concerned by the operation of this trainer. This discussion does mean to be exhaustive but just serve as a guide to help student to relate what he has learned in his theory course to the hardware he is facing. Transmission lines are used to convey energy from a source (generator) to the load. The generator are  sine wave voltage sources. The sine wave voltage applied to the line input determines a sine wave current in it. The ensemble of the sine wave voltage and sine wave current is generally called a wave. The wave propagates along the line. The concept of a wave traveling from the source through the line is in harmony with the idea of energy flowing from the generator to the load. We now suppose that our transmission line , instead of being infinitely long, is cut and shorted at a certain length. LAB MANUAL AND WORKBOOK 40
Transcript
Page 1: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

THEORY

Basic antenna concept

This section is a concise review of some important theory aspects concerned by the operation of this 

trainer. This discussion does mean to be exhaustive but just serve as a guide to help student to relate what 

he has learned in his theory course to the hardware he is facing.

Transmission lines are used to convey energy from a source (generator) to the load. The generator are  sine 

wave voltage sources. The sine wave voltage applied to the line input determines a sine wave current in it. 

The ensemble of the sine wave voltage and sine wave current is generally called a wave.

The wave propagates along the line.

The concept of a wave traveling from the source through the line is in harmony with the idea of energy 

flowing from the generator to the load.

We now suppose that our transmission line , instead of being infinitely long, is cut and shorted at a certain 

length.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 2: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)The short circuit is a no­power load (ohm's law), therefor the energy inside the short circuit must go some 

ware.

The only way the energy may go from the short circuit is to come back along the or be reflected. To do this 

the short must evidently be capable to generate a voltage equalling in modulus and opposed in phase with 

the incident wave.

This concept allows us to draw the pattern of the reflected wave given the pattern of the incident one. It 

simply is the incident pattern reverted.

We can extend our narrative , non mathematical reasoning on the line to the cases  where the line open 

instead of shorten and then terminated with the generic load.

Equalizing the characteristic impedance of the line . The characteristic impedance is a parameter 

depending on the physical nature and construction characteristics of the line.

when a line is terminated on a matched load there is no reflected wave,therefore the energy transfer from 

the line to the load ( which are in our cases antennas ), is maximized.

Radiation mechanism and evolution of dipole:­

Consider the open­circuited transmission line of fig 2.it is seen that the forward and reverse travelling 

waves combine to form a standing wave pattern on the line, with a voltage anti node at the open – circuited 

point, but not all the forward energy is reflected by the open circuit.

As shown, a 

small portion 

of 

electromagnetic energy escapes from the system and its thus radiated. This occurs because the line of 

focus, travelling towards the open circuit, are required to undergo a complete phase reversal when they 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 3: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)posses the equivalent of mechanical inertia, and thus some do escape, it must be added that the proportion, 

of the wave escaping the system to those remaining is very small, for two reasons.

First, if we consider the surrounding space as the load for the transmission line, we see that a mis match 

exist, and thus very little power is dissipated in this “load”. Second, since the two wires are close together, 

it is apparent that the radiation from one tip will just about cancel that from other. This is because they are 

of opposite polarities and at a distance apart that is tiny compared to a wavelength. Conversely, this is also 

the reason why low­frequency parallel­wire transmission lines do not radiate.

The cure for this problem seems to be an”enlargement “ of the open circuit i.e. Spreading of two wires, as 

in fig. 3. there is now less likelihood of cancellation of radiation from the two wire tip. By the same token, 

the radiating transmission line is now batter coupled to the surrounding space. This is another way of 

saying that more power will be”dissipated” in the surrounding space i.e. Radiated. Moreover, because of 

the spreading out, waves traveling along the line find it more difficult to undergo the phase reversal at the 

end. Thus everything points to an increase in radiation.

The radiation efficiency of this system is improved even more when the two wires are bent so as to be in 

the same line, as in fig.3. The electric (and also the magnetic ) field is now fully coupled to the surrounding 

space, instead of being confined between the two wires, and the maximum possible amount of radiation 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 4: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)result. This type of radiation is called a dipole. When the total length of the two wires is a half wavelength, 

the antenna is called a  half wave dipole. It has the form indicated in figure.3 and now even great radiation 

occurs. The reason for this increase is the half wave dipole may be regarded as having the same basic 

properties   (   for   the point  of view of   impedance  particularly)  as  a  similar   length  of  transmission  line. 

Accordingly, we have the antenna behaving as a piece of quarter­wave transmission line bent out and open 

circuited at the far end. This results in the high impedance at the far and of the antenna reflected as a low 

impedance at the end connected to the main transmission line. This in turn, means that a large current will 

flow at the main transmission line. This intern, means that a large current will flow at the input to the half 

wave dipole, and efficient radiation will take place.

Standing wave ratio:­

The   standing  wave   ratio   (SWR)   is   defined   as   the   ratio   between  maximum  and   minimum  values   of 

voltage( and current )alo0ng the time.

Fig 4 shows the SWR pattern along a line with a mismatched load and helps understanding the definition 

of SWR.

The SWR is an index of the mismatch existing between the load and the line feeding it. The SWR equals 1 

in the perfectly matched case, impossible to reach in practice, and tends to reach very high values (infinity) 

for lines shorted or open. In practice SWR values in range 1.4 to 2 are to be considered a good matching 

condition in an antenna system, while rather larger values are acceptable with our trainer. This is because 

unlike large power system where the design aim is maximum power transfer, in a trainer, in a trainer 

system the aim is in handiest operability and simple construction.

The directional coupler:­

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 5: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)To sense the direction of power travel, as well as the amount of power, is sensing device must have diodes 

as circuit elements.

The directional coupler of figure 5 consist of two line trunks placed along with a main transmission line 

carried energy from generator to antenna.

The power traveling from input to output of the device will cause induced voltages in the upper and lower 

loops. In the lower one the voltage will build across the sensing devices thanks to the forward conducting 

diode, while this will not happened in the upper loop.

As for the power traveling from load to generator, the situation is reverted the upper loop will sense, the 

lower one will not.

There fore the device of figure 5 allows separate metering of direct and reverse power.

The practical procedure to use the directional coupler to measure the SWR is the following.

Turn on the transmitter.

place the switch of SWR meter on FORWORD and note the reading, you can also adjust the level for full­

scale deflection (50 in the case of our trainer. Adjust RF level if needed).

Switch the meter to REVERSE. Note the reading. Calculate the SWR by the formula.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 6: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

Antenna Matching:­

Let's consider a short­circuited transmission line having length ¼ of the wavelength of the signal 

impressed by the generator.

At the shorted end there will be a null voltage a maximum current while at the other end(generator side), 

there will be opposite situation of maximum voltage and zero current. The line there fore appears to the 

generator as an infinity impedance , since no current is drawn.

Let's now consider another line,half wavelength long, shorted at the opposed to that of the generator.

The junction point of the generator to the line will be zero­ voltage maximum current point. The 

impedance of the line, as “seen”  from the generator, shall be a short circuit(zero impudence).

In all the intermediate cases of a line having length between ¼ and ½ wavelength, the generator shall see 

impedance between 0 and infinity.

Going on furtherly  with the same reasoning we find out that for shorted line ¼  wave length­long to zero 

length, the impedance goes again from infinity zero.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 7: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)Since our line is loss less, the impedance must be purely reactive and if we consider the pattern of the 

current together to that of the voltage, we soon find out that in the ½ to ¼ wave length interval the 

impedance goes from 0 to infinity and is capacitive, while in the ¼ wavelength to zero length interval 

impedance goes from infinity to zero and is inductive.

All this leads us to think of a very handy way to match the impedance seen from the generator by placing 

in parallel to the mismatched load a trunk of shorted line of a proper length . See fig 6 these devices are 

gener4ally called MATCHING STUBS.

An adjustable length matching stub can be adjusted to have a reactive impedance equal in modulus and 

opposed sign of a mismatched load, in order to cancel its reactive components and make it appear to the 

line as purely resistive.

Types of antenna:­  

antenna can be broadly classified by the directions in which radiate or receive electromagnetic radiation. 

They can be isotropic, omni directional or directional.

An isotropic antenna is a hypothetical antenna that radiates uniformly in all directions so that the electric 

field at any point on a sphere (with the antenna at its center) has the same magnitude. Such radiation 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 8: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)cannot be realized in practice since in order to radiate uniformly in all directions an isotropic antenna 

would have to be a point source. The nearest equivalent to an isotropic antenna is a hertzian dipole.

The hertzian dipole is the name given to a dipole which is very small compared to its wavelength that is 

about one­hundredths of the wavelength at its operating frequency; even in this case its pattern is not truly 

isotropic.

An omni directional antenna radiates uniformly in one place. Examples of  omni directional antennas are 

Monopoles,Dipole etc. The radiation of a vertical dipole is uniform in the horizontal plane and a figure of 8 

in the vertical plane.

Important  characteristics of Antenna:­ 

An antenna is chosen for a particular application according to its main physical and electrical 

characteristics. Further , an antenna must perform in a desired manner for the particular application. An 

antenna can be characterized by the following factors , not all are applicable to all types of antennas. Most 

of the characteristics mentioned below can be studied using this trainer.

1. Radiation resistance.

2. Radiation pattern.

3. Beam width.

4. Bandwidth.

5. Gain of main lobe.

6. Position and magnitude of side lobes.

7. Front to back ratio.

8. Aperture.

9. The polarization of the electric field.

There are two principles planes in which the antenna characteristics are measured. these are the horizontal 

and vertical planes for land based antennas. Some characteristics such as beamwidth and side lobes are the 

same in both planes for symmetrical antennas such as helical and reflectors. other characteristics such as 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 9: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)gain on bore sight. (i.e where the azimuth and the elevation planes intersect ) can only have a single 

value .In general , for unsymmetrical antennas the characteristics are different in the two principles.

Radiation Resistance:­ 

We can consider an antenna as a load that terminates the transmission line that feeds it. In the ideal case 

this load will have an impedance which is purely resistive that is, the load will not have any reactive 

component such as an inductance or capacitance. In practice the impedance of an antenna is made up of a 

self impedance and a mutual impedance .The self impedance is the impedance that would be measured at 

the terminals of the antenna when it is in free space, given no other antennas or reflecting objects in the 

vicinity. The mutual impedance accounts for the coupling between the  driven element and the other 

parasitic passive elements. 

When the antenna has the same impedance as the transmission lines that feeds it , the antenna is said to be 

matched on the line. When this occurs , maximum power is transfered from the transmission line to the 

antenna . In general ,the impedance of the antennas not the same as that of the transmission line. When the 

transmission line has the purely resistive impedance and the antenna has an impedance that contains a 

different resistive values as well as reactive part , the optimum transfer of power can be achieved  via the 

use of the tuning circuits consist of an LC  circuits in which the capacitance of the capacitor is altered in 

order to provide the maximum transfer of power.

In this trainer antenna match tuning capacitor does this.

Radiation Pattern:­ 

The antenna is a reciprocal device, means it radiates or receives electromagnetic energy in the same way. 

Thus, although the radiation pattern is identified with an antenna that is transmitting power,the same 

properties would apply to the antenna even it was receiving power. Any difference between the received 

and radiated powers can be attributed to the difference between the feed networks and the equipment 

associated with the receiver and transmitter. The antenna radiates the greatest amount of power along its 

boresight and also receives power most efficiently in this direction.

The radiation pattern of an antenna is peculiar to the type of antenna and its electrical characteristics as 

well as its physics dimensions. It is measured at a  constant distance in the far field. The radiation pattern 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 10: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)of an antenna is usually plotted in terms of relative power. The power at boresight , that is at the position of 

maximum radiated power, is usually plotted at 0 degrees; thus the power in all other positions appears as a 

negative value. In other words, the radiated power is normalised to the power at bore sight. The main 

reason for using dB instead  of linear power is that the power at the nulls is often of the order of 10,000 

times less than the power on the boresight , which means that the scales would have to be very large in 

order to cover the whole range of power values.

For the convenience of the students to plot the polar graph the readings are plotted after converting them 

into dB. A conversion chart is provided in this manual. Also the boresight reading is taken as maximum in 

dB and other readings are plotted in lower values in dB.

The radiation pattern is usually measured in the two principal planes,namely , the azimuth and the 

elevation planes. The radiated / received dB is plotted against the angle that is made with the boresight 

direction. If the antenna is not expect its radiation pattern  in these planes to be unsymmetrical. The 

radiation pattern can be plotted using the Polar  or the Rectangular / Cartesian Co­ordinates.

Polar Plots:­   

In a Polar Plot the angles are plotted from the boresight and the levels (dBuV/ dBuA) are plotted along the 

radius. The angles may be selected at any convenient interval. However 5 degrees or 100 degrees may be 

chosen. Choosing of 1 deg.  is also possible in the trainer but this does not serve any special purpose 

because the readings will not change much and will consume more time. The polar plot gives a pictorial 

representation of the radiation pattern of the antenna and is easier to visualise than the rectangular plots. 

The students will easily understand the polar plot drawn by them.

The beam width and gain of main lobe:­

The beam width of an antenna is commonly defined in two ways . The most well known definition is the 3 

db or half power beam width but the 10 db beam width is also used specially for antennas with narrow 

beams. The 3 db or half power beam width of an antenna is taken as the width in degrees at the point on 

either side of the main beam where the radiated level is 3 db lower than the maximum lobe value. The ­10 

db value is taken as the width in degrees on  either side of the main beam where the radiated level is 10 db 

lower than the maximum lobe value.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 11: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)The IEEE definition of gain of an antenna relates  to the power radiated by the antenna to that radiated by 

an isotropic antenna ( that radiates equally in all direction ) and is quoted.

as a linear ratio or an db refereed to an isotropic ( dbi , i:for isotropic)when we say that the gain of an 

antenna is for instance , 20 dbi( 100 in linear terms) we mean that an isotropic antenna would have to 

radiate 100 times more power to give the same intensity in the same distance as that particular directional 

antenna.

The radiation pattern of an antenna shows the power on the bore sight as 0 db and the power in other 

directions as negative vales. The gain in all directions is plotted relative to the gain on boresight. in order 

to find the absolute gain in any direction  the gain on bore sight must be known. If this gain is expressed in 

decibels, then this value can simply be added to the gain at any point to give the absolute gain. the absolute 

gain on bore sight is measured by comparison  with a standard gain antenna, which functions as a reference 

antenna whose gain is calculated or measured with a high degree of accuracy.

The position 

and 

magnitude of side lobes:­

The side levels is usually quoted as the level below the bore sight gain. Strictly all peaks on either side of 

the main lobe are side lobes. However, in practice only the “ near­ in “ lobes, those which are adjacent on 

either side of the bore sight maxima are referred to as side lobes. Their amplitude and angle are easily 

measured using the polar plot. For an antenna that is symmetrical about its main axis, the radiation pattern 

is in general also symmetrical. Thus the level of the side lobes on  opposite sides of the main beam would 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 12: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)be the same. The average value is taken where the two side lobes are different. The absolute level of side 

lobes can only be calculated if the absolute bore sight gain is known. 

Bandwidth:­ 

The bandwidth of an antenna is a measure of its ability to radiate or receive different frequencies. It refers 

to the frequency range over which operation is satisfactory and is generally taken between the half power 

point in the direction of maximum radiation. The bandwidth is the range of frequencies that the antenna 

can receive (or radiate) with a power efficiency of 50% (0.5) or more or a voltage efficiency of 70.7% (that 

is ­3DB point). The  operating frequency range is  specified by quoting the upper and lower frequencies, 

but the bandwidth is often quoted as  a relative value. Bandwidth is commonly expressed in one of the two 

ways; 1) AS percentage or, 2) As a fraction or multiple of an octave  (An octave is a  band of frequencies 

between  one frequency and the frequency that is double or half the first frequency; for instance, we have 

an octave between 400 MHz and 800 MHz ) When it is expressed as a percentage bandwidth, its center 

frequency should  be quoted and the percentage expressed in octaves, Its lower and  upper frequency 

should be also quoted. 

The front to back ratio:­ 

The front­ to back  ratio is a measure of the ability of a directional antenna to concentrate the beam in the 

required forward direction. In liner terms, it is defined as the ratio of the maximum power in the main bean 

(boresight) to that in the back lobe. It is usually expressed in decibels, as the difference between the level 

on boresight and at 180 Degrees off boresight. If this difference is say 35 dB then the front­to back ratio of 

the antenna is 35dB; in linear terms it would  mean that the level of the back lobe is 3,162 times less than 

the level of the of the bore sight.

Aperture / Capture area

in simple words aperture or capture area of antenna is effective receiving area of the antenna and may be 

calculated from the power received and its comparison with the power density of the signal being received

If, S= power density of the wave in watts/ sq meter.

A= capture area of the antenna.

P= total power absorbed by the antenna.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 13: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)then P= S.A  Watts or A=P/S.

The aperture size can be defined in two ways; either in terms of actual physical size in meters or in terms 

of wavelength. for instance. if we say that an antenna has an aperture of two wavelengths,then its actual 

size depends on its operating frequency. at a frequency of 1 GHZ, the physical aperture would be 60 cms. 

it is more meaningful to refer an antenna size in terms of its operating wavelength when the antenna is 

narrow band or single frequency because its beamwidth and gain are directly related to the aperture in 

terms of its wave length. in this case we have to calculate its wavelength to find its physical dimensions. 

However,in the case of broadband antennas, its physical size is more appropriate because there are a range 

of operating frequencies. the aperture of an antenna governs the size of its beam width. In general, the 

larger the aperture, the narrower the beam width, the higher is the gain at a given frequency.

The polarization of electric field:­

Polarization is used almost exclusively to describe the shape and orientation of the locus of the extremity 

of the electric field vector as it varies with time at a fixed point in space. This locus could be a straight line, 

an ellipse or a circle.

In the case of linear polarization, the electric field varies sinusoidally in one plane.

When this plane is vertical it is called vertical polarization. When this plane horizontal, it is called 

horizontal polarization. The electric field can also be polarized in any other angle between 0 to 90 degree 

to the horizontal. In general the only other commonly used angle is 45 degrees, which is known as the slant 

polarization.

The polarization of a receiving antenna must match that of the incident radiation in order to detect the 

maximum field. If the angles are not the same, only that components that is parallel to the plane of incident 

polarisation will be detected. If we have a vertically polarised, the magnitude of its component in the 

vertical plane will be reduced by a factor of cosine 45 degrees.

ARRANGEMENT

Arranging the trainer and performing functional checks:­

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 14: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)1. Keep the main unit on the table and connect power cord. the mains voltage and switch on the 

unit.The indicator lamp should glow.Switch off the main unit.

2. Assemble the coaxial antenna must and fix it on the goniometer scale of the main unit. 

3. Assemble detector assembly and mount detector unit on the mast.

4. Keep main unit and detector assembly at a distance of 1.5 m.

5. Install folded dipole antenna on the transmitting mast and allign the direction and the height of both 

transmitting and receiving antennas.

6. Switch ON the main unit & check for deflection in the meter of directional coupler. Adjust RF 

level and FS adjust (if required). The toggle switch can be in either FWD or REV position.

7. Check for deflection in detector meter. Adjust Level of detector meter for #/4 deflection in the 

meter.

8. Rotate transmitting antenna between 0­360o and observe the deflection on the detector assembly. 

The variation indicates that the transmitter & the receiver are working and radiation pattern is 

formed.

9. The unit is ready for further experiments.

Important Note:­

The adjustment of the following may be very rarely necessary to optimise the maximum radiations from 

different antennas. They are.

1. Z (output impedance of generator).

2. Antenna match.

However this can be done by removing the screws and adjust them gently with the aligner/screwdriver

More details are given in the test and calibration procedure in the operating manual.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 15: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 16: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

EXPERIMENT­1

AIM:­ 

To find the radiation pattern, beam width and gain of half wave length simple Dipole antenna. 

APPARATUS REQUIRED:­

Experimental set and simple half wave length Dipole antenna.  

THEORY:­ 

A simple  dipole   is   the   simplest   form of   antenna  having  2  poles   each  of   length   ( /2).  The  nominalλ  

impedance of this antenna is 73 ohms. The actual value departs from this due to construction constraints, 

such on non­zero diameter rods, presence of BNC connector body and the antenna mast. The effect of all 

these are partially corrected by an “Y match” arrangement connection. The radiation pattern of simple 

dipole  ( /2) is uniform in forward and reverse direction. The polarization is horizontal.λ

PROCEDURE:­ 

1. Arrange the set up.

2. Mount the simple dipole  ( /2)λ  on the transmitting mast. 

3. Bring the detector assembly near to main unit and adjust the height of both transmitting and 

receiving antenna same. 

4. Keep detector assembly away from main unit approximately 1.5m and align both of them Ensure 

that there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, pipes, 

cables etc. 

5. Keep the RF level and FS adjust to minimum and directional coupler switch to FWD. 

6. Keep detector level control in the centre approximately. 

7. Increase RF level gradually and see that there is deflection in detector meter. 

8. Adjust RF level and detector level so that the deflection in detector meter is approximately 30­ 35 

µA. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 17: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)9. Align arrow mark on the disk with zero of goniometer scale. 

10. Start taking reading at the interval of 5 or 10 degrees and note the deflection on the deflection 

assembly. 

11. Convert the µA reading of detector assembly into dBs with the help of conversion chart. 

12. Plot the polar graph in degrees of rotation of antenna against level in the detector in dBs. 

13. Calculate the beam width. front to back ratio and the gain of the antenna with the help of this graph. 

CALCULATIONS:­ 

BEAMWIDTH:­

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA' mark­3dB from maximum on the bore sight 

line point B Draw an arc of radius AB. 

2. This arc will intersect main lobe at C and D. 

3. Measure the angle CAD. This angle is ­3dB beam width. 

FRONT TO BACK RATIO:­

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA'. 

2. look for main lobe.

3. Front to back ratio=AA'/1 dB .

4. If there is lobe, then measure it (AE), where E is the maximum of back lobe.

5. Then, front to back ratio= AA'/AE dB. 

GAIN OF THE ANTENNA:­ 

1. G=(Maximum radiation intensity) /(Maximum radiation intensity form a reference antenna i.e. 

isotropic antenna with same power input).

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 18: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)2. We presume here that maximum radiation intensity of isotropic antenna is 1 DB  and is 100% 

efficient. under this assumption. 

3. G=AA'/1      dB. 

RESULT:­

PRECAUTIONS:­ 

1. Ensure the there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such.

2. As steel structure, pipes, cables etc.

3. Don't place your hand between transmitting antenna and receiving antenna.

4. Antenna should be property mounted on the transmitting mast. 

5. Conversion of  µA to dB µA should be correct. 

6. Distance between main unit and the detector unit should  not exceed 1.5 meters.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 19: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

VIVA VOCE

Ques1: Define antenna ?

Ans: An antenna (or aerial) is an electrical device which couples radio waves in free space to an 

electrical current used by a radio receiver or transmitter. In reception, the antenna intercepts 

some of the power of an electromagnetic wave in order to produce a tiny voltage that the radio 

receiver can amplify.

Ques2: Define gain of the antenna ?

Ans: Gain is a parameter which measures the degree of directivity of the antenna's radiation pattern. 

G=(Maximum radiation intensity) /(Maximum radiation intensity form a reference antenna i.e. 

isotropic antenna with same power input).

Ques3: What is radiation pattern.

Ans: The radiation pattern of an antenna is a plot of the relative field strength of the radio waves 

emitted by the antenna at different angles. It is typically represented by a three dimensional 

graph, or polar plots of the horizontal and vertical cross sections.

Ques4: Define polarization of antenna ?

Ans: The polarization of an antenna is the orientation of the electric field (E­plane) of the radio wave 

with respect to the Earth's surface and is determined by the physical structure of the antenna and 

by its orientation.

Ques5: What is radiation resistance for a half wave dipole ?

Ans: Radiation resistance for a half wave dipole is 73 ohm.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 20: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

EXPERIMENT–2

AIM:­ 

To find the radiation pattern, beam width and gain of half wave length folded Dipole antenna. 

APPARATUS REQUIRED:­

Experimental set and folded Dipole antenna.  

THEORY:­ 

Compared to a simple dipole, this antenna has substantially higher radiation resistance approximately 300 

ohms for the presence of folded arm. The actual impedance is derived from rod diameter and distance from 

centre shape of the end bends, the presence of BNC connector and balun etc, The typical radiation pattern 

in horizontal plane for this antenna is same as that was for simple dipole. The polarization is horizontal. 

ROCEDURE:­ 

1. Arrange the set up.

2. Mount folded dipole antenna ( /2) λ on the transmitting mast. 

3. Bring the detector assembly near to main unit and adjust the height of both transmitting and 

receiving antenna same. 

4. Keep detector assembly away from main unit approximately 1.5m and align both of them Ensure 

that there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, pipes, 

cables etc. 

5. Keep the RF level and FS adjust to minimum and directional coupler switch to FWD. 

6. Keep detector level control in the centre approximately. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 21: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)7. Increase RF level gradually and see that there is deflection in detector meter. 

8. Adjust RF level and detector level so that the deflection in detector meter is approximately 30­ 35 

µA. 

9. Align arrow mark on the disk with zero of goniometer scale.  

10. Start taking reading at the interval of 5 or 10 degrees and note the deflection on the deflection 

assembly. 

11. Convert the µA reading of detector assembly into dBs with the help of conversion chart. 

12. Plot the polar graph in degrees of rotation of antenna against level in the detector in dBs. 

13. Calculate the beam width. front to back ratio and the gain of the antenna with the help of this graph. 

CALCULATIONS:­ 

BEAMWIDTH:­

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA' mark­3dB from maximum on the bore sight 

line point B Draw an arc of radius AB. 

2. This arc will intersect main lobe at C and D. 

3. Measure the angle CAD. This angle is ­3dB beam width. 

FRONT TO BACK RATIO:­

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA'.

2. look for main lobe.

3. Front to back ratio=AA'/1 dB. 

4. If there is lobe, then measure it (AE), where E is the maximum of back lobe.

5. Then, front to back ratio= AA'/AE dB.  

GAIN OF THE ANTENNA:­  

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 22: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)1. G=(Maximum radiation intensity) /(Maximum radiation intensity form a reference antenna i.e. 

isotropic antenna with same power input). 

2. We presume here that maximum radiation intensity of isotropic antenna is 1 DB  and is 100% 

efficient. under this assumption. 

3. G=AA'/1      dB. 

RESULT:­

PRECAUTIONS:­ 

1. Ensure the there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such.

2. as steel structure, pipes, cables etc.

3. Don't place your hand between transmitting antenna and receiving antenna.

4. Antenna should be property mounted on the transmitting mast.

5. Conversion of  µA to dB µA should be correct. 

6. Distance between main unit and the detector unit should  not exceed 1.5 meters.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 23: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 24: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 25: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

VIVA VOCE

Ques1: What is the impedance a the feed point of a folded dipole antenna.

Ans: 300 ohm.

Ques2:Define aperture of antenna ?

Ans: The effective aperture of an antenna Ae is the area presented to the radiated or received signal. It 

is a key parameter, which governs the performance of the antenna. The aperture efficiency de­

pends on the distribution of the illumination across the aperture. If this is linear then Ka= 1. This 

high efficiency is offset by the relatively high level of side lobes obtained with linear illumina­

tion. Therefore, antennas with more practical levels of side lobes have an antenna aperture effi­

ciency less than one (Ae< A).

Ques3: Define directivity ?

Ans: In electromagnetics, directivity is a figure of merit for an antenna. It measures the power density 

the antenna radiates in the direction of its strongest emission, versus the power density radiated 

by an ideal isotropic radiator (which emits uniformly in all directions) radiating the same total 

power.

Ques4: What isotropic antenna ?

Ans: An isotropic antenna is a hypothetical antenna radiating the same intensity of radio waves in all 

directions. It has a directivity of 0 dBi (dB relative to, isotropic).

Ques5: Define front to back ratio ?

Ans: The front­to­back ratio of an antenna is the proportion of energy radiated in the principal 

direction of radiation to the energy radiated in the opposite direction. A high front­to­back ratio 

is desirable because this means that a minimum amount of energy is radiated in the undesired 

direction.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 26: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

EXPERIMENT–3

AIM :­ 

To find the radiation pattern, beam width and polarization of log periodic antenna. 

APPARATUS REQUIRED:­ 

Experimental set and log periodic antenna . 

THEORY:­ 

The main feature of this antenna is frequency independence for both radiation resistance and pattern. The 

radiation pattern may be unidirectional or bi­directional. Bandwidth of 10:1 is easily achievable. The array 

consists of number of dipoles of different  lengths and spacing and fed form a two wire  line which is 

transposed between each adjacent pair of dipoles. The array is fed from narrow end and the maximum 

radiation is in this direction. If a graph is plotted  input impedance v/s frequency,a repetitive variation will 

be noticed.If plotted against log of frequency instead of frequency, then  variation is periodic consisting of 

identical cycles. It is this behavior of antenna, which has given the name. This is a horizontally polarized 

antenna. 

PROCEDURE:­ 

1. Arrange the set up.

2. Mount the log periodic antenna  on the transmitting mast. 

3. Bring the detector assembly near to main unit and adjust the height of both transmitting and 

receiving antenna same. 

4. Keep detector assembly away from main unit approximately 1.5m and align both of them Ensure 

that there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, pipes, 

cables etc. 

5. Keep the RF level and FS adjust to minimum and directional coupler switch to FWD. 

6. Keep detector level control in the centre approximately. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 27: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)7. Increase RF level gradually and see that there is deflection in detector meter. 

8. Adjust RF level and detector level so that the deflection in detector meter is approximately 30­ 35 

µA. 

9. Align arrow mark on the disk with zero of goniometer scale.  

10. Start taking reading at the interval of 5 or 10 degrees and note the deflection on the deflection 

assembly. 

11. Convert the µA reading of detector assembly into dBs with the help of conversion chart. 

12. Plot the polar graph in degrees of rotation of antenna against level in the detector in dBs. 

13. Calculate the beam width. front to back ratio and the gain of the antenna with the help of this graph. 

14. For polarization test, turn the detector box at 90 degree by fixing the screw at the back of detector 

box. Note the  readings again. 

Since, we have changed the plane of receiving antenna to vertical keeping transmitting antenna still in the 

horizontal plane that detector antenna receives practically no signal. Rotate the transmitting antenna from 0 

to 360 degree gradually and take the readings.  

CALCULATIONS:­ 

BEAMWIDTH:­ 

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA' mark­3dB from maximum on the bore sight 

line point B Draw an arc of radius AB. 

2. This arc will intersect main lobe at C and D. 

3. Measure the angle CAD. This angle is ­3dB beamwidth. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 28: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)FRONT TO BACK RATIO:­ 

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA' .

2. look for main lobe.

3. Front to back ratio=AA'/1 dB. 

4. If there is lobe, then measure it (AE), where E is the maximum of back lobe.

5. Then, front to back ratio= AA'/AE dB. 

GAIN OF THE ANTENNA:­

1. G=(Maximum radiation intensity) /(Maximum radiation intensity form a reference antenna i.e. 

isotropic antenna with same power input).  

2. We presume here that maximum radiation intensity of isotropic antenna is 1 DB and is 100% 

efficient. under this assumption. 

3. G=AA'/1 dB. 

RESULT:­

PRECAUTIONS:­ 

1. Ensure the there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, 

pipes, cables etc.

2. Don't place your hand between transmitting antenna and receiving antenna.

3. Antenna should be property mounted on the transmitting mast. 

4. Conversion of  µA to dB µA should be correct. 

5. Distance between main unit and the detector unit should not exceed 1.5 meters.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 29: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 30: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

VIVA VOICE

Ques1: What is log periodic antenna ? 

Ans: A log­periodic antenna (LP, also known as a log­periodic array) is a broadband, multi­element, 

unidirectional, narrow­beam antenna that has impedance and radiation characteristics that are 

regularly repetitive as a logarithmic function of the excitation frequency.

Ques2: Explain reciprocity theorem for antenna ?

Ans: If an emf is applied to the terminals of an antenna no. 1 and the current  measured at terminals 

of another antenna no.2, then an equal both in amplitude and phase will be obtained at the 

terminals of antenna no. 1if the same emf is applied to terminals of antenna no. 2.

E12=E21 PROVIDED I1=I2

Ques3: What is effective height of antenna ? 

Ans: Effective height= 2/  physical height.π

Ques4: What is the range of HF ?

Ans: 3 to 30 MHZ.

Ques5: What are the region in log periodic dipole array ?

Ans: 1. Inactive transmission line region ( L< /2).λ

2. Active region (L=  /2).λ

3. Inactive reflective region(L>  /2).λ

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 31: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

EXPERIMENT–4

AIM:­ 

To find the radiation pattern and beam width of cut parabolic antenna.

APPARATUS REQUIRED:­

Experimental set and cut parabolic antenna . 

THEORY:­ 

The most widely used antenna for microwaves is the paraboloid reflector antenna, which consists of a 

primary antenna such as a dipole situated at the focal point of a paraboloid reflector. The directivity of the 

paraboloid reflector is a function of the primary antenna directivity and the ratio of focal length of reflector 

diameter, F/D. This ratio is known as aperture number. 

PROCEDURE:­ 

1. Arrange the set up.

2. Mount the cut paraboloid reflector antenna without reflector on the transmitting mast. 

3. Bring the detector assembly near to main unit and adjust the height of both transmitting and 

receiving antenna same. 

4. Keep detector assembly away from main unit approximately 1m away from the transmitter. 

5. Note the reading in the detector rotating the transmitting mast on the goniometer scale.  At suitable 

intervals (30 degrees). 

6. Now connect the cut paraboloid on the PCB with the help of screw. 

7. Observe the change in detector readings. 

8. Note the new readings in the detector by rotating the transmitter mast on the goniometer scale 0­

360 deg. at the same interval. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 32: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)9. The New readings show the effect of paraboloid reflector. 

CALCULATIONS:­ 

BEAMWIDTH:­

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA' mark­3dB from maximum on the bore sight 

line point B Draw an arc of radius AB. 

2. This arc will intersect main lobe at C and D. 

3. Measure the angle CAD. This angle is ­3dB beamwidth. 

GAIN OF THE ANTEN:­

1. G=(Maximum radiation intensity) /(Maximum radiation intensity form a  reference antenna i.e. 

isotropic antenna with same power input). 

2. We presume here that maximum radiation intensity of isotropic antenna is 1 DB and is 100% 

efficient. under this assumption. 

3. G=AA'/1   dB. 

RESULT:­

PRECAUTIONS:­ 

1. Ensure the there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, 

pipes, cables etc.

2. Don't place your hand between transmitting antenna and receiving antenna.

3. Antenna should be property mounted on the transmitting mast. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 33: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)4. Conversion of  µA to dB µA should be correct. 

5. Distance between main unit and the detector unit should not exceed 1.5 meters.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 34: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

VIVA VOICE

Ques1: Define beam width of antenna ?

Ans: Beam width is a measure of directivity of an antenna. antenna beamwidth is defined as the 

angular  separation between two half power points on the radiation pattern  pattern of an 

antenna.

Ques2: Define radiation intensity.

Ans: Radiation intensity is quantity which does not depend upon the distance from the radiator. 

radiation intensity is defined as power per unit solid angle.

Ques3: What is  radiation intensity ?

Ans: Unit of radiation intensity is watt/ steradian.

Ques4: What is HPBW.

Ans: HPBW is the angular width between the angular points half ­power below thats half power.

Ques5: Define skip distance ?

Ans: Skip distance is the  shortest distance from a transmitter,measured along the surface of the earth 

at which a sky wave of fixed frequency( more than fc) will be returned  to earth.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 35: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

EXPERIMENT–5

AIM:­ 

To find the radiation pattern, beam width and standing wave ratio of loop antenna.

APPARATUS REQUIRED:­ 

Experimental set and Loop antenna.

THEORY:­ 

This antenna consists of single or multiple loop arrangements. The total loop perimeter is generally half 

wavelength long or multiple.In the basic configuration this antenna has very low impedance so that it is 

used only for reception for the reasons of matching efficiency. In order to rise the impedance our loop 

antenna uses a radiating element and a two conductor strip line loop shaped. The current in the opposite 

side of the arm of the loop add up and subtracts the effects the effects to the   radiated wave, so that the 

radiation diagram appears to have a rather odd unexpected pattern. Normally the loop is circular but in our 

case it is a square loop.  

PROCEDURE:­ 

1. Arrange the set up.

2. Mount the loop antenna on the transmitting mast.

3. Bring the detector assembly near to main unit and adjust the height of both transmitting and 

receiving antenna same. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 36: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)4. Keep detector assembly away from main unit approximately 1.5m and align both of them Ensure 

that there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, pipes, 

cables etc. 

5. Keep the RF level and FS adjust to minimum and directional coupler switch to FWD. 

6. Keep detector level control in the center approximately. 

7. Increase RF level gradually and see that there is deflection in detector meter. 

8. Adjust RF level and detector level so that the deflection in detector meter is approximately 30­ 35 

µA. 

9. Align arrow mark on the disk with zero of goniometer scale.  

10. Start taking reading at the interval of 5 or 10 degrees and note the deflection on the deflection 

assembly. 

11. Convert the µA reading of detector assembly into dB's with the help of conversion chart. 

12. Plot the polar graph in degrees of rotation of antenna against level in the detector in dB's. 

13. Calculate the beam width. front to back ratio and the gain of the antenna with the help of this graph. 

FOR SWR MEASUREMENT:­ 

1. The SWR is the index of mismatch existing between the load and the feeding line. Adjust RF level 

and detector level for the optimum indication on detectors meter.   

2. Remove the transmitting antenna and fix BNC­T and BNC cable to stub line.

3. Mount the antenna over BNC­T.

4. Keep the stub at zero of the scale.

5. You will observe that the reading on the detector meter has already gone down with the connection 

of the stub. however you can increase RF output  level and detector level slightly to suit 

measurement.

6. Keep the coupler switch to REV Position. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 37: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)7. Start moving stub knob from right to left slowly and observe the reading on the meter on the main 

unit. 

8. You will observe that the meter has maxima and minima at some point. The maxima point indicates 

that the reverse power is maximum and line is mismatched.

9. Choose the first minimum point while going from right to left. this position indicates that the line is 

matched.  

10. Note this reading in µA, on main unit.

11. Turn the switch to FWD,which gives the reading of the forward power. 

12. SWR can be calculated as under. 

SWR= (FWD+REV)/ (FWD­REV).                      

CALCULATIONS:­ 

BEAMWIDTH:­ 

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA' mark­3dB from maximum on the bore sight 

line point B Draw an arc of radius AB. 

2. This arc will intersect main lobe at C and D. 

3. Measure the angle CAD. This angle is ­3 dB beam width. 

GAIN OF THE ANTENNA:­ 

1. G=(Maximum radiation intensity) /(Maximum radiation intensity form a reference antenna i.e. 

isotropic antenna with same power input).  

2. We presume here that maximum radiation intensity of isotropic antenna is 1 DB and is 100% 

efficient. under this assumption. 

3. G=AA'/1 dB.

STANDING WAVE RATIO:­

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 38: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)SWR= (FWD+REV)/ (FWD­REV). 

RESULT:­

PRECAUTIONS:­ 

1. Ensure the there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, 

pipes, cables etc.

2. Don't place your hand between transmitting antenna and receiving antenna.

3. Antenna should be property mounted on the transmitting mast. 

4. Conversion of  µA to dB µA should be correct. 

5. Distance between main unit and the detector unit should not exceed 1.5 meters.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 39: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

VIVA VOICE

Ques1: What is the  relation between directivity and length of the N­element

 broadside linear array  ?

Ans: D=2(L/ ).λ

Ques2: Define radiation resistance ?

Ans: Radiation resistance of an antenna is the equivalent resistance which would dissipate the same 

amount of power as the antenna radiates when the current in that resistance equal the input 

current at the antenna terminals.

Ques3: Which type of error in loop antenna.

Ans: There are two type of errors are seen in loop antenna 

1. Vertical effect error.

2. Polarization error.

Ques4: What do you mean by the Directivity of loop antenna. 

Ans: The directivity of an antenna is defined as the ratio of maximum radiation intensity to the 

average radiation intensity.

Ques5: What do you mean by sense antenna. 

Ans: A sense antenna is a small vertical antenna and radio wave induces voltage in it in phase where 

as voltage induced at the centre of the loop is 90 degree out of phase with electromagnetic field 

as seen.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 40: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

EXPERIMENT–6

AIM:­

To find the radiation pattern , beam width and standing wave ratio of a Yagi Uda 5 element antenna.

APPARATUS REQUIRED:­

Experimental set and Yagi uda 5 element antenna. 

  THEORY:­ 

Yagi – Uda antenna with folded or non folded dipoles are widely used antennas. Behind the dipoles they 

have a reflector and in front they have directors 1­3­5 etc.

The theoretical impedance of this antenna is 75 ohms.This is very important antenna for unidirectional 

transmission  and widely used in TV reception. A yagi Uda antenna has a folded dipole re­rounded by 

director and reflector. The number of directors can be 1,3,5,7,9 etc the polarization is horizontal.

PROCEDURE:­ 

1. Arrange the set up.

2. Mount Yagi uda 5 element folded dipole antenna on the transmitting mast.

3. Bring the detector assembly near to main unit and adjust the height of both transmitting and 

receiving antenna same. 

4.  Keep detector assembly away from main unit approximately 1.5m and align both of them Ensure 

that there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, pipes, 

cables etc. 

5. Keep the RF level and FS adjust to minimum and directional coupler switch to FWD. 

6. Keep detector level control in the centre approximately. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 41: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)7. Increase RF level gradually and see that there is deflection in detector meter. 

8. Adjust RF level and detector level so that the deflection in detector meter is approximately 30­ 35 

µA. 

9. Align arrow mark on the disk with zero of goniometer scale.  

10. Start taking reading at the interval of 5 or 10 degrees and note the deflection on the deflection 

assembly. 

11. Convert the µA reading of detector assembly into dB's with the help of conversion chart. 

12. Plot the polar graph in degrees of rotation of antenna against level in the detector in dBs. 

13. Calculate the beam width. front to back ratio and the gain of the antenna with the help of this graph. 

FOR SWR MEASUREMENT:­ 

1. The SWR is the index of mismatch existing between the load and the feeding line. Adjust RF level 

and detector level for the optimum indication on detectors meter.   

2. Remove the transmitting antenna and fix BNC­T and BNC cable to stub line.

3. Mount the antenna over BNC­T.

4. Keep the stub at zero of the scale.

5. You will observe that the reading on the detector meter has already gone down with the connection 

of the stub. however you can increase RF output  level and detector level slightly to suit 

measurement.

6. Keep the coupler switch to REV Position. 

7. Start moving stub knob from right to left slowly and observe the reading on the meter on the main 

unit. 

8. You will observe that the meter has maxima and minima at some point. The maxima point indicates 

that the reverse power is maximum and line is mismatched.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 42: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)9. Choose the first minimum point while going from right to left. this position indicates that the line is 

matched.  

10. Note this reading in µA, on main unit.

11. Turn the switch to FWD,which gives the reading of the forward power. 

12. SWR can be calculated as under 

SWR= (FWD+REV)/ (FWD­REV)           

CALCULATIONS: 

BEAMWIDTH:­ 

1. look for main lobe. 

2. Draw bore sight maximum line AA' mark­3dB from maximum on the bore sight line point B.

3. Draw an arc of radius AB. 

4. This arc will intersect main lobe at C and D. 

5. Measure the angle CAD. This angle is ­3 dB beam width. 

GAIN OF THE ANTENNA:­ 

1. G=(Maximum radiation intensity) /(Maximum radiation intensity form a reference antenna i.e. 

isotropic antenna with same power input).  

2. We presume here that maximum radiation intensity of isotropic antenna is 1 DB and is 100% 

efficient. under this assumption. 

3. G=AA'/1      dB 

STANDING WAVE RATIO:­

SWR= (FWD+REV)/ (FWD­REV)  

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 43: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)RESULT:­

PRECAUTIONS:­ 

1. Ensure the there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, 

pipes, cables etc.

2. Don't place your hand between transmitting antenna and receiving antenna.

3. Antenna should be property mounted on the transmitting mast. 

4. Conversion of  µA to dB µA should be correct. 

5. Distance between main unit and the detector unit should not exceed 1.5 meters.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 44: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

VIVA VOICE

Ques1: Explain yagi­uda antenna ?

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 45: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

Ans: A Yagi­Uda array, commonly known simply as a Yagi antenna, is a directional antenna 

consisting of a driven element (typically a dipole or  folded dipole) and additional parasitic 

elements (usually a so­called reflector  and one or more directors). The reflector element is 

slightly longer (  typically 5% longer) than the driven dipole, whereas the so­called directors  are 

a little bit shorter. This design achieves a very substantial increase in the  antenna's directionality 

and gain compared to a simple dipole.

Ques2: What is maximum usable frequency ?

Ans: Critical frequency is the maximum frequency of the radio wave which is returned through a 

ionized layer at vertical incidence.

Fmuf = fc seci.

Ques3: Define null beam width ?

Ans: This is the angular separation from which the magnitude of the radiation pattern decreases to 

zero (negative infinity dB) away from the main beam. 

Ques4: What is the range of frequency in VHF band ?

Ans: 30­300 MHZ.

Ques5: Define critical frequency ?

Ans: Critical frequency of an ionized layer of the ionosphere is the limiting frequency at or below 

which a radio wave is reflected by an ionospheric layer at vertical incidence. this frequency is 

different for different ionospheric layers.

EXPERIMENT–7 & 8

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 46: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)AIM:­ 

To find the radiation pattern , beam width and standing wave ratio of half wave length phase  Array End 

fire and broad side array antenna.  

APPARATUS REQUIRED :­

Experimental set and phase Array End fire and broad side array antenna. 

THEORY:­ 

PHASE ARRAY:­ 

The two­ element antenna has the appearance of two half wave dipoles connected the parallel. The spacing 

of the dipole is one half the wave length.This antenna is also called end fire antenna. The signal leaving 

dipole D1 will reach dipole D2 after ½ period since distance between D1 and D2 is  /2.

The signal going through the feed line to D2 will also reach dipole D2 after ½ period so that the two­wave 

contribution of D1 and D2 will add up in forward direction. With the similar reasoning we can show that 

the contribution of D1and D2 in the reverse direction also add up. This antenna is horizontally polarized. 

BROAD SIDE ARRAY:­

The simplest array consists of a number of dipoles of equal size equally spaced along a straight line (i.e. 

collinear), with all dipole fed in the same phase from the same source. Such an arrangement is called a 

broadside array. The broadside array is strongly directional at right angles to the plane of the array, while 

radiating very little in the plane.    

PROCEDURE:­ 

1. Arrange the set up.

2. Mount the  (End fire  or Broad Side array) antenna  on the transmitting mast. 

3. Bring the detector assembly near to main unit and adjust the height of both transmitting and 

receiving antenna same. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 47: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)4. Keep detector assembly away from main unit approximately 1.5m and align both of them Ensure 

that there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, pipes, 

cables etc. 

5. Keep the RF level and FS adjust to minimum and directional coupler switch to FWD. 

6. Keep detector level control in the centre approximately. 

7. Increase RF level gradually and see that there is deflection in detector meter. 

8. Adjust RF level and detector level so that the deflection in detector meter is approximately 30­ 35 

µA. 

9. Align arrow mark on the disk with zero of goniometric scale. 

10. Start taking reading at the interval of 5 or 10 degrees and note the deflection on the deflection 

assembly. 

11. Convert the µA reading of detector assembly into dBs with the help of conversion chart. 

12. Plot the polar graph in degrees of rotation of antenna against level in the detector in dBs. 

13. Calculate the beamwidth. front to back ratio and the gain of the antenna with the help of this graph. 

FOR SWR MEASUREMENT:­ 

1. The SWR is the index of mismatch existing between the load and the feeding line. Adjust RF level 

and detector level for the optimum indication on detectors meter.   

2. Remove the transmitting antenna and fix BNC­T and BNC cable to stub line.

3. Mount the antenna over BNC­T.

4. Keep the stub at zero of the scale.

5. You will observe that the reading on the detector meter has already gone down with the connection 

of the stub. however you can increase RF output  level and detector level slightly to suit 

measurement.

6. Keep the coupler switch to REV Position. 

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 48: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)7. Start moving stub knob from right to left slowly and observe the reading on the meter on the main 

unit. 

8. You will observe that the meter has maxima and minima at some point. The maxima point indicates 

that the reverse power is maximum and line is mismatched.

9. Choose the first minimum point while going from right to left. this position indicates that the line is 

matched.  

10. Note this reading in µA, on main unit.

11. Turn the switch to FWD,which gives the reading of the forward power. 

12. SWR can be calculated as under 

SWR= (FWD+REV)/ (FWD­REV).           

CALCULATIONS:­ 

BEAMWIDTH:­ 

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA' mark­3dB from maximum on the bore sight 

line point B Draw an arc of radius AB 

2. This arc will intersect main lobe at C and D. 

3. Measure the angle CAD. This angle is ­3 dB beamwidth. 

GAIN OF THE ANTENNA:­  

1. G=(Maximum radiation intensity) /(Maximum radiation intensity form a reference antenna i.e. 

isotropic antenna with same power input)  

2. We presume here that maximum radiation intensity of isotropic antenna is 1 DB and is 100% 

efficient. under this assumption. 

3. G=AA'/1 dB. 

STANDING WAVE RATIO:­

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 49: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)SWR= (FWD+REV)/ (FWD­REV). 

RESULT:­

PRECAUTIONS:­ 

1. Ensure the there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, 

pipes, cables etc.

2. Don't place your hand between transmitting antenna and receiving antenna.

3. Antenna should be property mounted on the transmitting mast. 

4. Conversion of  µA to dB µA should be correct. 

5. Distance between main unit and the detector unit should not exceed 1.5 meters.

BROAD SIDE ARRAY

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 50: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

PHASE ARRAY

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 51: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

VIVA VOICE

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 52: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

Ques1: What is the  relation between directivity and length of the N­element broadside linear array ? 

Ans: D=2(L/ ).λ

Ques2: Define pattern multiplication ?

Ans: The field pattern of an array of non isotropic but similar sources is the product of the  individual 

sources pattern and the pattern of an array of isotropic point  sources each located at the phase 

centre of the individual source and having  the same relative amplitude and phase, while the 

total phase pattern is the sum of the phase pattern,of the individual source and the array of 

isotropic point sources.

Ques3: What is binomial array ?

Ans: In binomial array amplitudes of the radiating sources are arranged according  to the coefficient 

of successive terms of the following binomial series.

Ques4: What is the height for D layer in ionospheric layers ?

Ans: 50­90 km above the earth surface.

Ques5: What is FNBW for broad side array ?

Ans: (2  ) / (Nd) where d=  spacing between the elements.λ

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 53: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

EXPERIMENT­9

AIM:­ 

To find the radiation pattern, beam width and polarization of Rhombus antenna.

APPARATUS REQUIRED:­ 

Experimental set and Rhombus antenna.

THEORY:­ 

Rhombus antenna is also a loop antenna and made in the Rhombus from. It is a non­resonant antenna 

capable of operating over very wide range because the characteristics do not change with frequency. This 

is used mostly for point to point working. The impedance varies form 650 to 700 ohms. 

PROCEDURE:­ 

1. Arrange the set up.

2. Mount the antenna on the transmitting mast.

3. Bring the detector assembly near to main unit and adjust the height of both transmitting and 

receiving antenna same. 

4. Keep detector assembly away from main unit approximately 1.5m and align both of them Ensure 

that there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such as steel structure, pipes, 

cables etc. 

5. Keep the RF level and FS adjust to minimum and directional coupler switch to FWD. 

6. Keep detector level control in the centre approximately. 

7. Increase RF level gradually and see that there is deflection in detector meter. 

8. Adjust RF level and detector level so that the deflection in detector meter is approximately 30­ 35 

µA. 

9. Align arrow mark on the disk with zero of goniometer scale.  

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 54: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)10. Start taking reading at the interval of 5 or 10 degrees and note the deflection on the deflection 

assembly. 

11. Convert the µA reading of detector assembly into dBs with the help of conversion chart. 

12. Plot the polar graph in degrees of rotation of antenna against level in the detector in dB s. 

13. Calculate the beam width. front to back ratio and the gain of the antenna with the help of this graph. 

14. For polarization test, turn the detector box at 90 degree by fixing the screw at the back of detector 

box Note the readings again. Rotate the transmitting antenna from 0 to 360 degree gradually and 

take the readings.

CALCULATIONS:­

BEAMWIDTH:­ 

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA' mark­3dB from maximum on the bore sight 

line point B Draw an arc of radius AB.

2. This arc will intersect main lobe at C and D. 

3. Measure the angle CAD. This angle is ­3dB beam width. 

FRONT TO BACK RATIO:­

1. look for main lobe Draw bore sight maximum line AA'.

2. look for main lobe.

3. Front to back ratio=AA'/1 dB. 

4. If there is lobe, then measure it (AE), where E is the maximum of back lobe.

5. Then, front to back ratio= AA'/AE dB. 

GAIN OF THE ANTENNA:­  

1. G=(Maximum radiation intensity) /(Maximum radiation intensity form a reference antenna i.e. 

isotropic antenna with same power input).  

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 55: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)2. We presume here that maximum radiation intensity of isotropic antenna is 1 DB and is 100% 

efficient. under this assumption. 

3. G=AA'/1 dB. 

RESULT:­

PRECAUTIONS:­ 

1. Ensure the there are no reflector sort things in the vicinity of the experiment such  as steel structure, 

pipes, cables etc.

2. Don't place your hand between transmitting antenna and receiving antenna.

3. Antenna should be property mounted on the transmitting mast. 

4. Conversion of  µA to dB µA should be correct. 

5. Distance between main unit and the detector unit should  not exceed 1.5 meters.

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 56: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)RHOMBUS ANTENNA

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 57: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

VIVA VOICE

Ques1: Are rhombus antennas ever used for TV reception ?

Ans: You probably could, but they would be huge. The TV band runs from 50 MHz to 700 MHz. 

Even if you restrict it to VHF­High plus UHF, it would go as low as 175 MHz. UHF starts at 

470 MHz. If you want to experiment with TV DX'ing fine, but it's not a real practical antenna 

for a wide range of frequencies. It might work for UHF only.

Ques2: Why it is called  rhombus antennas.

Ans:  It is named after its "rhombic" diamond shape, with each side typically at least one wavelength 

(λ) or longer in length. Each vertex is supported by a pole, typically at least one wavelength 

high.

Ques3: when rhombic antenna required large area ?

Ans: A rhombic requires a large area of land especially if several antennas are installed to serve a 

variety of geographic regions at different distances or directions or to cover widely different 

frequencies.

Ques4: What is radiation efficiency of rhombic antenna in percentage ?

Ans: Typical radiation efficiency is in the order of 40­50%.

Ques5: How to improve the efficiency ?

Ans: It is possible to improve efficiency by recirculation of power wasted in the termination 

resistance of unidirectional rhombics. Use of a recirculating termination system can move 

efficiency into the 70­80% range by combining power that would have been wasted in the 

termination with the transmitter power. Such systems bring a low­loss balanced line back from 

the termination end to the feed point through a matching and phasing system. Energy that would 

otherwise dissipated in the termination resistance is applied in­phase with the excitation.

                        

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40

Page 58: LAB MANUAL EC-604 A&WP

ANTENNA AND WAVE PROPAGATION

(EC-604)

µ  A to Db    µ  A conversion chart   

Db µA µA Db µA µA Db µA µA

0  1.00 19 8.91 38 79.4

1 1.12 20 10.0 39 89.1

2 1.26 21 11.2 40 100

3 1.41 22 12.6 41 112

4 1.58 23 14.1 42 126

5 1.78 24 15.8 43 141

6 2.00 25 17.8 44 158

7 2.24 26 20.0 45 178

8 2.51 27 22.4 46 200

9 2.82 28 25.1 47 224

10 3.16 29 28.2 48 251

11 3.35 30 21.6 49 282

12 3.98 31 35.5 50 316

13 4.47 32 39.8

14 5.01 33 44.7

15 5.62 34 50.1

16 6.31 35 56.2

17 7.08 36 63.1

18 7.94 37 70.8

LAB MANUAL AND WORKBOOK 40


Recommended