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Zweiband-Vertikalstrahler 80/40 m mit Dachkapazität und Verlängerungsspule

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Einleitung

Ein einfach zu realisierendes Konzept ohne Sperrkreise. Überall dort interessant, wo ein Horizontalstrahler für die unteren Bänder nicht möglich ist. In kürzester Zeit auf und abzubauen, eine wichtige Eigenschaft bei Verwendung als Balkonantenne bei nicht vorhandener Antennengenehmigung. Gerade zur Zeit aktuell, wo sich die Aktivität wegen der schlechten Ausbreitungsbedingungen auf die unteren Bänder verlagert hat.

Eine in jedem Fall bessere Lösung gegenüber den bei diesen Antennenverhältnissen oft gebrauchten GPA-Lösungen für 80 und 40m. Mit ca. 8 m freier Länge liegt der Strahler auf 40 m bereits nahe der λ/4-Resonanz, die restliche Länge wird durch eine Dachkapazitat dargestellt. Durch diese Maßnahme ist die Antenne durch den erhöhten Strahlungswiderstand vollkommen gleichwertig einem λ/4-Strahler voller Länge. Die elektrische Verlängerung zur λ/4-Resonanz auf 80 m wird durch eine Fußpunkt-Verlängerungsspule erreicht (Abb. 1). Zum Bandwechsel von 40 auf 80m wird diese Spule zusätzlich in den Strahler eingefügt. Deshalb sollte der Fußpunkt der Antenne schon leicht zugänglich sein.

Abb. 1: Vertikalstrahler mit FufipunktVerlängerungsspule und Dachkapazität.

Der Fiberglas-Teleskopmast und seine Halterung

Als Träger für den Strahler aus Antennenlitze findet der 8 m lange Fiberglasteleskopmast von Walter Spieth, DK9SQ, Anwendung. Zusätzlich ist eine Fibergiasrohr-Verlängerungshülse (1,15 m lang) erforderlich, denn das obere Element ist zu dünn, um noch eine größere Dachkapazität stabil zu tragen. Das obere Element kann dafür herausgenommen werden. Ein Durchziehen des Strahlers durch das Innere der Fiberglasrute hat sich als unzweckmäßig erwiesen. Zur schnellen und möglichst einfachen Handhabung durch nur eine Person und aus Gründen der besseren mechanischen Stabilität ist es wesentlich günstiger, die Antennenlitze in ein paar großen Wendeln spiralförmig außen herum zu legen. (Die Wendelung hat hier keinerlei elektrische Bedeutung wie etwa bel einer Wendelantenne!)

Abb. 2 zeigt eine einfache, aber äußerst praktische Konstruktion einer Masthalterung. Der ausgezogene Teleskopmast wird einfach in ein Einspannschutzrohr gesteckt - keine weitere mechanische Befestigungsarbeit.

Abb. 2: Konstruktion der Masthalterung.

Hierzu eignet sich vorzüglich ein ca. 40 cm Ende dickwandiges Druckrohr aus dem Installationshandwerk, mit 55 mm Innendurchmesser bei 3 mm Wandstärke. Das Rohr wird mit Schellen z. B. am Balkongeländer (siehe Abb. 2) befestigt. Wie der Begriff "Einspannschutzrohr" schon sagt, wird so der Druck der Befestigungsschellen vom Fiberglasrohr ferngehalten.

Zum Lieferumfang der Verlängerungshülse gehört ein schwarzer Gummistopfen am unteren Ende. Ein zweiter Gummistopfen, dessen Boden herausgeschnitten wurde, wird umgekehrt herum von der oberen verjüngten Stelle des Rohres her aufgeschoben. Dann kann der eigentliche Teleskopmast auf das Verlängerungsstück aufgesteckt werden.

Falls der Mast mal in sich zusammenfallen sollte, ist es ratsam, einen Putzlappen o. dergl. in das untere Rohr zu stopfen. Das Ganze paßtjetzt stramm in das Einspannrohr. In Abb. 2 ist deutlich die obere Gummitülle zu sehen. In dem Kunststoffgehäuse ist das durch eine Stopfbuchse eingeführte Koaxkabel wasserdicht abgesetzt. Der Anschluß von Strahler und Erdung erfolgte hier zu Experimentierzwecken über Telephonbuchsen und Bananenstecker.

Die Dachkapazität

Die Dachkapazität wird nach Abb. 3 aus 3 mm massivem Messing-Rundprofil angefertigt. Die drei Speichen werden gleichmäßig über den Vollkreis verteilt, stumpf von außen am Ende eines etwa 1,5 cm langen Kupferrohres mit 8 mm Innendurchmesser hartgelötet. Das untere Ende des Kupferrohres sollte man zuvor mit einem Dorn etwas aufweiten, damit es sich nachher besser auf das oberste Fiberglaselement aufschieben läßt.

Abb. 3: Dachkapazität mit drei Speichen.

Die Strahlerlitze wird entweder mit einer kleinen Schlauchschelle auf dem Rohr festgeklemmt oder direkt weichgelötet, dann muß die Lötstelle aber mit einem Schutzlack einwandfrei gegen Witterungseinflüsse abgedichtet werden. Die aufsteckbare Dachkapazität befindet sich etwa 40 cm von der Spitze des obersten Elements entfernt.

Die genaue Berechnung der Dachkapazität wurde bereits ausführlich in (1) und (2) theoretisch abgehandelt.

Manch einem Praktiker wird die Berechnung etwas zu kompliziert erscheinen, vor allem, wenn er mit der Mathematik etwas auf Kriegsfuß steht. Aber die Bemessung von Dachkapazitäten ist nicht so kritisch, daß eine Berechnung auf den Zentimeter genau notwendig Ist. Bereits dio Faustformel: fehlende Strahlerlänge zu λ/4, dividiert durch die Anzahl der Speichen (hier durch 3), ergibt ungefähre Richtwerte für den Durchmesser der Dachkapazität.

Außerdem lassen sich unter Zuhilfennahme der im Rothammel-Antennenbuch enthaltenen Nomogramme zu dieser Thematik die Abmessungen von Dachkapazitäten ausreichend genau ohne größere Rechenoperationen ermitteln.(3)

Hier die Reihenfolge der einzelnen Schritte mit Seitenangabe aus der 8. Auflage:

1. Schlankheitsgrad S = L/d hier 8 m : 0,002 m = 4000
2. Mit dem Wert S = 4000 geht man in die Abb. 19.9 auf S. 322 und erhält einen Wellenwiderstand Z_a = 500 Ohm.
3. Aus Abb. 5.30 auf S. 101 wird das Verhältnis X_c/Z_a abgelesen, das den hier zur λ/4 Resonanz fehlenden 23° entspricht. Die in Grad ausgedrückte fehlende Länge zu λ/4 erhält man, indem man λ/4 durch 90 dividiert und dann die tatsächlich vorhandene Strahlerlänge mit dem zuvor erhaltenen Wert (Länge/1°) dividiert.
4. Der kapazitive Widerstand X_c der Dachkapazität ergibt sich jetzt aus dor Multiplikation des Wellenwiderstandes Z_a mit dem unter 3. ermittelten Wert X_c/Z_a = 2,5 : 500 Ohm x 2,5 = 1250 Ohm
5. Aus Abb. 6.21 auf S. 119 kann die Kapazität ermittelt werden, die dem kapazitiven Widerstand X_c = 1250 Ohm für 7 MHz entspricht. Durch den großen Wert S = 4000, da hier als Strahler Antennenlitze verwendet wird, liegt der Wert von X_c mit 1250 Ohm bereits oben außerhalb der Abb.; hier kann man noch gerade den Kapazitätswert ermitteln, wenn man die X_c Werte über 1000 Ohm links oben auf der Ordinate etwas weiterzeichnet. So läßt sich ein Wert von 20 pF ablesen.
6. Mit diesen 20 pF geht man in Abb. 19.32 auf S. 339. Mit dem Graph für "Kreisscheibe" kann man bei 20 PF unten auf der Abszisse einen Durchmesser D = 55 cm ablesen.
7. Wie aus Abb. 19.31 auf S. 338 ersichtlich, entspricht D der Entfernung zwischen den Spitzen von einer Speiche zur jeweils übernächsten.

Die Länge einer Speiche ist gleich D × 1,15, also hier 55 × 1,15 = 63 cm. Soweit die theoretische Ermittlung der Bemessungsangaben. In der Praxis zeigte sich 60 cm als brauchbar.

Ein weiterer Versuch mit 7 m freier Strahler-länge erforderte bereits eine Dachkapazität von gut 1 m Durchmesser. Eine kleinere Dachkapazität von ca. 25 cm kann man bei größerer Strahlerlänge von etwa 9,5 m natürlich genauso verwirklichen. Zusätzlich kann man die Speichenenden mit einem umlaufenden Draht verbinden.

Die Fußpunkt-Verlängerungsspule

Die zur 80-m-Resonanz erforderliche Induktivität läßt sich experimentiell mit einer 50µH-Rollspule ermitteln, indem mit einem direkt am Fußpunkt eingeschleiften SWR-Meter das SWR-Minimum gesucht wird. In diesem Aufbaubeispiel waren etwa 40 µH erforderlich. Am besten wird auch die Spule, Windung an Windung, direkt aus Antennenlitze gewickelt, dann ist kein zusätzlicher Schutz der Bewicklung notwendig. Ein 20 cm langes Kunststoffrohr, mit 36 mm Durchmesser mit 48½ Windungen bewickelt, an einem Ende mit einer Telephonbuchse, am anderen Anschluß mit einem Stecker versehen, brachte die gewünschte Resonanz im CW-Bereich. Hier kann je nach vorhandenem Material mit anderen Durchmessern und Windungszahlen experimentiert werden.(4)

Betriebserfahrungen und Schlußbetrachtung

Die Erdung am 6 m langen Terrassengeländer und die zusätzlich hinzugezogene Dachrinne von 16 m Länge sowie ein einziges Radial für 40 m, rundherum über den Terrassenboden verspannt, brachte auf beiden Bändern eine zufriedenstellende Anpassung unterhalb von 1,5 über einen Frequenzbereich nach Abb. 4.

Abb. 4: Stehwellenverhältnis des Vertikalstrahlers.

Natürlich kann man hier keineswegs von vorbildlichen Erdungsverhältnissen sprechen. Die trotzdem gute Anpassung kommt hier wie bei allen GP-Antennen mit unzureichenden Erdungsverhältnissen (in der Praxis meistens der Fall!) durch die unvermeidlichen Erdverluste zustande, die sich zusammen mit dem eigentlichen Fußpunktwiderstand auf ca. 50 Ohm addieren. Bei schätzungsweise 30 Ohm Fußpunktwiderstand und ca. 20 Ohm Verlustwiderstand käme ein Wirkungsgrad von etwas über 50 % zustande. Dies ist aber kein Grund zur Besorgnis, denn viel mehr wird in der durchschnittlichen Amateurpraxis auch mit allen anderen GP-Antennen nicht erreicht.

Die Resultate im QSO-Betrieb auf 40 m (CT3 abends mit 599 bei 10 W HF) zeigten, daß hier doch ein gewisser Anteil von Flachstrahlung mit zur Wirkung kommt.

Auf 80 m kann man bei der Strahlerverkürzung und den unzulänglichen Erdverhältnissen, auch wenn es sich um einen Vertikalstrahler handelt, nur noch mit einer mehr oder minder starken Steilstrahlung rechnen. Vorbildliche Erdverhältnisse würden auch auf 80 m die Vorteile eines Vertikalstrahlers zur Wirkung kommen lassen.(5)

Erwähnenswert ist noch die gegenüber anderen "Nur-Spulen-Lösungen" wesentlich größere Bandbreite der Antenne. Auf 40 m ohnehin, aber auch auf 80 m ist die Dachkapazität noch an der Verlängerung mit beteiligt und bewirkt immerhin noch einen für Transistorendstufen nutzbaren Bereich von 100 kHz.

Abb. 5 zeigt die unauffällige Montage der Antenne am Geländer einer Dachterrasse. In der von der Straße aufgenommenen Photographie ist die Dachkapazität kaum noch zu erkennen.

Abb. 5: Montage der Antenne.

Für 40m eine durchaus vollwertige Antenne, auf 80 m mit Einschränkung je nach örtlichen Gegebenheiten, ein Vorschlag zur Lösung eines oft beklagten Antennenproblems.

Literaturhinweise

1. G. Janzen: Eigenschaften verkürzterAntennen, cq-DL 9/85, S. 500;
2. G. Janzen: Umrüstung eines 80-m-Dipols auf das 160-m-Band, cq-DL 10/85, S. 567.
3. Rothammel: Antennenbuch, Kap. 19.4.1.10., S. 338: Die kapazitiv belastete Groundplane.
4. Rothammel: Antennenbuch, Kap. 19.4.1.9., S. 337: Die verkürzte Groundplane.
5. Rothammel: Antennenbuch, Kap. 19.2., S. 320: Die Kenngrößen von Viertelwellenstrahlern; und Kap. 19.3., S. 322: Die Strahlungseigenschaften von Vertikalstrahlern.

DF2BC, Alfred Klüß.