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Die Rahmenantenne - eine Behelfsantenne zum Selbstbau

Viele Funkamateure können aufgrund eingeschränkter Antennenmöglichkeiten auf den Kurzwellenbändern nicht aktiv werden und suchen deshalb nach Antennenformen, die bei geringstem Platzbedarf noch einen akzeptablen Funkbetrieb ermöglichen. Meistens sind beengte Wohnverhältnisse in einem Miethaus und die verweigerung einer Antennengenehmigung seitens des Vermieters oder einer Eigentümergemeinschaft die Gründe dafür, daß keine vollwertige Kurzwellenantenne auf dem Dach installiert werden darf. Hier beginnt nun der Funkamateur -aktiv zu werden und mit Behelfsantennen und "Miniantennen" zu experimentieren, die eine Reihe von Anforderungen zu erfüllen haben, wie z. B.:

Allein diese unvollständige Auflistung zeigt bereits, vor welche Probleme der akie Funkamateur gestellt ist.

Der Verfasser dieses Artikels hat sich wegen eigener unzureichender Anten nenmöglichkeiten mit dem Bau und der Erprobung verschiedener Antennenformen auseinandergesetzt. Hierbei hat sich die magnetische Rahmenantenne als eine optimale Lösung herauskristallisiert, da alle erprobten elektromagnetischen Antennen an der ersten Forderung gescheitert sind und unzulässige Rundfunk- und Fernsehbeeinflussungen verursacht haben.

1. Allgemeines zu magnetischen Antennen

Die Rahmenantenne ist eine flache Spule mit sehr kleinen Abmessungen ge-gegenüber der Betriebswellenlkänge (U<<λ) Sie stellt einen Schwingkreis hoher Güte dar, wobei die Rahmenschleife die Induktivität bildet und die Kapazität ein parallelgeschalteter Abstimmkondensator. Der Strahlungswiderstand liegt unter 1 Ω.

Rahmenantennen können von vielgestaltiger Form sein. Es sind beispielsweise kreisförmige, quadratische, elliptische, dreieckige Formen bekannt, wobei die Form eine untergeordnete Rolle spielt. Das Fernfeldverhalten ist in allen Fällen gleich, solange die geometrischen Flächen gleich groß sind.

Im Folgenden sollen einige Erfahrungen und z. T. unkonventionelle Lösungsmöglichkeiten für den Selbstbau einer magnetischen Rahmenantenne gegeben werden, die für jeweils zwei Amateurfunkbänder geeignet ist (Abb. 3). Der Eigenbau lohnt sich, da kommerziell gefertigte Rahmenantennen sehr teuer sind und die selbstgefertigten Antennen bei sorgfältigem Aufbau durchaus vergleichbare elektrische Eigenschaften aufweisen können!

Abb 3
Abb. 3: Montagezeichnung der Grundplatte.

Auf die Theorie dieser Antenne soll in diesem Bericht nicht vertiefend eingegangen werden, da hierzu bereits hinreichend darüber veröffentlicht wurde.(1)

2. Arbeitsbereiche

Mehrere Gründe beeinflußten die Wahl der Frequenzbereiche.

2.1. Der Wirkungsgrad

Bei 3,5 MHz ist selbst bei einer optimal konstruierten Rahmenantenne nur noch ein Wirkungsgrad von etwa 5 % an abgestrahlter HF-Leistung zu erwarten.(2) Daher scheidet ein Strahler für das 80-m-Band aus. Bei 7 MHz können jedoch bereits mehr als 50 % und bei 21 MHz sogar über 90 % Abstrahlungsleistung erreicht werden. Deshalb wurden zwei Rahmenvarianten erprobt, eine 10/15-m- sowie eine 20/40-m-Ausführung.

2.2. Die Rahmenabmessungen

Der Umfang des Rahmens sollte nicht größer als λ/4 und nicht kleiner als λ/10 der jeweils höheren Arbeitsfrequenz sein.

Abb. 4 zeigt eine graphische Darstellung, aus welcher die Rahmenkantenlängen für verschiedene Bandkombinationen abgelesen werden können. Beispielsweise ist ein Rahmen mit der Kantenlänge I = 60 cm für die Kombinationen 10/13, 10/15, 10/20, 13/15, 13/20 oder 15/20 m geeignet, wobei gilt, je höher der Wert x im Schnittpunkt der Linie für das entsprechende Band liegt, desto höher wird auch der Wirkungsgrad der Antenne sein.

Abb 4
Abb. 4: Kantenlängen quadratischer Rahmenantennen (x = Umfang bezogen auf λ (> x = > n)).

3. Konstruktiver Aufbau

3.1. Allgemeine Hinweise

Zum besseren Verständnis der im Folgenden beschriebenen Maßnahmen hier noch einige Hinweise:

Angenommen, Strahlungswiderstand (RS) und Verlustwiderstand (RV) sind gleich groß (siehe Abb. 5), dann wird eine Hälfte der zugeführten HF-Energie abgestrahlt und die andere Hälfte in unerwünschte Wärme umgesetzt. Der Wirkungsgrad beträgt dann nur noch 50 % Das bedeutet nichts anderes, als daß die Rahmenantenne extrem verlustarm aufgebaut werden muß, um noch einen befriedigenden Wirkungsgrad zu erreichen.

Abb 5
Abb. 5: Ersatzschaltbild der Rahmenantenne (RS = Strahlungswlderstand, RV = Verlustwiderstand).

Hier sind besondere Anforderungen an alle elektrischen Übergänge und Verbindungsleitungen zu stellen. Der Querschnitt kann nicht groß genug sein!

Die vorgeschlagene Antenne von 90 cm Kantenlänge hat einen theoretischen Strahlungswiderstand von 825 mΩ bei 21 MHz und nur noch mΩ bei 7 MHz. Aus dem Diagramm (Abb. 6) "Strahlungswiderstand RS in Abhängigkeit von der Frequenz" ist dieser Zusammenhang graphisch dargestellt.

Abb 6
Abb. 6: Strahlungswiderstand Rs in Abh6ngigkelt von der Frequenz.

Mit der Näherungsformel

Rs = 1/λ4 × U4 × 197 × n2 × 1000 (mΩ)

U = Umfang des Rahmens (m),
n = Anzahl der Rahmenwindungen (hier = 1),
a = Wellenlänge der entsprechenden Frequenz (m)

lassen sich beliebige Strahlungswiderstände für beliebige Rahmengrößen und Betriebsfrequenzen leicht berechnen.

3.2. Die geometrische Form

Optimal wäre eine runde Antennenausführung, da sie die größte Fläche bei geringstmöglichem Umfang bietet. Hier aber gibt es bei der Eigenanfertigung Probleme. Das Rohrmaterial läßt sich nicht so ohne weiteres knickfrei und in eine optisch ansprechende runde Form biegen. Daher eignet sich für den Selbstbau die quadratische Ausführung besser. Die Leistungsfähigkeit wird dadurch nicht beeinflußt.

Bei dieser Ausführung mit geraden Schenkeln kann nun auch eine für Rahmenantennen neuartige Abstimmung ohne Drehkondensator realisiert werden.

3.3. Das Material

Um Sendeleistungen von über 100 W und je nach Ausführung sogar bis über 700 W umsetzen zu können, sollte der Umfang (am Querschnitt) des verwendeten Rohrmateriales möglichst groß sein, d. h. der Außendurchmesser größer als 20 mm. Zusätzlich wird eine gute elektrische Leitfähigkeit des Materiales gewünscht, um die Skinverluste gering zu halten.

Bisherige Konstruktionsvorschläge für den Eigenbau basierten fast immer auf Verwendung von Installations-Kupferrohr mit 22 mm Durchmesser. Quadratische Rahmen wurden durch Verlöten von handelsüblichen Cu-Eckstücken hergestellt. Meist wurden vier Stück davon verwendet.

Vorteile:

Nachteile:

Die Lötstellen aber bilden Übergangswiderstände (HF-Stoßstellen), die den Verlustanteil der Antenne erhöhen und deshalb vermieden werden müssen.

Deshalb wird hier gezogenes Aluminiumrohr 30 o x 1 der Qualität F28 AlMgSi als Rahmenmaterial vorgeschlagen.(3)

Der Leiterumfang ist um etwa 35 % größer als beim beschriebenen Cu-Rohr, und das Gewicht ist erheblich geringer. Anstelle der Eckverbinder werden hier die Al-Rohre direkt hart verlötet. Bedingt durch die Gehrungsschnitte, ergibt sich an den zu verbindenden Rohrecken eine (sehr erwünschte) Vergrößerung des Leiterumfanges um etwa 36 %. Durch diesen Effekt und die Reduzierung der Lötstellen auf nur drei wird auch der Übergangswiderstand entsprechend herabgesetzt.

Vorteile:

Nachteile:

Die Grundplatte (Trägerplatte) sollte aus einem Material mit guten dielektrischen Eigenschaften bestehen. Bewährt haben sich Polyäthylen, PE oder Teflon von 15 mm Dicke.(4)

3.4. Die Lötverbindung

Unter Verwendung eines Spezial-Aluminium-Hartlotes(5) mit integriertem Flußmittel lassen sich mit Hilfe einer einfachen Butan-Flamme(6) elektrisch und mechanisch einwandfreie Lötverbindungen ohne Schutzgas herstellen (Abb. 7). Dabei sind keine großen Anforderungen an die handwerklichen Fähigkeiten des Amateurs zu stellen, so daß jeder mit etwas Geschick in der Lage sein sollte, diese Bearbeitung erfolgreich nachzuvollziehen. Nur bei der Wärmezufuhr muß etwas vorsichtiger dosiert werden, als von den Messing-Hartlötungen her gewöhnt, da der eutektische Bereich zwischen "fest" und "flüssig" beim Aluminium sehr viel kleiner ist.

Abb 7
Abb. 7: Rahmen hartlöten.

Hinweis:

Lt. Herstellerangaben lassen sich auch Hartlötungen verschiedener Materialien mit diesem Speziallot realisieren, z. B. Aluminium mit Kupfer oder Aluminium mit Stahl, wenn das Kupfer bzw. der Stahl vorher an der Lötverbindungsstelle gut verzinnt wurde.

Abb 10
Abb. 10: Herausgenommenes Abstimmelement mit montiertem Getriebemotor und Gewindestange. Deutlich erkennbar sind die Isolierdistanzstücke, gefertigt aus der Isolation des RG-213/U-Koaxialkabels.

4. Elektrischer Aufbau

4.1. Die Einspeisung

Es sind verschiedene Formen für die Anpassung der Speiseleitung an das Antennensystem bekannt, wie z. B. Kondensator-Netzwerk, Gamma-Einspeisung oder Transformatorankopplung.

Eine sehr einfache und wirksame Ein-/ Auskopplung der HF-Energie kann nach dem Transformatorprinzip realisiert werden. Die Primärwindung bildet hierbei eine kleine Koppelschleife, welche nur etwa ein Viertel des Antennenrahmenumfanges besitzt. (Je höher die Güte der Antenne ist, desto kleiner kann der Umfang der Koppelschleife werden!) Diese Schleife kann leicht aus Koaxialkabel RG-213/U hergestellt werden. Abb. 11 zeigt die vom Verfasser verwendete Variante.

Abb 11
Abb. 11: Aufnahme der Trägerplatte. im Rohr nach oben ist der Parallelfestkondensator, links der Abstimmkondensator zu sehen. Die beiden Endtaster begrenzen den Hub des Abstimmelementes (siehe auch Abb. 15). Alle Verbindungen mussen niederohmig ausgeführt werden (dicke Lautsprecherlitze). Des Kabel verlauft z. T. hinter der Trägerplatte.

4.2. Der Schwingkreiskondensator

Besondere Probleme bereitet die Beschaffung eines geeigneten Schwingkreiskondensators mit genügend hoher Spannungsfestigkeit. Luftdrehkondensatoren sollten daher mindestens 3 mm Plattenabstand haben für Sendeleistungen um 100 W.

Kommerziell gefertigte Drehkondensatoren sind teuer, fast unerschwinglich werden Vakuumdrehkondensatoren. Letztere reduzieren nochmals den Verlustwiderstand des Systems und ermöglichen eine sehr hohe Schwingkreisgüte Q.

Eine elektrisch fast gleichwertige Alternativlosung konnte mit der in Abb. 9 dargestellten Prinzipanordnung realisiert werden. Experimentiert wurde auch mit einem Linearkondensator unter Verwendung von Aluminiumoxid-Isolatoren, der sich in seinen Eigenschaften schon recht gut dem Vakuumkondensator nähert. Dieser Kondensator soll jedoch erst in einer Später folgenden Abhandlung näher beschrieben werden.

Aus dem Diagramm Abb. 8 kann die Kapazität auch für die neuen Amateurfunkfrequenzen 10,1 und 18,1 MHz abgelesen werden. Die dar3estellte Kurve gilt jedoch nur für die 90cm-Version der hier beschriebenen Antenne mit einem L von 2,43 µH.

Abb 8
Abb. 8: Schwingkrelskapazität In Abhlngigkelt von der Frequenz.

Als allgemeine Näherungsformel für die Jerechnung der Kapazität kann angesetzt werden:

C = 25300 / (f2 × L) (pF)

C = Schwingkreiskapazität (pF),
f = Arbeitsfrequenz (MHz),
L = Rahmeninduktivitat (µH)

Für Funkamateure, die auf eine lückenlose Durchstimmbarkeit nicht verzichten vollen und sich nicht in der Lage sehen, den Abstimmkondensator selbst anzufertigen, ist unter (7) eine Bezugsquelle für fernbedienbare Kondensatoren angegeben.

Für Amateure, die auch hier etwas selbst machen wollen, gibt es eine einfache und extrem preiswerte Lösung, wenn auf die lückenlose Durchstimmbarkeit verzichtet wird und man sich nur auf zwei Amateurfunkbänder pro Rahmen beschränkt.

Abb 9
Abb. 9: Das Prinzip des Abstimmkondensators. Zwischen den Rohren A und B bildet sich eine Kapazit6t, welche an den Punkten X X gemessen werden kann. Änderungen der Elndringtiefe bewirken eine Kapazitätsänderung.

Wie in Abb. 9 dargestellt ist, bilden zwei Rohre unterschiedlichen Durchmessers (A und B) einen Kondensator zwischen den Anschlußpunkten x-x. Wird nun das bewegliche Rohr B in dem festen Rohr A verschoben, dann ändert sich zwangsläufig auch die Kapazität zwischen den Punkten x-x. Damit ist der Abstimmkondensator fertig. Eine solche Anordnung ist in idealer Weise für eine frequenzgenaue Abstimmung geeignet.

Vorteile:

Nachteile:

Da beim Verfasser keine zusätzlichen Kabel mehr für die Steuerung des Getriebemotors verlegt werden konnten und die Entfernung zur Antenne etwa 12 m beträgt, wurde kurzerhand eine "drahtlose" Zwei-Kanal-Funkfernsteuerung für diesen Zweck eingesetzt. Wird Kabel zur Fernabstimmung verwendet, dann sollte es möglichst verdrillt werden!

Die Abstimmung der Antenne wurde entgegen der allgemein üblichen Regel nicht oben im Rahmen, sondern zusammen mit der HF-Einspeisung im geometrischen Fußpunkt der Rahmenantenne angeordnet (Abb. 1 und 2).

Abb 1
Abb.1: Zwei Rahmenantennen (60 und 90 cm Kentenlänge) bewähren sich im Portabelbetrieb im Auswärts-QTH des Verfassers. Die Rahmen können liegend oder auf der Spitze stehend aufgestellt werden.

Abb 2
Abb. 2: Die magnetische Rahmenantenne am Blumenkasten (QTH des Verfassers).

Parallel dazu kann nun für den zweiten Frequenzbereich ein Festkondensator da-zugeschaltet werden, welcher im anderen Schenkel des Rahmens fest installiert ist.

5. Betriebserfahrungen

5.1. Die Antennencharakteristik

Die beschriebene Rahmenantenne eignet sich aufgrund ihrer kompakten Abmessungen für stationären und portablen Betrieb, da sie noch in einem PKW transportiert werden kann.

Die der Antenne zugeführte Energie wird über alle Erhebungswinkel der Rahmenebene abgestrahlt. Durch diese bekannte spezifische Strahlungscharakteristik (Abb. 12) und die darin enthaltenen Steilstrahlungsanteile sind Funkverbindungen auch in der kritischen "toten Zone" im Bereich kurzer Entfernungen möglich. Ebenso können Verbindungen über mittlere und große Entfernungen durch die Flachstrahlungsanteile aufgebaut werden.

Abb 12
Abb. 12: Strahlungsdiagramm der Rahmenantenne.

Besonders günstig ist, daß sie auch in Bodennähe aufgestellt und betrieben werden kann, ohne daß dadurch eine Beeinflussung des Strahlungsdiagrammes erfolgt.

Ein weiterer Vorteil ist ihre Richtwirkung. Das Antennendiagramm gleicht dem eines Hertzschen Dipols, hat also die dafür typische Form einer liegenden Acht. Diese Charakteristik ist jedoch nicht gleichförmig. Abb. 13 zeigt das Strahlungsdiagramm in Abhängigkeit vom Erhebungswinkel.

Abb 13
Abb. 13: Strahlungsdiagramm bel verechledenen Erhebungswinkeln.

Ein Erdnetz ist nicht erforderlich. Auch bei Montage am Balkon oder in der Nähe von Wanden wird die Rahmenantenne weniger beeinträchtigt als z. B. ein Dipol.

Die aufgenommenen SWR-Diagramme verschiedener Amateurfunkbänder sind in den Abb. 14a bis 14d dargestellt.

Abb 14
Abb. 14: Strehlungedlegramme: a) 28 MHz, b) 21 MHz, c) 14 MHz, d) 7 MHz.

5.2. Das Arbeiten mit der Rahmenantenne

Es wurden mit einem 90-cm-Prototyp dieser Antenne sehr viele nette QSOs vorwiegend auf dem 20-m- und 40-m-Band abgewickelt. Die Antenne wurde dabei am Balkon der im 10. Stockwerk befindlichen Wohnung eines 14stöckigen Wohnhauses in München betrieben. Aufgrund ihres geringen Gewichtes kann sie einfach an einem klemmbaren Sonnenschirmhalter befestigt werden, welcher wiederum am Außenrand des Betonblumenkastens angeschraubt ist.

Aber auch im Wochenend-QTH des Verfassers ist die Erprobung vom Gartentisch aus bei nur 0,7 m über Grund erfolgreich absolviert worden. Immer wieder fand die Leistungsfähigkeit dieser Miniaturantenne besondere Beachtung. Auf dem 20-m-Band ist praktisch jederzeit europaweiter Funkverkehr möglich. Die weiteste Verbindung vom Balkon gelang mit HL0O, Shin in Daegu City, Korea. Innerhalb kür-:ester Zeit konnten die meisten europäischen Länder und Israel gearbeitet werden.

Motiviert durch die guten Ergebnisse Kurde bald ein weiterer Rahmen mit 60 cm Kantenlänge für die Bänder 10 m und 15 m angefertigt. Auch mit dieser Antenne konnte die Leistungsfähigkeit erneut unter Beweis gestellt werden. Bei der ersten Inbetriebnahme gelang am 25. April 1989 - auf Anhieb eine Verbindung im 10-m-Band mit VK4NSE, Bob in Ingham, Australien, Rapporte auf beiden Seiten 5/7-9.

Abb 15
Abb. 15: Elektrische Schaltung der Endtester zur Begrenzung der Verfahrwege des Abstimmelementes.

6. Zusammenfassung

Wer Spaß am Experimentieren und Selberbauen hat und zudem noch "Antennengeschädigter" ist, findet hier eine Möglichkeit, mit einer portablen Rahmenantenne QRV zu werden. Die Antenne kann leicht auf- und abgebaut werden und dürfte deshalb auch nicht zu Konflikten mit dem Hausbesitzer oder der Nachbarschaft führen. Sie ist nicht für eine Festmontage gedacht. Hier wären noch zusätzliche Maßnahmen für den Blitzschutz erforderlich. Auch die Wetterfestigkeit müßte für einen permanenten betrieb verbessert werden.

In diesem Artikel wurde eine Beschreibung für den Nachbau einer Rahmenantenne gegeben. Die Physik läßt sich auch eib dieser Antenne nicht auf den Kopf stellen. Trotz der respektablen Leistung ist und bleibt diese Antenne nur eine Behelfsantenne und was für eine!

Hier noch eine Information für diejenigen, die es ganz genau wissen wollen: Für kleine Rahmenantennen, deren Umfang « ist - also auch für die hier beschriebenen Ausführungen -, liegt der Gewinn über Halbwellendipol bei -0,39 dB oder 1,76 dBi!

Vorteile:

Nachteile:

Literatur

  1. Hans Würtz: DX mit spiegelnden Flachen. cq-DL 3/83, 4/83.
  2. John D. Kraus: Antennas. Bezugsquellen
  3. Fa. Rau Metalle, 8000 München 70
  4. Fa. Sahlberg, 8000 München 2
  5. Hans Rexin, 4600 Dortmund
  6. Butan-Lötlampe, Soudogaz T 206, Fa. Camping Gaz Int.
  7. Fa. Annecke HF-Technik, 7100 Heilbronn-Böckingen

DL7PE, Jürgen Schäfer.