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Im nachfolgenden Artikel soll eine 10 m hohe Vertikalantenne mit Dachkapazität beschrieben werden, die mittels einer einfachen Anpaßschaltung kompromißlos als sehr leistungsfähige Zweibandantenne auf 40 m und 80 m betrieben werden kann.
Aufbau der Antenne
Als "mechanische Grundausstattung" für eine neue vertikale Antenne stand ein 10 m hoher Glasfasermast zur Verfügung, dessen Lange zudem zur baden-wurttembergischen Landesbauordnung paßte, da hier eine Lange von maximal 10 m genehmigungsfrei ist.
Es wurde angestrebt, zunächst eine leistungsfähige 80-m-Antenne aus diesen Gegebenheiten zu erstellen. Ein in den Glasfasermast hineingehängter Strahler ware also etwa ein achtel Lambda lang, was eine Antenne mit etwa 10 Ohm Fußpunktwiderstand und einem kapazitiven Blindanteil ergäbe. Nach bekannter Technik (Verlängerungsspule bzw. Anpaßschaltung zur Impedanztransformation am Antennenfußpunkt) hatte die Antenne angepaßt werden können. Nach intensivem Literaturstudium fiel jedoch die Entscheidung zu Gunsten einer "kapazitiv belasteten" Antenne.
Bringt man an der Spitze eines zu kurzen Vertikalstrahlers eine Dachkapazitat (Metallscheibe, Metallkugel, einzelne Drähte oder Stäbe) an, so kann man damit zwei Vorteile erreichen: Die Antenne kann mit entsprechender Dachkapazität "reell" gemacht werden, d. h., die Antenne wird ohne die Verwendung von Spulen oder Kondensatoren resonant und hat keinen Blindanteil im Fußpunktwiderstand, und der Strahlungswiderstand steigt.
Beides hat eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades zur Folge: Die Verluste in der Dachkapazität sind wesentlich geringer als in einer üblichen Verlängerungsspule, und der erhöhte Strahlungswiderstand reduziert die Verluste im Erdnetz und im Anpaßnetzwerk; beide Verlustwiderstände bilden ja mit dem Strahlungswiderstand der Antenne quasi einen Spannungsteiler.
Die Berechnung solcher Antennen und ihrer Wirkungsgrade wird in [1] ausführlich beschrieben und soll hier nicht wiederholt werden. Zur schnelleren Berechnung verschiedener Antennenvarianten wurde nach Formeln von [1] ein kleines Basic-Programm geschrieben, das aufgrund seiner Kürze schnell in nahezu jeden Basic-Rechner eingetippt werden kann (z. B. IBM GW-Basic, CP/M M-Basic, Apple II u. v. a. m.).
Bei den gegebenen mechanischen Voraussetzungen entstand somit die folgende Antennendimensionierung. Der Strahler besteht aus drei verdrillten Kupferlackdrähten von 1,8 mm Durchmesser (größerer Oberfläche, ähnlich HF-Litze) und hat eine Länge von 10 m. Nach [1] ist eine scheibenförmige Dachkapazität von etwa 2,4 m Durchmesser an der Antennenspitze erforderlich, um die Antenne in Resonanz zu bringen.
Aus naheliegenden Gründen wurde diese Scheibe durch acht Aluminiumrohre ersetzt. Die erforderliche Länge dieser Stäbe von 2 m wurde rechnerisch abgeschätzt und durch Experiment bestätigt. Es wurden Alu-Rohre mit einem Durchmesser von 10 mm verwendet, welche in einer 45-Grad-Teilung mit einer zentralen Nabe befestigt wurden. An der Antennenspitze befindet sich also ein Rad (ohne "Felge") mit acht Speichen, welches einen Durchmesser von 4 m hat.
Elektrische Kennwerte des Strahlers
Dieses Antennengebilde wurde neben den Berechnungen von [1] auch mit dem Programm "MININEC" simuliert, und erfreulicherweise waren die Ergebnisse beider Rechenverfahren sowie die Ergebnisse der späteren praktischen Messungen weitgehend identisch.
Der Fußpunktwiderstand dieser Antenne beträgt bei 3,7 MHz (ohne Berücksichtigung von Erdverlusten) 19 Ω reell, also fast doppelt soviel wie ohne Dachkapazi tat! Mit einem Erdnetz, welches aus 350 m verzinktem Eisendraht einer Stärke von 2,5 mm (in 30 unterschiedlich lange Radials zerschnitten) besteht, wurde ein Fußpunktwiderstand von 25 Ω (reell) gemessen. Es kann somit auf einen Erdwiderstand von etwa 6 Ω geschlossen werden (die genaue Messung des HF-Erdwiderstandes ist sehr schwierig). Die Resonanzfrequenz der Antenne beträgt beim Verfasser genau 3,7 MHz.
Bei einem Fußpunktwiderstand von 25 O ist es ohne weiteres möglich, die Antenne ohne (verlustbehaftete) Anpaßschaltungen direkt mit einem 50-Ω-Kabel zu speisen; das SWR beträgt hier s = 2, was von den meisten Sendern gut verkraftet wird. Die ersten praktischen Versuche mit der Antenne wurden mit einer solchen direkten Speisung durchgeführt.
40-m-Betrieb
Nach den ersten positiven Eindrücken im 80-m-Band wurden Überlegungen angestellt, den Strahler auch auf 40 m zu nutzen. Messungen des Fußpunktwiderstandes ergaben, daß der Strahler eine Resonanz bei genau 7 MHz aufweist. Der Fußpunktwiderstand beträgt hier 2200 Ω (reell). Die Antenne hat hier also ihre Halbwellenresonanz.
Diese Form eines Halbwellenstrahlers ist in der Literatur auch als "inverted Groundplane" bekannt. Der mechanisch eine viertel Wellenlänge lange Strahler wird durch die Dachkapazität bis zur Halbwellenresonanz verlängert, indem der Strombauch der Antenne nach oben gezogen wird und im Speisungspunkt ein Stromknoten bzw. eine Spannungsbauch entsteht. Dies hat eine flachere Abstrahlung als bei einem Viertelwellenstrahler zur Folge; außerdem sinken die Verluste im Erdnetz durch die hohe Fußpunktimpedanz stark ab. Beides läßt einen guten Wirkungsgrad der Antenne und eine gute Eignung für DX vermuten.
Erste Versuche mit provisorischer Anpassung (PI-Halbglied mit Rollspule und Drehko) bestätigten diese Vermutungen voll. Im Vergleich mit einem 2 x 10-m-Dipol ergaben sich nicht selten Unterschiede von einer bis zwei S-Stufen zu Gunsten der Vertikal, insbesondere bei Entfernungen über 600 km.
Zweiband-Betrieb 80 m/40 m
Bei solch guten Erfahrungen auf 80 m und 40 m kam natürlich der Wunsch nach einer Zweibandlösung auf. Mindestens auf 40 m kommt man wegen der hohen Fußpunktimpedanz nicht um eine Anpaß-schaltung herum. Diese Anpaßschaltung erfordert natürlich eine Bandumschaltung, welche durch ferngesteuerte Relais realisiert werden könnte. Jedoch, bedingt durch die hohe Fußpunktimpedanz auf 40 m, waren zum Teil sehr hohe Spannungen zu schalten. Außerdem steht die Antenne beim Verfasser über 100 m vom Haus entfernt, somit erschien die Bandumschaltung als eine recht unbequeme Lösung, und es wurde nachgedacht, um sie doch noch zu vermeiden.
Entwicklung der Anpafschaltung
Der erste Schritt war die Entwicklung der Anpaßschaltung für 40 m. Es sollte eine Leitungstransformation mit einer λ/4-Leitung mit einem Wellenwiderstand von Z = √(50 × 2200) = 331 Ω zur Anwendung kommen. Die Leitung sollte aus praktischen Erwägungen durch eine Leitungsnachbildung (Abb. 1) realisiert werden. Der Blindwiderstand der Spule und jedes Kondensators ist hier gleich dem Wellenwiderstand von 331 Ω zu setzen; somit ergibt sich bei 7,05 MHz eine Dimensionie rung von L = 7,47 µH und Cl = C2 = 68,2 pF. Diese Schaltung wurde auf 40 m erprobt und funktionierte einwandfrei; allerdings mußte C2 wegen der Eigenkapazität einer verwendeten Hochspannungsdurchführung von etwa 12 pF und weiterer Streukapazität auf etwa 48 pF reduziert werden.
Abb. 1: Schaltung Laltungsnechbildung.
Nun stellte sich die Frage, was eine solche Leitungsnachbildung auf 80 m bewirkt, wenn sie nicht, wie eigentlich nötig, abgeschaltet wird. Die Antwort ließ sich mit Hilfe eines Smithdiagramms leicht finden: die vorher auf 80 m resonante Antenne bekommt eine induktive Blindkomponente. Diese könnte mit einem Serienkondensator von etwa 160 pF leicht kompensiert werden; jedoch müßte dieser Kondensator auf 40 m natürlich überbrückt werden (Relais...).
Die Lösung aus diesem Dilemma ist ein vor die Leitungsnachbildung geschalteter, auf 40 m abgestimmter Serienkreis. Das LC-Verhältnis dieses Kreises ist so dimensioniert, daß er auf 80 m die gewünschte Serienkapazität von etwa 160 pF bildet (Serienkreise werden bei tieferen Frequenzen als ihrer Resonanzfrequenz kapazitiv). Auf 40 m ist der Kreis niederohmig und beeinflußt die Transformationsleitung somit nicht. Die aus diesen Überlegungen heraus entstandene Anpaßschaltung ist in Abb. 2 zu sehen.
Abb. 2, Anpaßschaltung.
Die Richtigkeit der Überlegungen wurde mit Hilfe einer Analyse durch das Programm Supercompact (auf einer VAX-Anlage) bestätigt. Abb. 3 zeigt die Reflexionsdämpfung auf 80 m bei Abschluß der Schaltung mit 25 Ω, und Abb. 4 stellt die Reflexionsdämpfung auf 40 m bei Abschluß mit 2200 C) dar. In Abb. 5 und 6 sind die Durchlaßdämpfungen der Schaltung unter denselben Bedingungen bei einer angenommenen Spulengüte von Q = 300 zu sehen.
Abb. 3: Refexionsdampfung auf BO m bei Abschluß der Schaltung mit 25 J.
Abb. 4: Reflexionsdämpfung auf 40 m bel Abschluß der Schaltung mit 2200 Q.
Abb. 5: Durchlaßdämpfung der Schaltung auf 40 m bal *Me, angenommenen Spularpets von Q = 300.
Abb. 6: Durchla8dämpfung der Schaltung auf BO m bei einer angenommenen Spulengüte von Q = 300.
Die Spulen wurden auf 40-mm-Keramikkörper mit 1,8 mm Cul gewickelt und erreichten in der Praxis eine Güte von Q = 400. Die Kondensatoren sind Hochspannungskeramikkondensatoren (2 kV). In der Praxis kann man durch geringfügiges Ändern der Bauteilwerte eventuell verbleibende Fehlanpassung korrigieren. Daher soll auch keine ganz exakte Nachbauanleitung gegeben werden, da sich im Einzelfall andere Verhältnisse, z. B. durch andere Erdwiderstände, ergeben können.
Das verbleibende SWR ist auf 40 m annähernd auf s = 1 zu bekommen, auf 80 m kann jedoch kein besseres SWR als etwa s = 1,6 erwartet werden, da die Anpaßschaltung hier ja im Prinzip nur "durchschaltet" und nur geringfügige Verbesserungen des SWR bewirken kann.
Praktische Erfahrungen
Beim Verfasser steht neben der beschriebenen Vertikalantenne noch ein Dreifachdipol für 160/80/40 m zur Verfügung, welcher gut als Vergleichsantenne herangezogen werden kann, da er mjt seinen 10 m Aufhängungshöhe durchaus als "übliche Amateurantenne" bezeichnet werden kann. Dieser Antenne zeigte sich die Vertikalantenne ebenbürtig.
Zwar treten im Deutschland- und Europaverkehr bei Entfernungen von weniger als 600 km oftmals Signalunterschiede von einer, seltener auch mal von zwei S-Stufen zu Gunsten des Dipols auf, jedoch bei größeren Entfernungen "holt die Vertikal schnell auf". Schon nach Süditalien lieferte die Vertikal tagsüber auf 40 m ein S9-Signal (in beiden Richtungen), und mit dem Dipol war lediglich ein Signal an der Hörbarkeitsgrenze festzustellen. Das ist natürlich ein Extremfall, aber eine bis zwei S-Stufen sind ja auch schon etwas, und in den Genuß kommt man häufiger!
Interessant ist auch das Verhalten im Nahbereich. Im Gegensatz zum Dipol, welcher praktisch keine Bodenwelle abstrahlt (Steilstrahler), liefert eine auf dem Boden aufgestellte Groundpiane einen nennenswerten Bodenwellenanteil, was sich im Entfernungsbereich von 0 bis etwa 10 km in bis zu 20 dB stärkeren Signalen auswirkt. Mit einer Mobilstation als Partner wurde auf 80 m bis zu einer Entfernung von etwa 80 km ein deutlicher Vorteil der Vertikalantenne gegenüber dem Dipol (immer mindestens eine S-Stufe) festgestellt.
Die Vertikalantenne mit Dachkapazität und ZweibandanpaBschaltung ist also durchaus eine vollwertige Antenne und somit besonders interessant für Funkamateure, die ihre Antennen nicht so sehr "in die Länge", wohl aber "in die Höhe" bauen können oder möchten.
Literatur
10 PI = 3.141592654000005# 30 PRINT CHR$(12): REM Clear Screen 40 PRINT "Berechnung kurzer Antennen mit kapazitiver Dachlast" 50 PRINT "Jörg Logemann, Hauptstrafe 35, 7903 Laichingen-Machtolsheim" 60 PRINT: PRINT 70 INPUT"Gib Betriebsfrequenz in MHz ein: ";F 80 INPUT"Gib mechanische Nahe der Antenne in m ein: ";HOEHE 90 INPUT"Gib Strahlerdurchmesser in cm ein: ";DS 100 LAMBDA = 299.793 / F 110 L90 = LAMBDA / 4 120 HREL = HOEHE / LAMBDA 130 IF HOEHE > L90 THEN PRINT "Antenne zu lang!": FOR I=0 TO 1000: NEXT I:G0T0 30 140 HR = (HOEHE / 1.90)*90 : REM relative Höhe in Grad 150 HB = 90 - HR 160 A = ((DS/100)/(2*L90))*90 : REM relativer Strahlerradius 170 ZO = 60*(LOG(2*HR/A)-1) 180 R = (7.5 * 360 * TAN(HB*PI/180))/10 190 D = 2*((R/90)*L90) 195 D8 = 1.7 * D : REM Nach MINI-NEC ermittelt f. 8 Staebe 200 RES = 40*(1-.085*SIN(HR*PI/180)^(5/2))*SIN(HR*PI/180)^2 210 PRINT CHR$(12) 220 PRINT "Ausgabe Ober D)rucker oder B)ildschirm?" 230 X$ = INKEY$ 240 IF X$ = "" THEN 230 250 IF (X$ = "B") OR (X$ = "b") TNEN 280 260 IF (X$ = "D") OR (XS = "d") THEN 400 270 GOTO 220 280 PRINT CHR$(12) 290 PRINT "Antennendaten: ":PRINT 300 PRINT USING "Betriebsfrequenz.................###.### MHz";F 310 PRINT USING "Betriebswellenlange..............###.### m";LAMBDA 320 PRINT USING "unverkOrzte 1/4-Lange............###.### m";L90 330 PRINT USING "Antennen-Nahe....................###.### m";HOEHE 340 PRINT USING "Rel.Antennenhöhe (n*Lambda)......###.### L";HREL 550 PRINT USING "Strahlerdurchmesser..............###.### cm";DS 360 PRINT USING "Scheibendurchmesser..............###.### m";D 365 PRINT USING "Scheibendurchmesser f. 8 Stäbe...###.# m";D8 370 PRINT USING "Wellenwiderstand.................###.### Ohm";Z0 380 PRINT USING "Strahlungswiderstand.............###.### Ohm";RES 390 PRINT : PRINT : G010 560 400 LPRINT CHR$(17): REM select printer 405 LPRINT "***************************************************************" 410 LPRINT "* Berechnung kurzer Antennen mit kapazitiver Dachlast *" 420 LPRINT "* Jörg Logemann, Hauptstraße 35, 7903 taichingen-Machtolshelm *" 430 LPRINT "***************************************************************" 440 LPRINT : LPRINT 450 LPRINT "Antennendaten: ":PRINT 460 LPRINT USING "Betriebsfrequenz.................###.### MHz";F 470 LPRINT USING "Betriebswellenlange..............###.### m";LAMBDA 480 LPRINT USING "unverkOrzte 1/4-Lange............###.### m";L90 490 LPRINT USING "Antennen-Nahe....................###.### m";HOEHE 500 LPRINT USING "Rel.Antennenhöhe (n*Lambda)......###.### L";HREL 510 LPRINT USING "Strahlerdurchmesser..............###.### cm";DS 520 LPRINT USING "Scheibendurchmesser..............###.### m";D 525 LPRINT USING "Scheibendurchmesser f. 8 Stäbe...###.# m";D8 530 LPRINT USING "Wellenwiderstand.................###.### Ohm";Z0 540 LPRINT USING "Strahlungswiderstand.............###.### Ohm";RES 550 LPRINT : LPRINT 555 LPRINT CHR$(19):REM deselect printer 560 PRINT "Weitere Rechnung? (J/N) " 570 X$ = INKEYS 580 IF X$ = "" THEN 570 590 IF (X$ = "J") OR (X$ = "j") THEN 30 600 IF (X$ = "N") OR (X$ = "n") THEN 630 610 GOTO 570 630 PRINT "Auf Wiedersehen!" 640 END
DL2NI, Jörg Logemann.