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Der Vertikaldipol in Theorie und Praxis

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Auf einer DXpeditton ist man gezwungen, sehr rasch eine Antenne aufzubauen, die zudem noch möglichst gute Strahlungseigenschaften aufweisen soll. Dafür kommen nur einfache Gebilde in Betracht, die möglichst auf allen Bändern flach strahlen sollen.

Aus dieser Überlegung heraus errichtete ich im Februar 1991 auf der Insel Canton als T31AF einen Vertikal-Dipol aus 2 mm Kupferdraht von 2 x 5,3 m Länge, der an einer Perlonleine von 3 mm Durchmesser vom Gipfel einer Kokospalme aus aufgezogen wurde. Die Leine hatte ich vorher mit der genialen Gummischleuder von Helmut Ferschl, DJOLL, ühber die Palme geschossen. Gespeist wurde der Dipol mittels eines 240-Ohm-Fernsehbandkabels, ein Geschenk vor Franz Langner, DJ9ZB. Die etwa 15 m lange Speiselesung führte waagerecht in die Station, wurde dort von einem Fritzel-Balun 1:5 umsymmetriert und über einen Annecke-Antennenkoppler dem Transceiver FT-757GX II zugeführt (Abb. 1).

Abb. 1: Stromlauf der gesamter Dipolanordnung

Selbstverständlich kann man in auch Baluns mit den Übersetzungverhältnissen der Impedanzen 6:1; 4:1 oder 2:1 verwenden. Solange die leistung auf 100 W besvchränkt bleibt, ist die Impedanztransformation des Baluns von untergeordnerter Bedeutung, weil der Antennenkoppler auch große Impedanzunterschiede spielend ausgleicht.

Dieser Vertikaldipol ließ sich in dem Frequenzbereich von 30 MHz bis 7 MHz herab einsetzen, wobei trotz der Kürze der Antenne auf 7 MHz USA und Japan gut erreicht werden konnten. Auf 24,9 MHz war die Abstimmung des Antennenkopplers recht schwierig. Durch Vertauschen von Ein- und Ausgang des Kopplers wurde dieses Problem gelöst. Aus dem Transmatch wurde einfach ein SPC-Match gemacht.

Vergleiche mit der Stromsummenantenne

Im DX-Betrieb stellte ich Verglexhe mit einer 85-m-Stromsummenantetne an, die über dem Salzwasserstrand der Lagune exakt nach Deutschland ger-chtet war. Von Thomas Moliére, DL7AV, wurde mir berichtet, daß Langdraht und Vertikal im Umschalttest bei ihm die gleiche Lautstärke ergäben. Andere OMs aus DL bestätigten dies. Das paßte mir zwar nicht ganz, bewies aber die DX-Eignung des Vertikaldipols.

Als ich Januar 1993 wieder auf Caron weilte, zog ich den gleichen Vertikzdipol auf und hatte damit die gleichen, guten Ergebnisse. Die Bedingungen nach Europa waren jämmerich schlecht; aber dafür ging es nach USA und Japan sehr gut.

Ich wollte es nun ganz genau wissen und baute dieselbe Vertikalantenne im heimatlichen Garten auf, aber in viel vornehmerer Art: Als obere Hälfte wurde eine Fritzel-Groundplane GPAmon (Grotutulplane für Monoband) verwendet, deren Länge sich in weiten Grenzen von 2.5 bis 6 m verändern läßt. Die Länge des Teleskops aus sechs Rohrteilen wurde auf 5,3 m eingestellt und die klemmen gut angezogen. Als Unterteil wurde auf die drei Groundplane-Radials verzichtet und dafür die untere Hallte des Vertikaldipols aus zwei mal 1,2 mm Kupferlackdraht von 5,3 m Länge ausgeführt, der in einem Abspannisolator 0,5 m über dem Boden endete. Als Träger für die GPAmon und den Ilraht diente ein GFK-Mast, der früher einmal ein Surfmast war. Er mußte mil einem Holzstab auf 5,8 m verlängert werden. Das ganze Gebilde wurde nach dem Aufstellen mit Perlon-schnüren abgespannt und das 16 m lange Bandkabel waagerecht zum Ham-shack gespannt, wo der Fritzel-Balun 1:1 und der Annecke-Koppler zum FT890-Transceiver führten.

Berechnung und Messung

Man kann eine Antenne auf zwei Weisen beurteilen: durch Berechnung und durch Messung. Der Königsweg ist die Berechnung; doch sollte sie durch das Experiment bestätigt werden. Die Rechnung ist im Falle des Vertikaldipols verhältnismäßig einfach, weil die Stromverteilung auf der Antenne ohne große Fehler zu begehen als sinusförmig angenommen werden kann. Die Abb. 2 zeigt die Stromverteilung auf dem Vertikaldipol bei verschiedenen Arbeitsfrequenzen von 7 bis 28 MHz.

Abb. 2: Die sinusförmige Stromverteilung auf den einzelnen Bändern

Bei 14 MHz ist die Antenne ein Halbwellendipol, bei 7 und 10,1 MHz ist sie zu kurz, so daß sich das Strommaximum auf der Speiseleitung befindet. Bei 28 MHz strahlt die Antenne als kol-lineare Vertikalgruppe aus zwei Halbwellendipolen mit einem Gewinn von etwa 3 dB über dem Halbwellendipol. Von 18,1 bis 24,9 MHz nimmt die Antenne Zwischenstufen zwischen Halbwellen- und Ganzwellendipol ein.

Eine recht ausführliche Darstellung der Abstrahlung eines Vertikaldipoles findet sich bei John D. Kraus, W8JK(1). Danach ist die Feldstärke eines Dipols beliebiger Schenkellänge:

Dabei ist E die Feldstärke in V/m, Ib der Strom im Strombauch in A, r der Abstand Phasenzentrum der Antenne zum Aufpunkt P in m, beta = 2 x PI / Lambda, L die Länge eines Dipolschenkels in Lamda und Θ der Winkel zwischen Dipolachse und dem Aufpunkt P. Befindet sich der Vertikalpol über der Erdoberfläche (Abb. 3), so wirkt diese als Reflektor, läßt keine Strahlung nach unten entweichen und reflektiert die Strahlung nach den Gesetzen des Spiegels(2). Nehmen wir die Erde als idealen, verlustlosen Spiegel an, so wird die weitere Rechnung recht einfach.

Abb. 3: Der Vertikaldipol über Erde

Die Feldstärke des Vertikaldipols E muß nur noch mit der Feldstärke der reflektierten Wellen zusammengefaßt werden, was durch Multiplikation von E mit dem Reflektionsfaktor 2 x cos ( beta H x cos (3) geschieht. H ist die Höhe der Dipolmitte über Erde in Lambda. Es ergibt sich dann:

Näheres dazu in(3). Am bequemsten läßt sich die Rechnung mit dem Computer durchführen, wozu das folgende Programm in GW-Basic dient, das den Strahlungswiderstand, die Feldstärke in 1 km Abstand von der Antenne bei Erregung mit 1 Kilowatt und den Gewinn über einem Viertelwellen-Monopol berechnet, den man auch als bodenständige Groundplane (GP) auffassen kann.

Für die Frequenzen vom 7-MHz-Band bis zum 28-MHz-Band ergibt sich folgende Tabelle: (siehe unten)

Der kleine Unterschied zwischen L und H rührt daher, daß der Fußpunkt des Dipols sich 0,5 m über der Erde befindet.

Die Abstrahlung bleibt im gesamten Frequenzbereich von 7 bis 28 MHz flach und ist deshalb für den DX-Verkehr gut geeignet. Abbildung 4 zeigt dies deutlich für 7 bis 18,1 MHz und Abb. 5 für 21 bis 28 MHz. Als Maßstab dient dabei die Feldstärke in mV/m und nicht der Gewinn über Monopol.

Abb. 4: Vertikaldiagramme für 7 bis 18.1 MHz

Abb. 5: Vertikaldiagramme für 21 bis 28 MHz

Gewinnmaximum?

Das vorhandene Programm verlockte dazu, ein Maximum des Gewinns zu suchen. Es ist mit einem Vertikaldipol von 2 mal 0,64 Lambda zu erreichen, wenn dessen Mittelpunkt eine Höhe von 0,94 Lambda über idealer Erde erreicht hat.

Das heißt, das Ende des unteren Dipolastes ist 0,30 Lambda vom Boden entfernt. Bei einer Feldstärke von 648,2 mV/m wird ein Gewinn am Horizont von 6,3 dB über einem Viertelwellen-monopol erzielt. Allerdings ist die Gesamthöhe statt 0,25 Lambda (GP) jetzt auf 1,58 Lambda angewachsen und die Antenne erbringt diesen Gewinn nur auf einem schmalen Frequenzband; aber für den Gewinn mußte man schon immer auf die eine oder andere Weise bezahlen. In Abb. 6 sieht man, wie der Gewinn von der Aufbauhöhe des 2mal0,64-Lambda-Dipols abhängt.

Abb. 6: Gewinnverlauf abhängig von der Dipolhöhe

Abb. 7 zeigt das Vertikaldiagramm. Um die 648,2 mV/m unterzubringen, wurde es nur in halber Größe gezeichnet. Derartig extreme Flachstrahlung kann sich verständlicherweise nur in hindernisfreier Umgebung ausbilden, am allerbesten über dem Meer.

Abb. 7: Vertikaldiagramm des optimalen Vertikaldipols

Alle Erwartungen erfüllt

In der Praxis erfüllte der Multiband-Vertikaldipol alle Erwartungen. Sogar auf 3,5 MHz konnte noch gearbeitet werden, wenn auch das Signal hier schwächer war. Im Weitverkehr bewährte er sich zweimal bei T31AF und beim Autor daheim.

10  '========================================================================
20  '
30  'Strahlungswiderstand und Feldstarke von symmetrischen
40  'Vertikaldipolen mit beliebiger Höhe des Dipolmittelpunktes
50  'ueber idealer Erde und Gewinn Ober Groundplane
60  'Formel: Aisenberg, KW-Antennen, 20.III, Seite 106
70  '
80  '========================================================================
90  '
100 'Name: 9Strahlw.bas Autor Karl H. Hille 6. Juni 1993
110 CLS
120 REM * * * Eingabe * * *
130 PRINT"Berechg.d.Strahlungswiderst.dch.num.Integr.n.d.Sehnentrapezformel
140 PRINT""
150 PRINT"Geben Sie die Laenge des einen Dipolastes in Lambda ein!"
160 INPUT L
170 PRINT"Geben Sie die Hoehe des Dipolmittelpunktes Ü. Erde in Lambda ein!
180 INPUT H
190 IF H < L THEN PRINT"Höhe mug. höher oder gleich Lange sein!" : GOTO 150
200 PRINT""
210 PI = 3.141592654# : BL = 2 * PI * L : BH = 2 * PI * H
220 PRINT"Länge    Höhe     Strahlwid  mV/m      Gewinn"
230 PRINT"L        H        Rr         in 1 km   dB/GP "
240 Y = 0
250 REN * * * Berechnung * * *
260 FOR THETA = 0 TO PI/2 STEP PI/120
270 GOSUB 360
280 NEXT THETA
290 Z = Y - EVQ/2 : RR = Z * PI/60
300 F = ABS ((CC - DD) * EE / SI )
310 EX = 120 " SQR ( 1000 / RR ) * F
320 GEN = 20 * .43429448# * LOG ( EX / 313.776 )
330 PRINT USING "###.###  ###.###  ###.###    ###.###   #.##"; L,H,RR,EX,GEW
340 END
350 REM * * * Subrout.z.Berechg.d.Feldst.abh.v.THETA f.d.Strahlwid. * * *
360 CO = COS ( THETA ) : IF CO = 0 THEN CO = .000001
370 SI = SIN ( THETA ) : IF SI = 0 THEN SI = .000001
380 CC = COS ( BL * CO ) : DD = COS ( BL ) : EE = COS ( BH * CO )
390 EVQ = 120 * ( CC - DD ) * ( CC - DD ) * EE * EE / SI
400 Y = Y + EVQ
410 RETURN

Literatur

1. John D. Kraus, Antennas, 2. Aufl., McGraw-Hill, New York 1988, ISBN 0-07-035422-7, Seite 218 - 222
2. Hille/Krischke, Antennenlexikon, VTH-Verlag, Baden-Baden 1988,
3. G.S.Aisenberg, Kurzwellenantennen, Fachbuchverlag Leipzig 1954, Seite 102 - 106

Die Dipolmitte, rechts das Bandkabel.

Das untere Ende des Dipols

Der Vertikaldipol: Gesamtlänge 10,6 m

DL1VU, Karl. H. Hille.