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Horizontale Diagramme von Gruppen vertikaler Antennen 1

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Grundlagen

Nach der Betrachtung der Richtwirkung bei Gruppen vertikaler Antennen wird deren Gewinn definiert und der Einfluß von Ungenauigkeiten (z. B. bei der Phasenverschiebung) untersucht. Neben der Beschreibung der Berechnungsmethode und der Darstellung horizontaler Diagramme von Antennengruppen mit je zwei, drei und vier Elementen wird die schrittweise Entwicklung des Richtdiagramms einer Antennengruppe mit sieben Elementen erläutert.

Die Entstehung eines horizontalen Richtdiagramms

Elektrischer Wechselstrom kann sehr gut mit Hilfe eines sich drehenden Zeigers dargestellt werden (Abb. 1). Wird einer Antenne eine hochfrequente Energie zugeführt, so entsteht um sie ein elektromagnetisches Feld. Auf Abb. 2 ist die elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes in Form des von der Antenne A sich wegbewegenden Zeigers dargestellt. Zum Zeitpunkt t beträgt die Phasenlage des Zeigers 0°. Eine 1/8-Wellenlänge davor hatten die Zeiger die Phasenlage (t-π/4), als sie die Antenne A in allen Richtungen verließen. Zum Zeitpunkt t befinden sich diese Zeiger auf einem Kreis, der 1/8-Wellenlänge von der Antenne A entfernt ist und haben alle die Phasenlage (t-π/4).

Fig 1
Abb. 1: Der Sinus-Verlauf des Wechselstroms "i" ist eine andere Darstellungsform des Zeigers "I", der sich gegen den Uhrzeigersinn mit konstanter Winkelgeschwindigkeit Omega = 2 Pi×f dreht. f = Frequenz in Hertz ist die Zahl der Schwingungen pro Sekunde. Oberhalb der Sinuskurve sind Winkel des Zeigers dargestellt, die zum jeweiligen Zeitpunkt mit dem Winkel der Sinuskurve korrespondieren.

Fig 2
Abb. 2: Das elektrische Feld der Antenne A. Die Pfeile bewegen sich von der Antenne weg; ihre Phasenlage ändert sich dabei nicht mehr.

Dies läßt sich entsprechend für weitere Kreise um die Antenne A fortsetzen.

In Abb. 3 ist die Situation für Antenne B ähnlich dargestellt, jedoch mit dem Unterschied, daß die Zeiger eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen.

Fig 3
Abb. 3: Die Antenne B sendet das elektrische Feld mit einer Phasenverschiebung von 90° aus.

In Abb. 4 werden die Antennen A und B mit ihren Feldern von Abb. 2 und 3 in einem Abstand von Lambda 1/4 übereinander dargestellt. Auf der rechten Seite der Achse A-B addieren sich die Zeiger zu der zweifachen Länge und auf der linken Seite addieren sie sich zu Null. Dies gilt für jeden Zeitpunkt.

Fig 4
Abb. 4: Die sich überlagernden Komponenten des elektrischen Feldes beider Antennen werden vektoriell addiert. Rechts entsteht ein Feld mit doppelter Amplitude, links heben sich die Komponenten zu Null auf.

In großer Entfernung wird der Abstand der Antennen so klein, daß er vernachlässigt werden kann. Deshalb können die Zeiger in senkrechter Richtung vektoriell so addiert werden, als ob die Signale von einem Punkt ausgesendet worden wären. So kann rund um die Antennengruppe mit zwei Elementen ein horizontales Richtdiagramm ermittelt werden.

Der Gewinn von Gruppen vertikaler Antennen

Die Abb. 5 stellt eine vertikale Antenne dar, der eine HF-Leistung zugeführt wird und die in ihrer Umgebung in allen Richtungen ein elektromagnetisches Feld konstanter Größe erzeugt.

Fig 5
Abb. 5: Eine Vertikalantenne (GP oder ein Vertikaldipol) dient als Bezugsantenne. Sie hat deshalb einen Gewinn von 0 dB. Der Rundstrahler besitzt keine ausgeprägte Richtcharakteristik. Die gesamte Sendeleistung P wird dem Element A zugeführt (A = 1P).

Der Gewinn einer Antennengruppe, der die gleiche Leistung zugeführt wurde, wird auf die Feldstärke bezogen, die eine einzige vertikale Antenne bei der gleichen Leistung erzeugen würde.

Nun stellt sich die Frage, wie ein Gewinn bei Gruppen vertikaler Antennen, die aus mehreren Elementen bestehen, überhaupt zustande kommt.

In Abb. 5 wird die gesamte Leistung P der Antenne A zugeführt, die - nehmen wir an - eine reelle Impedanz (R= 1) hat. Das dabei erzeugte elektrische Feld E1 entspricht der zugeführten Leistung nach der Beziehung Wurzel aus P. In Abb. 4 wurde die Leistung P auf zwei Antennen geteilt, d. h. A = P/2, B = P/ 2, wobei zwischen den Antennensignalen eine Phasenverschiebung von 90° erzwungen wurde. Wenn wir annehmen, daß beide Antennen dei gleiche, ausschließlich reelle Impedanz = 1 haben, dann beträgt das elektrische Feld: EA = EB = Wurzel aus (P/2) = E1 /Wurzel aus 2 = 0,707E1

Wenn man in Abb. 4 auf der rechten Seite mit einer vertikalen Antenne, deren gleiche, ausschließlich reelle Impedanz ebenfalls 1 beträgt, die Signale von den zwei Antennen A und B empfängt, summieren sich die elektrischen Feldstärken und ergeben eine Amplitude von E1/Wurzel aus 2 + E, /Wurzel aus 2 = 1,414E1.

Der Gewinn beträgt somit G = 20×log 1,414E1/E1 = 3 dB.

Wird der Gewinn der Antennengruppe mit zwei Elementen von Abb. 4 für mehrere Winkel ermittelt und in ein Kreisdiagramm eingetragen, so entsteht ein horizontales Richtdiagramm, wie in Abb. 6 dargestellt.

Fig 6
Abb. 6: Die klassische phasengespeiste Gruppe vertikaler Antennen mit zwei Elementen mit einem Abstand der Elemente von 0,25 Lamda und einer Elementenspeisung von A=0,5P/øA=0°, B=0,5P/øB=90° erreicht einen Gewinn von +3 dB. Viel wichtiger als der Gewinn ist die Unterdrückung der von rückwärts ankommenden Signale. Von besonderem Vorteil ist die flache Abstrahlung.

Einfluß der Änderung der Parameter auf das horizontale Richtdiagramm

Bei dem praktischen Bau einer Antennengruppe kann es 'vorkommen, daß nicht alle elektrischen Parameter (Leistungsteilung, Phasenverschiebung) genau eingehalten werden können. Es ist von Interesse zu wissen, welchen Einfluß die Ungenauigkeit auf das horizontale Richtdiagramm haben kann.

Fig 7
Abb. 7: Die Ungenauigkeit des Phasenabgleichs von 10 Prozent bewirkt eine merkliche Verschlechterung des Vorwärts-Rückwärts-Verhältnisses. (Abstand der Elemente 0,25 Lambda, Elementenspeisung: A =0,5P/øA=0°,B=0,5P/øB=-81°)

Auf Abb. 7 ist ein horizontales Richtdiagramm einer Antennengruppe mit zwei Elementen dargestellt, bei der die Phasenverschiebung nicht 90°, sondern nur 81° beträgt. Wie man sieht, reagiert das Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis darauf empfindlicher als der Gewinn. Die Ungenauigkeit bei der Leistungsteilung ist dagegen nicht kritisch (Abb. 8).

Fig 8
Abb. 8: Die Ungenauigkeit des Amplitudenabgleichs von 10 Prozent ist nicht kritisch. (Abstand der Elemente 0,25 Lambda, Elementenspeisung A = 0,525P / øA = 0°, B = 0,475P / øB = -90°)

Mehrbandbetrieb

Ist mit einer Antennengruppe mit zwei Elementen auch ein Mehrbandbetrieb möglich?

Auf dem niederfrequenten Band erscheint der Abstand der Antennen kleiner. Bei einer Halbierung der Betriebsfrequenz halbiert sich der elektrische Abstand der Antennen von 0,25 Lambda auf 0,125 Lambda. Wenn auch die Phasenverschiebung auf 45° halbiert wird, erhält man ein horizontales Richtdiagramm wie auf Abb. 9 dargestellt. Bei diesen Verhältnissen bleibt wenigstens der Gewinn von 3 dB erhalten, aber das Vorwärts/Rückwärts-Verhältnis beträgt lediglich 3 dB.

Fig 9
Abb. 9: Beim Betrieb auf dem niederfrequenten Band (Abstand der Elemente von 0,125 Lambda) kann das zweite Element mit halbierter Phasenverschiebung gespeist werden (A=0,5P/øA=0°,B=0,5P/øB = -45°). Der Gewinn bleibt mit +3 dB erhalten, aber das Vorwärts/ Rückwärts-Verhältnis wird auf 3 dB reduziert.

Das Vorwärts/Rückwärts-Verhältnis läßt sich wesentlich verbessern, wenn die Phasenverschiebung -135° beträgt. Dies geht allerdings auf Kosten des Gewinns, der auf 0 dB zurückgeht (Abb. 10).

Fig 10
Abb. 10: Auf dem niederfrequenten Band ist ein gutes Vorwärts/Rückwärts-Verhältnis - allerdings auf Kosten des Gewinns - durch die Wahl der Phasenverschiebung von -135° zu erreichen. (A = 0,5 P/øA = 0°, B = 0,5 P/øB = 135°, Abstand der Elemente 0,125 Lamda)

Die Wahl der Phasenverschiebung kann leicht auch ungünstig ausfallen. Durch die Wahl der Phasenverschiebung von 180° würde sich beispielsweise der Gewinn auf -5,3 dB reduzieren (Abb. 11).

Fig 11
Abb. 11 Auf dem niederfrequenten Band läßt sich zwar auch ein gutes Vorwärts/Seitwärts-Verhältnis erreichen, aber die Reduzierung des Gewinns auf -5,3 dB erscheint nicht mehr hinnehmbar. (Abstand der Elemente 0,125 Lambda, A = 0,5P / øA = 0°, B = 0,5P / øB = -180°)

Auf dem höherfrequenteren Band (Verdopplung der Betriebsfrequenz) erscheint der Abstand der Elemente 0,5 Lambda. Bei der Wahl der Phasenverschiebung für den maximalen Gewinn entsteht für die Antennengruppe ein bidirektionales horizontales Richtdiagramm, das sich jedoch um 90° verdrehen läßt (Abb. 12 und 13).

Fig 12
Abb. 12: Beim Betrieb auf dem höherfrequenteren Band (Elementen-abstand 0,5 Lambda) und einer Phasendifferenz von 180° erhält man einen bidirektionalen Gewinn von +3 dB und ein gutes Vorwärts/Seitwärts-Verhältnis. (A = 0,5P / øA = 0°, B = 0,5P / øB = -180°)

Fig 13
Abb. 13: Beim Betrieb auf dem höherfrequenteren Band (Elementen-abstand 0,5 Lambda) läßt sich das Horizontaldiagramm durch die Wahl einer geeigneten Phasenspeisung (A = 0,5P / øA = 0°, B = 0,5P / øB = 0°) um 90° elektrisch verdrehen.

DK5OS, Dr.-Ing. Rudolf Kalocay.