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Zirkular-Polarisation im 2-meter-Band

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Eine theoretische Betrachtung der Zirkular-Polarisation wird in (1) behandelt. Dort wird als Beispiel eine ausgeführte Wendelantenne für das 24-cm-Band beschrieben. Der folgende Artikel soll über Erfahrungen berichten, die mit Zirkular-Polarisation beim Funkbetrieb im 2-m-Band über längere Zeit gewonnen wurden. Dabei sind einige überraschende Resultate erreicht worden. Außerdem werden Konstruktions-Einzelheiten einer Doppel- 5-Kreuzyagi für das 2-m-Band angegeben.

Bild 1
Bild 1: Fotografie einer Doppel -10- Kreuzyagi-Antenne

1. Vorteile und Grenzen der Zirkular-Polarisation

Vor Beginn der Experimente mit Zirkular-Polarisation untersuchte der Verfasser die Polarisationsrichtung der an seinem Standort einfallenden Wellen. Dabei befand sich die Antenne auf dem Dach eines Hauses auf einem Hügel, der auf einer Seite von etwa 200 m höheren Bergen, auf der anderen Seite von etwa 10 bis 20 m höheren Bäumen umgeben ist. Die Beobachtungen zeigten, daß nur sehr wenige der empfangenen Signale mit ihrer ursprünglichen Polarisationsrichtung ankamen. Keine Polarisationsdrehung erfuhren praktisch nur Signale von echten Sichtverbindungen oder mit nur ganz geringer Beugung. Bei den meisten Signalen wurde eine schräg liegende lineare Polarisation festgestellt, wobei sich manchmal die Richtung langsam änderte. Der sich ändernde Winkel ist sicher auf unstabile Reflektionsbedingungen zurückzuführen, da bei festen Reflektionsflächen immer eine stabile Polarisationsrichtung festgestellt wurde.

Eine zirkular polarisierte Antenne hat gegenüber einer vergleichbaren linear polarisierten Antenne 3 dB weniger Gewinn, wenn ein linear polarisiertes Signal mit für die linear polarisierte Antenne korrekter Richtung empfangen wird. Dieser 3-dB-Verlust der zirkular polarisierten Antenne dürfte sich jedoch in der Praxis kaum auswirken, da linear polarisierte Wellen - zumindest in ungünstigen Lagen wie beim Verfasser - nur selten genau horizontal bzw. vertikal ankommen. Für schräg einfallende Wellen fällt der Gewinn linear polarisierter Antennen sehr schnell ab, wogegen eine zirkular polarisierte Antenne jede lineare Polarisationsrichtung mit gleichem Gewinn aufnimmt. Bei einer Polarisationsdrehung um 90 Grad, bei der das Signal theoretisch vollständig ausgelöscht sein sollte, in der Praxis aber wegen Unvollkommenheiten "nur" etwa 20 dB gedämpft ist, bringt die Verwendung einer zirkular polarisierten Antenne einen Gewinn von rund 17 dB. Zwischen den beiden Extremwerten + 17 dB und - 3 dB liegt die zirkular polarisierte Antenne gegenüber einer entsprechenden linear polarisierten Antenne. Dabei tritt der Verlust von 3 dB nur dann auf, wenn das Signal ungebeugt und unreflektiert ankommt, was im allgemeinen mit hoher Feldstärke gleichzusetzen ist, so daß der Verlust keine Rolle spielt.

Im Fall unstabiler Reflektionsverhältnisse, wenn sich also die Polarisationsrichtung mehr oder weniger schnell ändert, tritt bei Empfang mit linear polarisierten Antennen Schwund auf. Das Signal wird am besten empfangen, wenn die Polarisationsrichtungen übereinstimmen und fällt bis um etwa 20 dB ab, wenn die Drehung 90 Grad beträgt. Die gleiche Erscheinung tritt bei Empfang von Satelliten-Signalen auf. Satelliten tragen meist linear polarisierte Antennen (OSCAR 6); ihr Signal wird durch Drehung des Satelliten im Raum und durch die ionisierten Schichten über der Erde ständig gedreht. Die daraus resultierenden Schwund-Erscheinungen können durch Verwenden einer zirkular polarisierten Antenne vollständig beseitigt werden.

Eine Antenne für Zirkular- Polarisation besitzt außer den vorausgehend behandelten theoretischen Vorzügen noch weitere Vorteile:

Mit zirkularer Polarisation wurden ferne Täler und anderweitig abgeschirmte Gebiete erreicht, mit denen bei linearer Polarisation keine Funkverbindung möglich war. Offenbar ist die Zirkular- Polarisation bei den hier auftretenden Mehrfachreflektionen günstiger als Linear-Polarisation.

Eine weitere, sehr beachtliche Verbesserung tritt bei Funkverbindungen mit Mobilstationen auf. Da die Fahrzeugantenne selten freie "Sicht" hat, sind praktisch immer Reflektionen im Spiel, wobei sich die Verhältnisse während der Fahrt ständig ändern. Dadurch treten dauernde, Änderungen von Amplitude, Phase und Polarisationsrichtung auf, was Schwunderscheinungen zur Folge hat. Sie sind besonders bei vertikalen Mobilantennen ausgeprägt, da die meisten Hindernisse vertikale Kanten besitzen. Hinzu kommt, daß sich die viel benutzten 5/8 λ-Antennen in Abhängigkeit vom Fahrtwind verbiegen und so von sich aus schon keine eindeutige Polarisationsrichtung ergeben.

Bei vielen Gelegenheiten war es dem Verfasser möglich, Mobilstationen mit Hilfe einer Kreuzyagi-Antenne über größere Entfernungen per Funk zu begleiten als es über die Relaisfunkstelle möglich gewesen wäre. Der größere Teil des Flatter-Fadings verschwindet bei Einsatz einer zirkular polarisierten Antenne, da er durch Änderungen der Polarisationsrichtung verursacht wird., Das verbleibende Fading ist auf Hindernisse im Ausbreitungsweg zurückzuführen.

Bei einer Messung durch einen dichten Mischwald von etwa 4 km Länge wurde vertikale Polarisation um beinahe 40 dB, horizontale um 12 dB und zirkulare um nur etwa 3 dB gedämpft. Dem entspricht die Erfahrung, daß die Vorteile durch Zirkular-Polarisation umso größer sind, je schlechter die UKW-Lage ist.

Aus diesen Beobachtungen folgt, daß zirkular polarisierte Antennen für Relaisfunkstellen sehr vorteilhaft sein würden. Ihre Verwendung bietet den zusätzlichen Vorteil einer größeren Isolation zwischen Sende- und Empfangsantenne, indem eine rechts-, die andere linksherum zirkular polarisiert geschaltet wird. Bei Funkbetrieb mit einer Gegenstelle, die lineare Polarisation anwendet, spielt die Drehrichtung der zirkular polarisierten Welle keine Rolle.

2. Praktische Antenne

Es bestehen zwei hauptsächlich angewandte Methoden zur Speisung eines Kreuzdipols oder Kreuzyagis für Zirkular- Polarisation.

2.1. Kreuzyagi-Antenne für das 2-meter-Band

Am einfachsten ist es, zwei Yagi-Antennen um 90 Grad gegeneinander verdreht auf einen gemeinsamen Träger zu montieren und sie über eine elektrisch 1/4 λ lange Leitung miteinander zu verbinden. Eine solche Anordnung zeigt Bild 2. Sie besteht aus zwei identischen Antennen, wobei eine zerlegt wird und ihre Elemente auf den Träger der anderen Antenne montiert werden. Die zusammengehörenden Elemente sollten so dicht wie möglich beieinander sein. Bild 2 enthält die Maße einer solchen Kreuzyagi-Antenne für das 2-m-Band, die der Verfasser "G3JVQTwister" nennt.

Bild 2
Bild 2: Einzelheiten der Doppel -5- Element-Kreuzyagi "G3JVQ-Twister"

2.1.1. Phasenleitung

Jede der beiden Yagi-Antennen sollte zunächst mit Hilfe eines Balun-Transformators an die Speiseleitung angepaßt werden. Die 90-Grad-Phasenschiebung bewirkt eine 1/4 λ lange Koaxialleitung. Bei ihrer Dimensionierung muß der Verkürzungsfaktor V des Kabel-Dielektrikums berücksichtigt werden: die Länge 1 der Phasenleitung ist:

Eq 1

Der Verkürzungsfaktor für Kabel mit Voll-Dielektrikum ist ungefähr 0,66 und etwa 0,85 für Kabel mit Schaum-Dielektrikum. Somit ist die Länge 1 für das 2-m-Band:

1 = 51 75 cm x 0 66 = 34,15 cm (für Voll-Dielektrikum)
1 = 51,75 cm x 0,85 = 43,98 cm (für Schaum-Dielektrikum)

Die Phasenleitung verbindet die beiden Speise-Dipole miteinander. Die Drehrichtung der zirkular polarisierten Welle hängt davon ab, welche Antenne vom Speisekabel und welche über die X/4-Leitung gespeist wird. Dies bedeutet, daß durch ein Koaxialrelais an der Antenne zwischen rechtsdrehender und linksdrehender Polarisation umgeschaltet werden kann. Die Umschaltung kann auch in der Funkstation erfolgen, wenn beide Antennen des Kreuzyagis eine eigene Speiseleitung bis zur Station erhalten.

Da beide Antennen durch die Phasenleitung parallel geschaltet sind, tritt am Anschlußpunkt der Speiseleitung die halbe Fußpunkt-Impedanz der Einzelantenne auf. Wenn die Anschluß-Impedanz jeder Antenne mit Balun 75 Ω ist, treten nach der Zusammenschaltung 37 Ω auf. Dieser Wert wird durch einen λ/4-Transformator auf den Impedanzwert des Speisekabels transformiert. Die Impedanz ZT der Transformationsleitung ist aus ZA (zusammengeschaltete Antennen) und ZK (Speisekabel) zu errechnen:

Eq 2

Da die genauen Impedanzwerte dieser Leitung nur mit Werkzeugmaschinen zu realisieren sind, genügt es zu wissen, daß eine brauchbare Anpassung an ein Speisekabel mit 60 Ω bis 75 Ω erzielt ist, wenn das Transformationsglied aus Kabel mit einem Wellenwiderstand zwischen 48 Ω und 52 Ω hergestellt wird. Bild 2 zeigt dieses Transformationsglied, die Baluns und ihre Zusammenschaltung.

2.2. Alternativemethode

Nach einem anderen Prinzip erreicht die Antenne mit der Bezeichnung MOON-BOUNCER der englischen Firma J-BEAM Zirkular-Polarisation. Bild 1 zeigt diese Antenne in einer Fotografie. Bei dieser Antenne wird die 90-Grad-Phasenschiebung nicht mit einer λ/4-Leitung wie in Abschnitt 2.1.1. beschrieben erreicht, sondern dadurch, daß die beiden Antennen in Längsrichtung um λ/4 gegeneinander versetzt sind. Damit wird Zirkular-Polarisation dann erreicht, wenn beide Speiseleitungen gleich lang sind. Und zwar erhält man eine Drehung im Uhrzeigersinn, wenn beide Speisekabel parallelgeschaltet und durch ein λ/4-Transformationsglied nach Abschnitt 2.1.1. wieder auf etwa 60 Ω gebracht werden.

Ein solcher Kreuzyagi läßt sich sehr vielseitig einsetzen, wenn beide Speisekabel (von gleicher Länge) bis zur Funkstation führen. Die Polarisations-Drehrichtung kann dannumgekehrtwerden, wenn eine λ/2-Leitung nach Bild 3 zwischengeschaltet wird.

Bild 3
Bild 3: Umschaltung des MOONBOUNCERS auf rechtsdrehende oder linksdrehende Zirkular-Polarisation

Bild 4
Bild 4: Umschaltung des MOONBOUNCERS auf 4 verschiedene Polarisationsarten

Die Umschaltmöglichkeiten lassen sich noch entsprechend Bild 4 erweitern:

Position 1: Lineare Polarisation, vertikal
Position 2: Lineare Polarisation, horizontal
Position 3: Zirkulare Polarisation, im Uhrzeigersinn
Position 4: Zirkulare Polarisation, im Gegenuhrzeigersinn

Inzwischen ist allerdings bekannt geworden, daß die neuesten Ausführungen der MOONBOUNCER (Doppel-Sechs, - Acht und - Zehn- Element- Kreuzyagis ) nicht mehr in der beschriebenen Art gebaut sind, sondern die in Abschnitt 2.1.1. erwähnte Methode verwenden. Da diese käuflichen Antennen mit Baluns und Phasenleitung geliefert werden, entfällt die Herstellung der Speisung nach Bild 2 durch den Anwender.

2.3. Konstruktions-Einzelheiten

Die folgenden Abschnitte beschreiben eine Doppel-5-Element-Kreuzyagi-Antenne für das 2-m-Band mit Einzelheiten über Balun, Phasenleitung und Anpaß-Transformationsglied. Die angegebenen Maße gelten für Element-Durchmesser zwischen 6 mm und 9 mm. Alle Maße sind in Bild 2 dargestellt. Da diese Antenne für Zirkularpolarisation ausgelegt ist, sollte sie so am Mast montiert werden, daß ihre Elemente um 45 Grad gegen die Vertikale bzw. Horizontale gedreht sind. In dieser Lage ist der Einfluß des Antennenmastes vernachlässigbar gering. Dies ist wichtig, wenn die Antenne nicht auf der Mastspitze montiert wird oder wenn mehrere solche Antennen übereinander angeordnet werden. Die Elemente sind mit geeigneten Schrauben am Tragrohr zu befestigen; die Tragrohr-Mast-Verbindung geschieht am besten mit der Klemme von einer Fernseh-Antenne.

2.4. Leistung der Antenne

Nachdem die Tragrohrlänge der Antenne mit 140 cm knapp unter 3/4 λ liegt, kann ein Antennengewinn von 8 dB bis 8,5 dB erwartet werden. Dieser Gewinn wurde in der Praxis ungefähr bestätigt. Der horizontale und vertikale Strahlkeulen-Öffnungswinkel (-3 dB) beträgt ungefähr 60 Grad.

3. Eine Version für das 70-cm-Band

Bei einer Abwandlung dieser Antenne für das 70-cm-Band ergeben sich einige Schwierigkeiten: Ein dickes Tragrohr stellt bereits einen beträchtlichen Teil der Wellenlänge dar, so daß die Tatsache nicht mehr länger vernachlässigt werden kann, daß die beiden Antennen nicht im gleichen Zentrum befestigt sind. Deshalb muß entweder ein dünnes Tragrohr benutzt werden, oder die Elemente sind in Bohrungen einzubauen. Beides zieht einen Neuabgleich der Elementlängen nach sich. Andererseits könnte ein Tragrohr aus Epoxyd-Hartglasgewebe oder aus PVC benutzt werden. Falls Interesse besteht, ist der Verfasser bereit, beim Bau einer solchen Antenne behilflich zu sein.

4. Literatur

  1. Dr. Ing. A. Hock: Zirkular-Polarisation, UKW-Berichte 12 (1972) H. 3, S. 181 - 186

DJ0BQ/G3JVQ, T. Bittan.