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1. Erhahrungen mit Zirkularer Polarisation
Die Grundlagen über Zirkular-Polarisation sind in (1) und (2) zu finden. Inzwischen ist das Interesse an dieser Polarisationsart stark gewachsen, nachdem Versuche von verschiedenen Amateurstationen die Überlegenheit der Zirkular-Polarisation bei bestimmten Voraussetzungen bestätigen.
Für das 2-m-Band hat man gefunden, daß zwischen Funkstationen in guter Lage bis zu einer Entfernung von ungefähr 200 km keine merklichen Änderungen eintreten, wenn die empfangende Station von linearer auf zirkulare Polarisation umschaltet. Bei größeren Entfernungen jedoch zeigte sich eine wachsende Verbesserung, wenn das linear abgestrahlte Signal mit einer zirkular polarisierten Antenne empfangen wurde. Die Feldstärke-Erhöhung machte verschiedentlich mehr als 10 dB aus. Bei Stationen in ungünstiger Lage trat dieser Effekt schon bei wesentlich geringeren Entfernungen ein - im Extremfall schon bei lokalen Verbindungen.
Die beschriebene Feldstärke- Erhöhung bei zirkularer Polarisation gegenüber linearer Polarisation hat man nicht einem erhöhten Antennengewinn zu verdanken; der Antennengewinn ist ein Meßwert, der im Nahfeld gewonnen wird, da er anders nicht reproduzierbar ist (dies wird vor allem bei Kurzwellen-Antennen häufig mißachtet! ). Vielmehr ist die Feldstärke-Erhöhung als verringerte Ausbreitungsdämpfung zu werten, weil Zirkular-Polarisation bei Brechung und Beugung - die bei den oben genannten Voraussetzungen stets im Spiel sind - weniger gedämpft wird als lineare Polarisation.
2. Zirkular-Polarisation im Uhrzeiger- oder im Gegenuhrzeiger-Sinn?
Solange die Gegenstation linear polarisierte Antennen benutzt, ist es ohne Bedeutung, welchen Drehsinn die Zirkular-Polarisation hat. Verwenden jedoch beide Stationen zirkular polarisierte Antennen - was zunehmend häufiger der Fall sein wird - so muß ein Standard-Drehsinn vereinbart werden. Da alle professionellen Funkstationen rechts- (also im Uhrzeigersinn) drehende Zirkular-Polarisation benutzen, schlägt der Verfasser vor, diesen Standard für den Amateurfunk - und zwar für alle VHF-, UHF- und SHF-Bänder - zu übernehmen.
Bei der Definition des Drehsinns wird die Antenne im Sendebetrieb von hinten betrachtet. Eine rechtsdrehend abstrahlende Wendel- oder Kreuzyagi-Antenne nimmt im Empfangsfall ebenfalls rechtsdrehende Zirkular-Polarisation, aber in umgekehrter Ausbreitungsrichtung auf, wozu wiederum eine rechtsdrehend abstrahlende Antenne der Gegenstation gehört. Als Hilfsvorstellung kann eine Schraube mit Rechtsgewinde als Antenne und eine sich drehende Mutter als Wellenfront dienen. Ein Kreuzdipol allein strahlt nach vorn rechtsdrehend, nach hinten linksdrehend ab.
3. Anschliessen von Kreuzyagi-Antennen
Damit rechtsdrehende Zirkular- Polarisation entsteht, montiert man die Kreuzyagi-Antenne so am Mast, wie Bild 1 zeigt. Diejenigen Dipolenden, an welche die Kabelseelen angeschlossen werden sollen, werden als "heiße" Enden bezeichnet und zeigen nach oben. Die Seele des kürzeren Endes A der Phasenleitung wird nun an die nach links oben ragende Dipolhälfte A angeschlossen und das durch die λ/4-Leitung verlängerte Ende B an die nach rechts oben zeigende Dipolhälfte B. So entsteht Zirkular-Polarisation im Uhrzeigersinn nach der oben angegebenen Definition. Für die MOONBOUNCER-Kreuzyagiantennen der Firma J-BEAM (ab August 1973) läßt sich das noch einfacher beschreiben: Der kürzere Arm der Phasenleitung ist an den vorderen, der längere Arm an den hinteren Dipol anzuschließen.
Bild 1: Anschließen der Phasenleitung an die beiden Speisedipole eines Kreuzyagis für rechtsdrehende Z.-Polarisation
Wenn die Kreuzyagi-Antenne ausschließlich mit Zirkular-Polarisation verwendet werden soll, schließt man die Phasenleitung unmittelbar an die Antennen an und führt nur eine Speiseleitung zur Funkstation. Soll die Antenne auf andere Polarisationsarten umschaltbar sein, so führt man zwei exakt gleichlange Kabel zur Station, markiert sich, welches Kabel mit der Dipolhälfte A verbunden ist und nimmt die Zusammenschaltung wie beschrieben vor.
4. Umschalten der Polarisationsart bei Kreuzyagi-Antennen
Es gibt eine Reihe von Gründen, warum man seine Kreuzyagi- Antenne mit einer Umschaltmöglichkeit der Polarisationsrichtung versehen sollte. Zum einen wird aus einer ursprünglich rechtsdrehenden Zirkular- Polarisation eine linksdrehende, wenn das Signal wie an einem Spiegel total reflektiert wird (Bergwände, Mond). Zum anderen empfängt man linksdrehende Polarisation, wenn die normal rechtsdrehend abstrahlende Antenne der Gegenstation in die entgegengesetzte Richtung gedreht ist. Diese Erscheinungen werden bei dem kommenden Amateur-Satellit OSCAR 7 besonders deutlich auftreten. Seine verkantet montierten Kreuzdipol-Antennen für die Bänder 2 m und 70 cm werden je nach Lage im Raum und Richtung zur Bodenstation rechtsdrehende, linksdrehende und elliptische Polarisation erzeugen beziehungsweise bevorzugen.
4.1. Einfache Umschalt-Einheit für rechts- und linksdrehende Polarisation
Bild 2 zeigt das Schaltbild einer einfachen Umschalt-Einheit. Wenn die zugehörige Phasenleitung mit einer der MOONBOUNCER-Antennen verwendet wird, ist der längere Teil an den hinteren Dipol des Kreuzyagis anzuschließen. Um linksdrehende Zirkular-Polarisation zu erhalten, ist es nur erforderlich, den kürzeren Teil der Phasenleitung (zum vorderen Dipol) mit einem elektrisch X/2 langen Koaxialkabel zu verlängern. Für rechtsdrehende Polarisation braucht dieses Kabelstück nur durch Relais Rel 1 kurzgeschlossen zu werden.
Bild 2: Umschalteinheit für rechtsdrehende und linksdrehende Zirkular-Polarisation
Rel 1 geschlossen: rechtsdrehend
Rel 1 geöffnet: linksdrehend
4.2. Umschalt-Einheit für vier Polarisationsarten
Wenn die Kreuzyagi-Antenne für horizontale, vertikale und zirkulare Polarisation in beiden Richtungen verwendet werden soll, läßt sich die Umschaltung nach Bild 3 durchführen.
Bild 3: Umschalteinheit für alle vier Polarisationen
Horizontal: alle Relais in Ruhestellung (gezeichnet)
Vertikal: Relais Rel 3 erregt
Rechtsdrehend: Relais Rel 1 und Rel 4 erregt
Linksdrehend: Relais Rel 1, Rel 4 und Rel 2 erregt
* Länge von Relais und Verbindung von der Phasenleitung abziehen
Für horizontale Polarisation sind alle Relais in Ruhestellung (gezeichnet). Für vertikale Polarisation muß Relais 3 erregt werden.
Vorausgesetzt, die Yagis sind so montiert, daß der hintere gespeiste Dipol in der horizontalen Ebene liegt, dann erhält man rechtsdrehend zirkulare Polarisation, durch Erregen der Relais 1 und 4.
Für linksdrehende Zirkular-Polarisation muß Relais 2 zusätzlich anziehen.
4.3. Benötigte Relais und Kabel
Voraussetzung für die Funktion ist, daß beide Antennenspeisekabel bis zum Anschluß der Relais la und lb elektrisch exakt gleich lang sind. Um diese Forderung zu erfüllen, sollten die Kabel nicht nur vom gleichen Typ, sondern möglichst auch von der gleichen Rolle sein.
Als nächstes müssen die Relais Rel 1 in Bild 2 und Rel 2 in Bild 3 in die Rechnung zur mechanischen Länge der elektrisch λ/4 bzw. λ/2 langen Phasenleitungen einbezogen werden. Denn jede Phasenschiebung über die notwendigen 90° bzw. 180° hinaus verschlechtert die Rundheit der Polarisation. Dies macht sich durch Einbrüche im Zirkular-Diagramm bemerkbar. Wie dieser Punkt zu überprüfen ist, beschreibt Abschnitt 5.
Mit Ausnahme der (mitgelieferten) Phasenleitung selbst und des zusätzlichen λ/2-Kabels, ist die Länge der weiteren Kabel unkritisch und ihr Wellenwiderstand sollte gleich dem Fußpunktwiderstand der Antenne sein. Die mechanische Länge des λ/2-Kabels in Bild 2 und Bild 3 kann nach der folgenden Formel berechnet werden:
lmech = λ/2 × VF
Darin ist VF der vom Dielektrikum abhängende Verkürzungsfaktor. Er beträgt für Kabel mit Voll-Dielektrikum 0,66 und bei Schaum-Polyäthylen 0,85. Damit erhält man für 145 MHz eine mechanische Länge von 68,4 cm bzw. 88,0 cm.
Relais Rel1 ist ein Typ mit zwei koaxialen Umschaltkontakten; stattdessen lassen sich auch zwei normale Relais verwenden, die gleichzeitig erregt werden. Die anderen drei Relais sind normale Ausführungen mit einem koaxialen Umschaltkontakt. Alle Relais sollten die maximale Sendeleistung aushalten können.
4.4. Änderungsmöglichkeiten
Die beschriebene Umschalteinheit läßt sich ebenso für Gruppen von KreuzyagiAntennen verwenden. Dazu schaltet man alle vertikalen und alle horizontalen Antennen in der üblichen Weise über geeignete Aufstockleitungen zusammen und schließt dann die Umschalteinheit über zwei gleichlange Kabel an die zusammengeführten Antennenkabel an. Die Umschaltung geht dann genauso wie bei einer einzelnen Kreuzyagi vor sich.
Wenn zwei gleichlange Speisekabel in die Funkstation geführt werden, ist es möglich, statt der Relais Koaxialschalter zur Polarisationsumschaltung zu verwenden. Hierdurch können die Kosten beträchtlich verringert werden.
5. Überprüfen der Rundheit von Zirkularer Polarisation
Exakt kreisrunde Zirkular- Polarisation wird genau genommen nur selten erreicht. Fehler können zum Beispiel durch kleine Veränderungen des Verkürzungsfaktors wegen Inhomogenitäten des Phasenkabels auftreten. Weiterhin stimmt die Länge der Phasenleitung nur für die der Rechnung zugrunde gelegte Frequenz genau; bei abweichenden Frequenzen treten Fehler auf, die mit wachsendem Abstand von der Mittenfrequenz ansteigen. Bei dem von J-BEAM mitgelieferten Phasenkabel ist der gegenseitige Abstand der beiden gespeisten Dipole auf dem Tragrohr bei der Berechnung der Leitungslänge berücksichtigt. Damit stimmt die Phasendrehung genau, wenn die Antenne wie vorgesehen für rechtsdrehende Polarisation geschaltet wird. In Rückwärtsrichtung weist das Polardiagramm merkliche Fehler auf, weil sich zwei Phasendrehungen in der falschen Richtung auswirken; der Abstand der gespeisten Dipole und die Kompensation der Phasenleitung hierfür. Sie zusammen ergeben für die Rückwärtsrichtung einen Phasenfehler von rund 18 °. In etwa gleicher Größe tritt eine Abweichung vom Sollwert auf, wenn die Phasenleitung andersherum angeschlossen wird, so daß linksdrehende Zirkular-Polarisationresultiert. Diese Zahlenwerte gelten nur für die MOONBOUNCER-Antennen, da sie vom Abstand der Dipole auf dem Boom und von der Kompensation durch Ändern der Kabellänge - soweit eine Kompensation überhaupt durchgeführt wurde - abhängen.
Zum Überprüfen der Zirkular-Polarisation auf ihre Rundheit verwendet man einen Empfänger mit S-Meter oder ein gutes Feldstärke-Meßgerät und einen Dipol oder Faltdipol. Der Dipol muß sich innerhalb der Hauptstrahlungskeule der zu überprüfenden Antenne befinden und mehrere Wellenlängen vom Boden und von Hindernissen entfernt sein. Er wird dann langsam um eine Achse gedreht, die der Verlängerung des Antennen-Tragrohrs entspricht. Wenn die angezeigte Feldstärke dabei nicht gleich bleibt, so ist auf Phasenfehler zu schließen. Fehler zeigen sich üblicherweise in einer Position des Dipols, die diagonal zu den Ebenen der beiden Antennen des Kreuzyagis liegt. Maximale Abweichung tritt bei einem Phasenfehler von 180° auf; man stellt dann eine lineare Polarisation in diagonaler Lage fest, mit einem Feldstärkeabfall von 15 - 25 dB in der anderen Diagonale. Der Verfasser führt zur Zeit Versuche durch um herauszufinden, wie man von der Lage und Tiefe der festgestellten Feldstärkeänderungen auf den Phasenfehler selbst schließen kann.
Abschließend sei noch einmal daran erinnert, daß Kreuzyagi-Antennen zweckmäßigerweise in diagonaler Richtung der Dipole montiert werden sollten, wenn sie ausschließlich für zirkulare Polarisation vorgesehen sind. Wenn dagegen auch horizontale und vor allem vertikale Polarisation benutzt wird, so sollte die Antenne an einem Maststück aus Epoxi-Glasfaser-Rohr montiert werden. PVC-Rohr ist für diese Anwendung meist nicht fest genug.
6. Literatur
- Dr. Ing. A. Hock: Zirkular-Polarisation UKW-Berichte 12 (1972) H. 3, S. 181 - 186
- T. Bittan: Zirkular-Polarisation im 2-m-Band UKW-Berichte 13 (1973) H. 3, S. 148 - 153
DJ0BQ/G3JVQ, T. Bittan.