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Antennennotizbuch 1

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Unter dieser Überschrift sollen in Zukunft kurze Beiträge mit Ideen und Hinweisen zur Antennentechnik veröffentlicht werden. Dieser Artikel beschäftigt sich mit zwei Themen: Zusammenhang zwischen Antennengewinn und Öffnungswinkel der Strahlkeulen, und mit dem optimalen Stockungsabstand. Abschließend wird noch eine Möglichkeit der wellenwiderstandsrichtigen Zusammenschaltung von Gruppen besprochen.

1. Antennengewinn und Öffnungswinkel

Der Gewinn einer Antenne oder einer Antennengruppe ist von der Apertur oder Wirkfläche abhängig. Er läßt sich aus den Öffnungswinkeln der horizontalen und vertikalen Strahlkeulen errechnen. Diesen Zusammenhang zeigt das Nomogramm (1) in Bild 1. Das Nomogramm gibt den reinen Antennengewinn ohne Berücksichtigung von Verlusten in der Anpassung oder im Kabel an; der tatsächliche Antennengewinn wird deshalb etwas kleiner sein.

Bild 1
Bild 1: Antennengewinn in Abhängigkeit vom Öffnungswinkel der Strahlkeulen

Bei dieser Gelegenheit noch ein Wort zum Gewinn von Yagi-Antennen: Während bisher der Maximalwert des Gewinns direkt von der Länge der Antenne (nicht von der Elemente-Zahl!) abhing, ist dieser Zusammenhang nun nicht mehr so zwingend, nachdem alle Antennenparameter mit hilfe von Datenverarbeitungsanlagen optimiert werden können. Damit ist es möglich geworden, die Antennenlänge ohne Gewinn-Einbuße zu verringern.

2. Stockungsabstand

Ein anderer Weg den Antennengewinn zu erhöhen, besteht im Zusammenschliessen mehrerer gleicher Antennen, die vertikal oder horizontal oder in beiden Richtungen gestockt sind. Theoretisch ergibt jede Verdopplung einen Mehrgewinn von 3 dB, wenn der optimale Stockungsabstand eingehalten wird. Unglücklicherweise entstehen bei jedem Zusammenschalten von mehreren Antennen jedoch Nebenzipfel im Diagramm. Es muß deshalb ein Kompromiß zwischen minimalen Nebenzipfeln bei reduziertem Gewinn und optimalem Gewinn bei Hinnahme deutlicher Nebenzipfel gefunden werden.

Nach Angaben in (2) wird der maximale Gewinn dann erzielt, wenn die Nebenzipfel etwa 10 dB schwächer sind als die Hauptkeule. Nachdem der Gewinn von Antennen in Amateurfunk-Anwendungen meist wichtiger ist als ein sauberes Antennen-Diagramm, wird hier eine Darstellung gezeigt, aus welcher der optimale Stockungsabstand direkt abzulesen ist, wenn der Strahl-Öffnungswinkel für die betreffende Ebene bekannt ist. Bild 2 zeigt ein Diagramm für den Stockungsabstand von zwei identischen Antennengebilden, während Bild 3 in einem ähnlichen Diagramm die Abstände beim Aufstocken von vier gleichen Antennen in einer Ebene angibt.

Bild 2
Bild 2: optimaler Stockungsabstand bei zwei gleichen Antennen

Bild 3
Bild 3: optimaler Stockungsabstand bei 4 gleichen Antennen in 1 Ebene

2.1. Anpassung von gestockten Antennen

Unter der Voraussetzung, daß jede der zwei aufgestockten Antennen einen eigenen Balun-Transformator besitzt und somit niederohmig koaxial zu speisen ist, dürfte die folgende Methode des Zusammenschaltens am einfachsten sein:

Jede Antenne erhält eine koaxiale Speiseleitung gleicher Länge (Vielfache von λ/2, Verkürzungsfaktor berücksichtigen!). Diese beiden Speiseleitungen werden parallelgeschaltet und die resultierende Impedanz von Z/2 wird durch einen λ/4-Transformator auf den gewünschten Wert gebracht. Die erforderliche Impedanz ZT des λ/4-Transformators läßt sich aus der folgenden Formel berechnen:

ZT = √Z1 × Z2

In unserem Fall ist Z1 die Impedanz der parallelgeschalteten Speiseleitungen, Z2 die Impedanz der gemeinsamen Speiseleitung zur Funkstation.

Bei vier oder mehr Antennen ist es erfahrungsgemäß am günstigsten, je zwei Einzelantennen zusammenzuschalten und diese Untergruppen wieder in Gruppen zu je zwei zu verbinden. Dabei wird bei jeder Zusammenschaltung durch einen λ/4-Transformator wieder auf den Wellenwiderstand des Kabels transformiert. Die Hauptschwierigkeit ist das Beschaffen oder Herstellen der benötigten λ/4-Transformatoren mit der passenden Impedanz. Die meisten Antennenhersteller bieten allerdings auch die benötigten Aufstock-Kabel an. Ansonsten läßt sich jede benötigte Impedanz aus Metallrohren herstellen.

Wenn Antennen und Kabel mit 50 Ω Wellenwiderstand verwendet werden, gibt es eine Möglichkeit, alle Transformationen mit λ/4-Transformatoren aus Kabel mit einem Wellenwiderstand von 70 oder 75 Ω auszuführen:

Die einzelnen Antennen-Speisekabel werden vor dem Zusammenschalten mit je einem λ/4-Transformator aus solchem Kabel (70 bis 75 Ω) versehen; damit erhält man für jedes Speisekabel eine Impedanz von rund 100 Ω, was nach dem Parallelschalten wieder 50 Ω ergibt. Der Vorzug dieser Methode ist, daß 75-Ω-Kabel leicht zu beschaffen ist.

In diesem Artikel wurde gezeigt, wie Antennen übereinander und nebeneinander aufgestockt werden können, so daß maximaler Gewinn erzielt wird. Ein späterer Artikel wird eine der einfachsten Möglichkeiten beschreiben, zwei Antennen in Form einer Skelettschlitz-Anordnung aufzustocken. Weiterhin werden Informationen gegeben werden, wie Antennen aufzustocken sind, wenn maximale Richtwirkung oder ein unendliches Vor-zu-ruck-Verhältnis erzielt werden soll.

3. Literatur

  1. Karl Rothammel: Antennenbuch, 4. Auflage, S. 61 Telekosmos-Verlag Stuttgart
  2. ARRL Antennabook, Edition 12, S. 163 - 164

DJ0BQ, Terry Bittan.