Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Rohrstrahler als Erreger einer Parabolantenne für das 13-cm-Band
Nach einem Vortrag auf der UKW-Tagung 1975 in Weinheim
1. Problemstellung
Ein Parabolreflektor sollte mit einem Rundhohlleiter ausgeleuchtet werden; zur Speisung des Rundhohlleiters (Rohr) mit einem Koaxialkabel mußte ein Koaxial-Hohlleiter-Übergang dimensioniert werden. Ein Literaturstudium - hauptsächlich amerikanische Amateurliteratur (1 bis 6) - ergab, daß solche Anordnungen zwar gebaut und eingesetzt werden, doch eindeutige, allgemeingültige Dimensionierungsangaben ließen sich nicht entnehmen.
Es wurde deshalb zuerst eine Grundlagenuntersuchung durchgeführt, mit dem Ziel, die Strahlungsgeometrie von Parabolantennen und geeigneten Speisesystemen herauszufinden. Daran schloß sich die praktische Dimensionierung eines Rohrstrahlers für das 13-cm-Band an; er wurde für einen bei Robert Lentz, DL3WR, vorhandenen Parabolreflektor von 120 cm Durchmesser bei F/D = 0,375 ausgelegt.
Die durch Messungen untermauerten Ergebnisse lassen sich für alle üblichen Parabolantennen und Mikrowellen-Amateurbänder umrechnen. Damit sollte es in Zukunft möglich sein, Parabolreflektoren für Amateurzwecke bei verhältnismäßig geringem mechanischen Aufwand optimal auszuleuchten.
2. Strahlungsgeometrie
2.1. Parabolreflektoren
Der Strahlungskeulen-Öffnungswinkel oder Fokuswinkel eines Parabolreflektors hängt vom Verhältnis F/D ab. Bild 1 zeigt diesen Zusammenhang, wobei F die Brennweite des Parabols, und D der Durchmesser seiner Öffnung (Apertur) ist. Der Fokuswinkel ist hier 2φ, weil φ von der Symmetrieachse nach einer Seite gemessen wird. Wenn die Brennweite F nicht bekannt ist, kann man sie aus dem Durchmesser D und der Tiefe d nach der folgenden Formel 1 errechnen:
Die Skizze in Bild 1 macht deutlich, wo diese Werte gemessen werden.
Bild 1: Fokuswinkel von Parabolantennen in Abhängigkeit von F/D
Aus den Abmessungen des Parabolreflektors von DL3WR ergibt sich, daß der Fokuswinkel 135° beträgt. Dieser Winkel soll von der Erregerantenne möglichst vollständig ausgeleuchtet werden. Der 10-dB-Öffnungswinkel (nicht wie sonst üblich der 3-dB-Öffnungswinkel !) der Primär- oder Erregerantenne soll also für das gewählte Beispiel gerade 135° betragen. Ist er kleiner, so wird der Parabolreflektor nicht bis zum Rand ausgeleuchtet, der Wirkungsgrad und damit der Antennengewinn wird geringer; ist dagegen der Öffnungswinkel des Erregers größer, so strahlt er über den Parabolreflektor hinaus, das Vor-Rück-Verhältnis wird schlecht, und der Antennengewinn wird ebenfalls geringer. Einen optimalen Kompromiß zwischen Antennengewinn und sauberem Diagramm erhält man also, wenn der 10-dB-Öffnungswinkel des Erregers so groß wie der Fokuswinkel 2 φ des Reflektors ist. Unter dieser Voraussetzung gelten normalerweise die Formeln für den Gewinn einer Parabolantenne.
Als Erreger von Parabolantennen findet man häufig einen Dipol mit Reflektor. Bei dieser Anordnung läßt sich die geforderte Anpassung des 10-dB-Öffnungswinkels an den auszuleuchtenden Parabolreflektor nicht so gut durchführen wie bei Flächenstrahlem(8). Deswegen sollte hier ein Hohlleiterstrahler (Hornantenne) eingesetzt werden, bei dem der Öffnungswinkel recht einfach durch die Größe der Öffnungsfläche (Apertur) eingestellt werden kann.
2.2. Hornstrahler
Bild 2 zeigt die 10-dB-Keulenbreite eines sogenannten Hornstrahlers in Abhängigkeit von seiner Öffnungsfläche, der sogenannten Apertur. Man sieht, daß mit größer werdender Apertur der Öffnungswinkel der Strahlungskeule immer kleiner wird. Dieses Diagramm, das zum Beispiel in (7) zu finden ist, gilt für runden (A = Durchmesser) und quadratischen (A = Kantenlänge) Querschnitt. Für die Parabolantenne mit 135° Fokuswinkel ist ein Hornstrahler mit ebenfalls 135° Keulenbreite, also mit A/λ von etwa 0,63 erforderlich. Die unterschiedlichen Werte für H- und E-Ebene, die auch in (8) erwähnt wurden, interessieren hier nicht. Mit λ = 130 mm ergibt sich A = 0,63 × 130 =82 mm.
Bild 2: 10-dB-Öfnungswinkel 2 φ von Hornstrahlern
3. Der Rohrstrahler
Aus konstruktiven Gründen, und weil sich Rohre leichter beschaffen lassen als rechteckige Profile, soll hier ein Rundhohlleiter als sogenannter Rohrstrahler eingesetzt werden. Messingrohre mit einer Durchmesserstufung von 5 mm sind allgemein erhältlich. Aus dem vorhergehenden Abschnitt ergab sich eine erforderliche Öffnung von etwa 82 mm Durchmesser. Nun muß der Rundhohlleiter dimensioniert werden.
3.1. Durchmesser eines Rundhohlleiters
Ohne näher auf die theoretischen Zusammenhänge im Hohlleiter einzugehen, sei hier der zulässige Durchmesser eines Rundhohlleiters angegeben, der im einmodigen Arbeitsbereich betrieben werden soll, und zwar in dem Bereich, der zwischen den Grenzwellenlängen der H11- und der E01-Welle liegt. Formel 2 zeigt den Durchmesserbereich hierfür, und zwar gilt die erste Zahl im Nenner für die H11-Welle, die zweite Zahl für die E01-Welle.
Für λ = 130 mm (f = 2,31 GHz) ergibt sich, daß der Durchmesser, in dem nur die H11-Welle möglich ist, zwischen 76 und 99 mm liegen darf.
Wegen der höher werdenden Dämpfung in der Nähe der Grenzwellenlänge sollte man den Durchmesser des Hohlleiters möglichst groß wählen, ohne in den Bereich der nächsthöheren Schwingungsform, hier die E01-Welle, zu geraten. Für das 13-cm-Band wurde deshalb ein Durchmesser von 88 mm (Außendurchmesser 90 mm, Wanddicke 1 mm) gewählt. Die H11-Grenzwellenlänge beträgt dann 151 mm, entsprechend 1,99 GHz.
3.2. Hohlleiter-Wellenlänge
Die Wellenlänge in einem Hohlleiter ist nicht identisch mit der Freiraum-Wellenlänge einer Hochfrequenzschwingung. Die Hohlleiter-Wellenlänge AH ist größer als die Freiraum-Wellenlänge ; Formel 3 zeigt, wie beide zusammenhängen:
Darin ist λg die Grenzwellenlänge des betrachteten Wellentyps.
Aus Formel 2 erhielten wir 151 mm als Grenzwellenlänge für die H11-Welle; mit dem gewählten Durchmesser des Rohres von 88 mm errechnet sich eine Betriebs-Hohlleiter-Wellenlänge von 258 mm (Freiraum-Wellenlänge: 130 mm). Diesen Wert benötigen wir später für die Bemessung der Länge des Rohrstrahlers.
3.3. Ausführung des Rohrstrahlers
Abschnitt 2.2. ergab, daß der Hornstrahler eine Apertur von 82 mm haben muß; nach Abschnitt 3.1. ist ein Hohlleiter-Durchmesser von 88 mm günstig. Ein Durchmesser von 88 mm befindet sich im zulässigen Bereich zwischen 76 und 99 mm, und eine hornartige Öffnung des Strahlers ist nicht mehr erforderlich. Aus diesem Grund hat der Strahler den Namen Rohrstrahler bekommen.
Ein offener Punkt war die zu wählende Länge des Strahlers, da hierüber nur widersprüchliche Angaben in der Literatur zu finden waren. Die geforderte Länge reichte von 2 λ bis zu wesentlich kürzeren Werten, so daß die optimale Länge offensichtlich durch Messungen ermittelt werden mußte. Als Ausgangspunkt wurde die Länge 2 λ genommen, was einer Gesamtlänge von 260 mm entspricht. Wie die in Abschnitt 4. erläuterten Messungen zeigen, ist die optimale Länge λ/2, und zwar bezogen auf die Hohlleiter-Wellenlänge AH. Dies ergibt für das 13-cm-Band eine mechanische Länge von 129 mm.
Bild 3 zeigt die Abmessungen des ausgeführten Rohrstrahlers. Hier ist auch der Übergang von Koaxialkabel (N-Connector) auf den Hohlleiter zu erkennen. Man kann ihn als eine Art Vertikalantenne (Groundplane) ansehen, doch ist die Länge erheblich kürzer als λ/4. Der Abstand zur geschlossenen Rückwand des Rohrstrahlers und die Länge der "Vertikalantenne" sind einstellbar. Die eingetragenen Maße erwiesen sich bei den nun beschriebenen Messungen als optimal für das 13-cm-Band.
Bild 3: Abmessungen eines Rohrstrahlers für das 13-cm-Amateurband
4. Messungen
Als wesentliche Eigenschaften des Rohrstrahlers sollten die Anpassung an die Koaxialleitung, und zum anderen das räumliche Strahlungsdiagramm untersucht werden. Das Diagramm soll ja der Forderung möglichst nahe kommen, den Parabolreflektor so auszuleuchten, daß am Rand der 10-dB-Leistungsabfall auftritt. Diese Messungen wurden mit dem Amplitudenreflektions-Meßplatz HP 8755 durchgeführt, der einen Wellenwiderstand von 50 Ohm hat. Er gestattet gleichzeitig die Durchlaßdämpfung und den Reflexionsfaktor zu messen. Der Reflexionsfaktor konnte direkt gemessen werden, während als Durchlaßdämpfung hier die Dämpfung vom Rohrstrahler bis zu einem in einigen Metern Entfernung aufgestellten Hilfsdipol gemessen wurde. Bei konstantem Abstand zwischen beiden Antennen läßt sich das Strahlungsdiagramm durch Drehen des Rohrstrahlers um seine Achsen als Dämpfung in Abhängigkeit von den verschiedenen Winkeln ablesen.
4.1. Anpassung
Bild 4 zeigt ein Diagramm des Reflexionsfaktors über den Frequenzbereich von 2 GHz bis 2,5 GHz; der Amateurfrequenzbereich ist 2,3 bis 2,35 MHz. Der Meßbereich für den Reflexionsfaktor - auch Rücklaufdämpfung genannt - betrug 0 bis 40 dB, was den VSWRWerten, die an der rechten Seite aufgetragen sind, entspricht. Der Bezugs-Wellenwiderstand ist 50 Ohm.
Bild 4: Anpassung eines Rohrstrahlers nach Bild 3 zwischen 2,0 und 2,5 GHz
Durch Verschieben der "Vertikalantenne" zur Rohrstrahler-Rückwand hin, und durch Verändern der Länge mit Hilfe der Schraube am Ende des Einkoppelstiftes wurde versucht, im Amateurband ein möglichst geringes VSWR zu erreichen. Interessanterweise zeigte sich, daß zwar bei 2,3 GHz eine hohe Rücklaufdämpfung erreichbar war, die sich durch die genannten Maßnahmen in der Frequenz etwas verschieben ließ, doch zeigte sich gleichzeitig bei 2,08 GHz eine Spitze in der Rückflußdämpfung, die sich durch Abgleicharbeiten nicht in der Frequenzlage beeinflussen ließ. Eine Rechnung ergab, daß diese Anpassungsspitze durch die Länge des Rohrstrahlers selbst verursacht wurde. Denn bei der Frequenz 2,08 MHz entspricht die Länge von 260 mm gerade einer Hohlleiterwellenlänge von λ/2. Diese Bemessung zeigt offenbar einen natürlichen Anpassungsfall des Rohrstrahlers an den umgebenden Raum und sollte deswegen näher untersucht werden.
Zu diesem Zweck wurde die Länge des Rohrstrahlers neu berechnet und zwar so, daß sie bei der Frequenz des Amateurbandes gerade λ/2, bezogen auf die Hohlleiterwellenlänge, betrug. Dies ergibt eine mechanische Länge von 129 mm. Mit dieser neuen Länge wurde die nächste Messung durchgeführt und sie ergab das erwartete Ergebnis. Eine Anpassungsspitze lag tatsächlich bei 2,3 GHz und ließ sich durch Abgleichmaßnahmen nicht beeinflussen, während eine weitere Spitze durch die Koaxialeinkopplung beeinflußbar war. Durch Kombination dieser beiden Anpaßpunkte ließ sich eine Art Bandfiltercharakteristik einstellen, so daß nun die Anpassung über einen wesentlich breiteren Frequenzbereich gute Werte erreichte als bei 260 mm Rohrstrahlerlänge. Die Rücklaufdämpfung betrug im gesamten Amateurband etwa 32 dB, was einem VSWR von 1,05 entspricht (Bild 4). Dies ist ein sehr guter Wert, wenn man bedenkt, daß die Impedanz von Koaxialkabeln auch etwa eine Toleranz von 5 % hat, und damit in der gleichen Größenordnung liegt.
Die beschriebenen Anpassungsmessungen wurden in einem größeren Wohnraum vorgenommen, wo der Strahler ohne Behinderung durch ein Fenster oder gegen die etwa 2 m höhere Decke strahlte. Um zu untersuchen wie sich ein Parabolreflektor eventuell auf die Anpassung auswirken könnte, wurde eine Blechplatte von etwa 1 m2 oberhalb der Strahleröffnung auf den Strahler zu bewegt. Dabei zeigte sich, daß geringe Schwankungen der Rückflußdämpfung auftraten, die immer stärker wurden, je näher das Blech der Öffnung des Rohrstrahlers kam. Bis zu einer Entfernung von etwa 40 cm blieben diese Schwankungen um 30 dB herum, mit minimal 25 dB. Dies entspricht einem VSWR von etwa 1,1, was immer noch ein recht guter Wert ist, der mit Amateurmitteln kaum vernünftig nachmeßbar wäre. Wer jedoch die Meßmittel besitzt, um die komplette Antenne einschließlich Parabolspiegel durchmessen zu können, kann durch leichtes Verschieben der koaxialen Einkopplung auch hier noch eine bessere Anpassung erreichen und so den alten Abgleichzustand wieder herstellen.
4.2. Strahlungsdiagramm
Die zweite Aufgabe, nämlich die Ausmessung des Strahlungsdiagramms des Rohrstrahlers konnte nicht im Wohnraum durchgeführt werden, da Reflexionen das Strahlungsdiagramm stark verzerrten, wie ein Versuch zeigte. Andererseits würde eine sehr geringe Entfernung zwischen Rohrstrahler und Hilfsdipol unter Umständen zu Nahfeld-Effekten führen. Die Messungen wurden daher in den Garten verlegt.
Der Meßdipol wurde in einer Entfernung von ca. 4 bis 5 m auf ein Gestell gebaut und mit dem Meßplatz die Dämpfung zwischen Rohrstrahler und Meßdipol gemessen. Dabei wurde der Rohrstrahler um seine vertikale Achse gedreht. Eine zweite Meßreihe bei um 90° gedrehter Polarisationsebene und wiederum Drehung um die Vertikalebene um 360° ergab das Vertikaldiagramm.
Ibie Auswertung dieser Messungen ist in Bild 5 dargestellt, und zeigt bei 10 dB Abfall von der Richtung maximaler Strahlung einen Winkel von etwa 80°. Dies entspricht einer Keulen-breite von insgesamt 160°, also etwas mehr als der für den Spiegel erforderliche Idealwert von 135°. Bei 135° beträgt der Pegelabfall erst 9 dB, was aber tolerierbar ist. Dabei ist zu bedenken, daß diese Messung des Strahlungsdiagramms nicht mit höchster Präzision erfolgt ist, weil dazu der Meßaufbau doch zu einfach ausgefallen war und aus Zeitmangel nicht aufwendiger gestaltet werden konnte.
Bild 5: Strahlungsdiagramm (E-Ebene) des Rohrstrahlers nach Bild 3
Es hat sich bei allen Messungen gezeigt, daß man ohne Wobbelsender wesentlich mehr Zeit benötigt hätte, um diese Ergebnisse zu erzielen; eine Messung nur im Amateurband hätte nicht dazu geführt, die Resonanzstelle bei 2,08 MHz zu entdecken, und somit die Ursache für Schwierigkeiten bei der Anpassung zu beseitigen.
1,2-m-Parabol mit Rohrstrahler für das 13-cm-Band (GDipol ca. 24 - 25 dB)
5. Literatur
- Peterson, K.: Practical gear for amateur microwave communication QST 47 (1963), Heft 6, Seite 17 - 20
- Vilardi, D.: Easily-constructed antennas for 1296 MHz, QST 53 (1969), Heft 6, Setie 47 - 49
- Foot, N.: WA9HUV 12-foot dish for 432 and 1296 MHz, QST 55 (1971), Heft 6, Seite 100 - 101
- Knadle, R.: A twelve-foot stressed parabolic dish, QST 56 (1972), Heft 8, Seite 16 - 22
- Simple and efficient feed for parabolic antennas, QST 57 (1973), Heft 3, Seite 42 - 44
- Kolbly, R.: Simple microwave antenna, ham radio 2 (1969), Heft 11, Seite 52- 53
- Reference Data for Radio Engineers 5. Ausgabe, Seite 25 - 37
- Berner, H.: Wesentliche Eigenschaften und Besonderheiten von Antennen im GHz-Bereich, UKW-Berichte 15 (1975), Heft 4, Seite 194 - 205
DJ1SL, Hans-Jürgen Griem.