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DJ0BQ, Terry Bitten.
Im ersten Teil dieses Artikels (Heft 4/1975 der UKW-Berichte) wurden die Vor- und Nachteile der bekannten Mobilantennenformen einander gegenübergestellt. Der vorliegende zweite Teil beschreibt nun eine zirkular-polarisierte Rundstrahlantenne für den Mobilbetrieb.
5. Entwicklung einer Zirkular-Polarisierten Mobilantenne
Die Anforderungen an eine solche Antenne, wie Rundstrahlcharakteristik in allen Polarisationsebenen und Aufnahme aller Polarisationswinkel, erwiesen sich in der Praxis als schwer erfüllbar. Mehrere verschiedene Anordnungen wurden probiert, bevor brauchbare Antennen gefunden wurden. Bild 9 zeigt die erste Gruppe von Antennen, die befriedigende Ergebnisse zeigten. Sie sind ähnlich denen an OSCAR 7 benutzten Antennen.
Bild 9: Verschiedene aus Winkeldipolen bestehende Antennen
Alle drei Antennen bestehen aus je zwei Winkeldipolen, die um 90° zueinander versetzt angeordnet sind, und die mit 90° Phasenverschiebung gespeist werden. Zur Anpassung der beiden Winkeldipole an das Speisekabel gibt es zwei Methoden: Erstens Verwendung einer Gamma-Anpassung an jedem der beiden Dipole und Zusammenschaltung über ein 90°-Phasenkabel; zweitens direktes Speisen der beiden Dipole mit entsprechendem Kabel, das Anpassung und Phasenverschiebung herstellt. Vor allem für Mobilbetrieb zieht der Verfasser die zweite Methode vor, um Verschmutzungs- und Kontaktproblemen bei offenen Klemmverbindungen aus dem Weg zu gehen.
Da für die phasenrichtige Anpassung von zwei Winkeldipolen mit jeweils etwa 30 bis 40 Ω in der Mitte kein Kabel mit einem Wellenwiderstand unter 50 Ω zur Verfügung stand, verwendete der Verfasser die in Bild 10 gezeigte Anordnung. Die Winkeldipole sind mit zwei parallel geschalteten 75-Ω-Kabeln mit einer elektrischen Länge von λ/4 (mechanisch λ/4 x Verkürzungsfaktor) verbunden. Die Verbindungsleitung hat somit einen passenden Wellenwiderstand von 75 Ω/2 = 38 Ω.
Bild 10: Phasenkabel zum Verbinden zweler Winkeldipole
Die resultierende Anschluß-Impedanz der miteinander verbundenen Winkeldipole beträgt 38 Ω/2 = 19 Ω. Dies kann durch einen λ/4-Transformator mit 30 Ω Wellenwiderstand an ein 50-Ω-Kabel angepaßt werden. Das 30-Ω-Stück läßt sich durch Parallelschalten von zwei λ/4 langen 60-Ω-Kabelstücken realisieren.
Diese Antennen erfüllten zwar die Anforderungen, und ihre Vorteile kamen bei Nicht-Sichtverbindungen auch zur Geltung; ihr "Gewinn" von -6 dB bei Sichtverbindung (-3 dB für Rundstrahlcharakteristik und weitere -3 dB für Zirkular-Polarisation) war jedoch unbefriedigend.
Da im Mobilfunk hauptsächlich vertikale Polarisation benutzt wird, und da gestreckte Vertikalantennen (Stabantennen) Rundstrahlcharakteristik bieten, wurde entschieden, für die Vertikalebene statt des Winkeldipols eine solche Stabantenne zu verwenden. Für die Horizontalebene entschied sich der Verfasser für eine Halo-Antenne anstelle des Winkeldipols, da die Halo die bessere Rundstrahlcharakteristik aufweist. Die Stabantenne wurde als Koaxial-Antenne ausgeführt, weil sich diese Antennenform leicht an einem Schihalter oder ähnlichem befestigen läßt und so keinen extra Mast erfordert.
6. Herstellung
6.1. Das Vertikal-Element
Das Vertikal-Element (Bild 11) kann aus Aluminium- oder anderem Metall-Rohr hergestellt werden. Der Verfasser verwendet für den unteren Teil der Koaxial-Antenne Aluminiumrohr von 25,4 mm (1 Zoll) Außendurchmesser. Wegen der Nähe des Koaxialkabels und der Befestigungsstruktur ist ein Verkürzungsfaktor von 0,95 einzurechnen, so daß sich als Länge λ/4 x 0,95 = 49,4 cm ergibt. Der obere Teil ist wegen des Verkürzungsfaktors von 0,97 etwas länger: λ/4 x 0,97 = 50,45 cm. Der Verfasser verwendete die Stahlrute und die Befestigung einer JAYBEAM TA 4 Mobilantenne als Oberteil und Verbindungsstück; doch lassen sich auch dünnes Rohr und Zweikomponenten-Kleber einsetzen.
Bild 11: Abmessungen und Aufbau des vertikalen Elements
6.2. Das Horizontal-Element
Als Horizontal-Element wurde ein gewöhnlicher quadratischer Halo wie zum Beispiel der JAYBEAM-Typ HM/2 m eingesetzt. Dieser verwendet Gamma-Anpassung und ist so preiswert, daß ein Selbstbau aus Aluminium- oder Messing-Rohr kaum lohnt. Bild 12 zeigt die Abmessungen und eine Skizze.
Bild 12: Abmessungen und Aufbau des horizontalen Elements
6.3. Zusammenbau der beiden Einzelantennen
Die Halo-Antenne wird entsprechend Bild 13 am kalten oberen Ende des unteren Teils der Vertikalantenne befestigt. Da die JAYBEAM-Halo HM/2m für die Befestigung an Masten bis maximal 25,4 mm Durchmesser konstruiert ist, braucht nur knapp unter dem Kunststoffteil der Koaxial-Antenne ein Loch für die Befestigungsschraube gebohrt zu werden. Die kombinierte Antenne läßt sich mit Hilfe einer Schelle am Schihalter, am Dachgepäckträger oder an einem Mast befestigen.
Bild 13: Befestigung des horizontalen am vertikalen Element
6.4. Elektrische Verbindung
Es gibt mehrere Möglichkeiten die beiden Antennen zu verbinden. In dieser Artikelserie wurden schon mehrere Zusammenschalt-Vorschlage für Kreuzyagi-Antennen gebracht, die alle für diese Antenne verwendet werden können. Selbst das Umschaltsystem für sechs Polarisationen ließe sich hier einsetzen. Da eine Polarisationsumschaltung im Mobilbetrieb jedoch sinnlos ist, wird eine Anordnung nach Bild 14 vorgeschlagen.
Bild 14: Phasenkabel zur Verbindung des vertikalen und horizontalen Elements
Die Phasenkabel können im unteren Teil der Koaxial-Antenne untergebracht werden, so daß nur das Speisekabel die Antenne verläßt. Sollte das Rohr zu dünn dafür sein, so kann die Verbindung nach Bild 15 ausgeführt werden. In diesem Fall sind die beiden Antennen zuerst mit einem elektrisch λ/4 langen 50-Ω-Kabel verbunden, und die resultierende Speisepunkt-Impedanz von 25 Ω wird über ein λ/4-Transformationsstück mit zwei parallelen 75-Ω-Kabeln (RG-59U) ungefähr auf den erwünschten Wert van 50 Ω transformiert.
Bild 15: Alternative Methode zum Verbinden der beiden Elemente
Die endgültige Antennenversion des Verfassers arbeitet mit einer 3λ/4 Phasendifferenz zwischen den beiden Ebenen, um den Diversity-Effekt zu vergrößern. Vergleiche zeigten, daß diese Antenne den herkömmlichen 5λ/8 und λ/4-Stabantennen weit überlegen ist. Bei Funkverbindungen mit zirkular polarisierten Stationen jedoch ist Überlegung angebracht: Die Polarisation des Mobilsignals ändert sich ständig, je nach dem ob sich das Fahrzeug der anderen Station nähert oder sich von ihr entfernt, und je nach dem ob keine, nur eine oder zwei Reflexionen stattfinden. In einem solchen Fall empfiehlt es sich, die Zirkular-Polarisation nur auf einer Seite einzusetzen statt auf beiden.
Die beschriebene Antenne wäre auch für den Einsatz in Feststationen günstig, vor allem als Empfangsantenne in Relaisstellen. Der Verfasser plant weitere Versuche in Richtung auf eine ähnliche Antennenanordnung für Feststationen, die gleiche Eigenschaften, aber höheren Gewinn besitzt.
7. Phasenverschobene Speisung von zwei Vertikalantennen
Zusammen mit den Untersuchungen an der zirkular polarisierten Mobilantenne wurden auch Versuche durchgeführt um einen Diversity-Effekt zu erzielen. Dadurch sollen die starken Feldstärke-Schwankungen vermieden werden, die beim Empfang von Signalen mit abwechselnd richtiger und falscher Phasenlage bei Mehrwege-Ausbreitung auftreten. Es zeigte sich, daß die beschriebene zirkular-polarisierte Mobilantenne in dieser Hinsicht günstige Eigenschaften aufweist. Einige interessante Resultate, die für Mobil- und Feststationsbetrieb anwendbar sind, sollen aber noch im einzelnen besprochen werden.
Zwei oder mehr phasenverschoben gespeiste Antennen weisen im Sendebetrieb stets eine bestimmte Richtcharakteristik auf, die sich durch Ändern der Phasenverhältnisse beeinflussen läßt. Das Wort "Sendebetrieb" ist hervorgehoben, weil sich gezeigt hat, daß im Empfangsbetrieb abweichende Charakteristiken auftreten. Die Richtcharakteristik des Sendebetriebs ist nur dann auch bei Empfang vorhanden, wenn die beteiligten Antennen eine Wellenfront mit gleicher Phasenlage empfangen. Wenn im Extremfall nur eine Antenne ein Signal empfängt, weil in der anderen Antenne ein Mehrwegesignal gerade ausgelöscht wird, so zeigt sich tatsächlich ein Rundstrahl-Diagramm. Aus der unendlichen Zahl von Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Abstände und Phasenwinkel sollen im Folgenden einige mit sinnvollen Eigenschaften ausgewählt werden. Das Ziel ist, zweiseitige Richtcharakteristiken zu erzielen, die zwischen Abstrahlung in Längs- oder Querrichtung umgeschaltet werden können.
Die besten Richtdiagramme wurden mit Antennenabständen von 0,375 λ, 0,5 λ und 0,625 λ erzielt, weshalb nur diese Abstände weiter betrachtet werden. Da ausschließlich Längs- oder Querabstrahlung gefordert ist, kommen nur 0° und 180° als Phasenunterschied bei der Speisung der beiden Antennen in Frage. Die hierfür erforderlichen Phasenkabel zeigen die Bilder 16 und 17. Sie können für alle Abstände verwendet werden. Bild 18 zeigt eine Phasenkabel-Anordnung, die ein Umschalten der Strahlrichtung ermöglicht. Das extra λ/2-Kabel ist ohne Einfluß wenn 0° Phasendifferenz eingeschaltet ist, weil es den Leerlauf des einen Endes an das andere Ende transformiert.
Bild 16: Phasenkabel zum Erzielen einer Querabstrahlung
Bild 17: Phasenkabel zum Erzielen einer Längsabstrahlung
Bild 18: Umschaltbares Phasenkabel für beide Abstrahlrichtungen
Bild 19: Richtdiagramme für verschiedene Abstände bel Phasendifferenz von 0 und 180°
7.1. Die erzielten Richtdiagramme
Bild 19 zeigt die mit dem Phasenkabel nach Bild 18 erzielten Richtdiagramme für die drei erwähnten Abstände. Das günstigste Diagrammpaar erhält man, wenn die beiden Rundstrahl-antennen einen Abstand von 0,5 λ haben. Der reduzierte Öffnungswinkel der Strahlkeule bedeutet einen Gewinn von rund 3 dB gegenüber einer einzelnen Rundstrahlantenne.
Damit kann man für tragbaren, Mobil- oder Feststationsbetrieb einen wirksamen Richtstrahler aufbauen, der ohne mechanische Drehung einen Gewinn von 3 dB (bei zwei λ/4-Antennen), 6 dB (bei zwei 5λ/8-Antennen) oder von 8 dB (bei zwei aufgestockten 5λ/8-Antennen) aufweist.
Im übrigen ist es auch möglich, zwei der beschriebenen zirkular-polarisierten Mobilantennen in einer derartigen Phasenanordnung zu verwenden.
8. Literatur
- Rothammel, K.: Antennenbuch, Telekosmos-Verlag Stuttgart 1973, 4. Auflage
- Bittan, T.: Antennen-Notizbuch 3; Weitere Überlegungen zur Zirkular-Polarisation, UKW-Berichte 15 (1975) Heft 2, Seite 83 - 87
- Schutz, J.: Improving the Performance of Trap Vertical Antennas, 73 Magazine, June 1970, Seite 52 - 54