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1. Einführung und allgemeine Dimensionierungs-Angabeb
Auszugsweise und überarbeitete Übersetzung aus (1). Reprinted with permission from the May, 1976, issue of HAM RADIO, copyright 1976 by Communications Technology, Inc.
Die Elemente von Yagi-Antennen können verschiedene äußere Formen annehmen: die gebräuchlichste ist die lineare Form, also mit den gewohnten geraden Elementen; dann gibt es den quadratischen Ring (Quad Loop), der zur Quad-Antenne führt, den dreieckigen Ring oder Delta-Loop, und schließlich noch den kreisförmigen Ring. Yagis mit ringförmigen Elementen von normalerweise einer Wellenlänge Umfang werden Loop-Yagis genannt. Die deutsche Bezeichnung dafür wäre 'Ring-Yagi"; wir wollen jedoch bei der internationalen Bezeichnung "Loop-Yagi" bleiben.
Seit Jahren besteht eine Kontroverse zwischen Verfechtern des "konventionellen" linearen Yagis und des Loop-Yagis. Veröffentlichungen mit praxisbezogenen Daten(2),(3) und technischen Vergleichen zwischen den beiden Yagi-Arten haben die Kontroverse noch angeheizt. Normalerweise wird jedoch die Wahl nach Gesichtspunkten wie mechanische Fertigungsmöglichkeiten, Aussehen der Antenne, oder einfach nach den Kosten getroffen. In diesem Artikel soll die Aufmerksamkeit auf eine neuere Arbeit(4) über eine detaillierte Dimensionierungsmethode für Loop-Yagis mit optimiertem Gewinn gelenkt werden.
Die Autoren beschreiben eine recht einfache Dimensionierungs-Prozedur. Sie benutzen gleichbleibende Elementabstände und gleiche Element-Durchmesser. Der Abstand des Reflektors könnte etwas größer gemacht werden (5), um das Vor/Rück-Verhältnis zu verbessern.
Bild 1: Eine Loop-Yagi-Antenne nach (4), mit Loop-Dicke 2a, Loop-Durchmesser 2b, Loop-Abstand d, und Antennenlänge L
Anhand der in Bild 1 gezeigten allgemeinen Form der Loop-Yagi-Antenne geht man nach folgendem Dimensionierungsverfahren vor:
Der Parameter von dem man ausgeht, ist üblicherweise der Antennengewinn oder die Antennenlänge. Die Kurven in Bild 2 (nach 4) zeigen Bandbreite und Gewinn (in dBd) in Abhängigkeit von der Anennenlänge.
Bild 2: Dimensionierungskurven für Loop-Yagi-Antennen nach (4). Aus dem gewünschten Gewinn ergibt sich die normierte Antennenlänge L/λ. Je nach gewünschter Bandbreite wählt man eine der Kurven d/b. Damit erhält man die restlichen Werte aus Tabelle 1.
Je nach gewünschter Bandbreite wählt man eine der drei d/b-Kurven aus (für den Amateurfunk normalerweise d/b = 1). Danach benutzt man Tabelle 1 (ebenfalls nach 4), welche die Verhältnisse L/λ und b/λ für das gerade gewählte d/b-Verhältnis enthält. Nun errechnet man die Wellenlänge X für die Mitte des gewünschten Bandes:
Mit f in MHz erhält man i, in mm
Mit λ kann man aus dem Tabellenwert b ausrechnen, danach die Dicke des Loop-Materials 2 a, und schließlich den Abstand zwischen den Loops d. Die Anzahl der Elemente (einschließlich Reflektor) erhält man, indem man die ungefähre Antennenlänge durch den Abstand b dividiert.
| d/b = 1 | d/b = 0,5 | d/b = 0,25 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| L/λ | b/λ | L/λ | b/λ | L/λ | b/λ |
| 0,73 - 0,87 | 0,146 | 0,78 - 0,98 | 0,142 | 0,81 - 1,00 | 0,140 |
| 0,88 - 1,44 | 0,145 | 0,99 - 1,45 | 0,140 | 1,01 - 1,40 | 0,138 |
| 1,45 - 2,55 | 0,143 | 1,46 - 1,99 | 0,138 | 1,41 - 1,80 | 0,137 |
| 2,56 - 3,36 | 0,142 | 2,00 - 2,51 | 0,137 | 1,81 - 2,18 | 0,135 |
| 3,37 - 4,03 | 0,140 | 2,52 - 3,28 | 0,135 | 2,19 - 2,55 | 0,135 |
| 3,29 - 3,92 | 0,134 | 2,56 - 3,17 | 0,132 | ||
| 3,18 - 3,65 | 0,131 | ||||
| 3,66 - 3,84 | 0,129 | ||||
Beispiel
Für 1275 MHz beträgt die Wellenlänge 235 mm.
Bei einer Antennenlänge von 3,5 λ beträgt die kleinste Bandbreite rund 10 % oder 130 MHz, und der Gewinn (bezogen auf den Dipol) rund 15 dB.
Mit dem Verhältnis d/b = 1 entnimmt man aus Tabelle 1 bei L = 3,5 λ: b/λ = 0,140.
Nun kann man den Loop-Radius errechnen: b = 0,140 x λ = 32,9 mm
Loop-Durchmesser 2 b = 65,8 mm, und Loop-Umfang U = 2 π b = 206,7 mm
Mit a = 0,01 x b ergibt sich:
Materialdurchmesser oder Dicke 2 a = 0,02 x 32,9 mm = 0,66 mm
Abstände der Loops voneinander: bei d/b = 1 folgt d = b = 32,9 mm
Die Werte zusammengefaßt:
| Frequenz | 1275 MHz |
| Bandbreite | 130 MHz |
| Gewinn | 15 dB |
| Antennenlänge | ca. 85 cm |
| Anzahl der Elemente | 25 |
| Loop-Durchmesser | 65,8 mm |
| Loop-Umfang | 206,7 mm |
| Materialdicke | 0,7 mm |
| Loop-Abstände | 32,9 mm |
1.1. Aufbau-Hinweise
Tabelle 2 enthält die Daten von je einer kleineren und einer größeren Loop-Yagi-Antenne für das 2-m- und das 70-cm-Amateurband. Die Elemente können aus Bandmaterial, Rohren oder Massivstäben hergestellt werden; es muß nur der Durchmesser beziehungsweise die Dicke 2 a eingehalten werden. Das metallische Tragrohr kann durch die Mitte der Loops gehen und diese durch Sterne aus Isoliermaterial halten. Stattdessen können aber die Loops auch im Spannungsminimum (Strombauch) leitend mit dem Tragrohr verbunden werden.
Eine geniale Herstellungsmethode wäre es, die Loops auf Leiterplattenmaterial zu ätzen. Natürlich müßte man den Einfluß des Trägermaterials auf die Resonanzfrequenz bestimmen und berücksichtigen. Verwendet man nun ein Tragrohr aus Isoliermaterial, so können die Elemente einfach mit einem Zweikomponentenkleber befestigt werden. Weitere Informationen über Loop-Yagi-Antennen findet man in (5) und (6).
| Parameter | 2-m-Band | 70-cm-Band | ||
|---|---|---|---|---|
| Gewinn (dB) | > 11 | 15 | > 11 | 14 |
| Loop-Radius (mm) | 288 | 279 | 96 | 95 |
| Loop-Dicke (mm) | 6 | 6 | 2 | 2 |
| Element-Abstand (mm) | 288 | 279 | 96 | 95 |
| Loop-Umfang (cm) | 181 | 179 | 60,4 | 60 |
| Antennenlänge (n) | 1,7 | 4 | 1,7 | 3 |
| Antennenlänge (cm) | 320 | 780 | 105,6 | 201,3 |
| Anzahl der Elemente | 12 | 29 | 12 | 21 |
| Bandbreite (MHz) | 22 | 16 | 65 | 56 |
Bild 3: Eine Loop-Yagi-Antenne für das 23-cm-Band mit 20 dB Gewinn
2. Eine Loop-Yagi-Antenne für das 23-cm-Band nach (7) und (8)
Eine in England seit Jahren bekannte, und in ihrer jetzigen Form sehr erfolgreiche Loop-Yagi-Antenne für das 23-cm-Band zeigt Bild 3. Eine einzelne derartige Antenne soll einen Gewinn von 20 dB aufweisen. Die Konstruktionseinzelheiten in Bild 4 lassen erkennen, daß hier nicht gleichbleibende, sondern gestaffelte Elementabstände benutzt werden, wie sie von Long-Yagi-Antennen (mit gestreckten Elementen) bekannt sind. Außer dem Loop-Reflektor wird noch ein rechteckiger Reflektor aus Metallgitter verwendet. Sehr einfach ist die Befestigung der Elemente: sie werden unmittelbar auf das Tragrohr geschraubt. Geradezu genial erscheint die Realisierung des Symmetriergliedes: Es besteht aus Kupfermantel-Kabel (9) mit einer Impedanz von 50 Ω, und geht nach einer Länge von ungefähr λ/4 durch das Tragrohr. Es ist mit der aufgebohrten Befestigungsschraube des Strahlerloops verlötet, so daß es dort Massepotential hat.
2.1. Einzelheiten für den Aufbau
Der Aufbau dieser Antenne ist einfach, doch müssen die Maße genau eingehalten werden. Kritisch ist die Dicke des Streifenmaterials für die Loops. Es kann dünner als angegeben gemacht werden, mit dickerem Material jedoch geht der Gewinn deutlich zurück.
Nachdem ein Fehler von 2,5 mm etwa 1 % der Wellenlänge oder rund 13 MHz entspricht, ist es empfehlenswert beim Anreißen der Bohrungen des Tragrohres immer von der gleichen Stelle auszugehen. Man trägt also alle Maße zum Beispiel vom Strahler aus auf, so daß eine Summierung von Meßfehlern vermieden wird.
Die Streifen für die Loops (Kupfer für den Strahler, Aluminium für alle anderen Elemente) überlappen sich; die beiden Löcher werden exakt im Abstand des angegebenen Umfangs gebohrt. Erst nach dem Bohren biegt man die Streifen zu Ringen.
Der aus Kupferblech geschnittene Strahlerring hat in der Mitte eine 3,6-mm-Bohrung für das Kupfermantel-Kabel. Oben bleibt der Ring offen; er wird etwas zusammengedrückt, so daß er etwa 6 mm weniger hoch als breit ist. Von diesem Maß, also der Länge des Baluns, hängen Anpassung und Gewinn ab. Man lötet ein Ende des Rings an den Außenleiter, das andere an den Innenleiter des Koaxialkabels. Um den angegebenen Gewinn zu erhalten, ist es erforderlich, das Kabel quer durch das Tragrohr zu führen. Dazu wird eine Schraube in Längsrichtung durchbohrt und das freie Ende des Kupfermantelkabels durchgesteckt. Loop und Kabel werden mit dem Schraubenkopf verlötet, nachdem man die optimale Länge des Baluns nach bester Anpassung und/oder höchstem Gewinn ermittelt hat. Steckt man nun dieses Teil durch das Tragrohr, so steht der zusammengedrückte Strahler-Loop durch den Schraubenkopf etwas höher, und die Mitte des Strahlers ist in etwa auf einer Achse mit den anderen Loops.
Abschließend sollten der kupferne Strahler, alle Schrauben und alle Lötverbindungen durch einen Anstrich mit Polyurethan-Lack geschützt werden. Danach kann die ganze Antenne mit einem gewöhnlichen Lack gestrichen werden.
Bild 4: Konstruktionseinzelheiten der Antenne aus Bild 3. Ausführungen für 432 MHz und für 2304 MHz erhält man durch genaues Umrechnen aller Maße im Verhältnis der Wellenlängen
Bild 5: Ein 50-Ω-Leistungsteller/-Kombinierer zum Zusammenschalten von 2 Antennen
Bild 6: Ein 50-Ω-Leistungsteiler/-Kombinierer zum Zusammenschalten von 4 Antennen
2.2. Aufstocken der 25-Element-Loop-Yagi
Die beschriebene Antenne kann zu zweit über- oder nebeneinander, oder zu viert im Quadrat angeordnet werden. Viele Versuche bei G8DIC und G3JVL(8) haben ergeben, daß 3 λ der optimale Stockungsabstand ist. Für das 23-cm-Band sind das rund 70 cm. Es hat sich gezeigt, daß die Mastrohre dann am wenigsten stören, wenn sie im rechten Winkel zur Polarisationsebene angeordnet sind. Aus diesem Grund sollte die Montagestruktur für eine Viereranordnung nicht Quadratform, sondern H-Form haben.
Zum Zusammenschalten vor 2 Antennen kann der in Bild 5 gezeigte Leistungsteiler/-Kombinierer verwendet werden. Er ist für eine Impedanz von 50 Ω ausgelegt. Die beiden 50-Ω-Antennenkabel können beliebig lang sein, müssen aber die gleiche Länge aufweisen. Das Kabel zum Funkgerät muß ebenfalls 50 Ω Wellenwiderstand haben und kann beliebig lang sein. Einen 4fach-Leistungsteiler/-Kombinierer nach dem gleichen Prinzip zeigt Bild 6. Hiermit können 4 gleiche Antennen auf ein Speisekabel, oder auch vier gleiche Endstufen auf einen Ausgang zusammengeschaltet werden.
2.3. Einsatz bei anderen Frequenzen
Sowohl die in Bild 4 gezeigte Loop-Yagi-Antenne wie auch die Leistungsteiler/-Kombinierer können ebenso für das 70-cm-Band oder das 13-cm-Band gebaut werden. Bei der Antenne müssen alle Maße genau im Verhältnis der Wellenlängen umgerechnet werden; bei den Leistungsteilern/-Kombinierern nur die Länge L. Wie (7) zu entnehmen ist, wurden derartige Umdimensionierungen schon mit Erfolg vorgenommen.
3. Literatur
- Harrison, R.: Loop-Yagi Antennas, HAM RADIO Magazine Mai 1976, Seite 30 - 32
- Berwick, I.: Long Quad-Yagis for 144, 432 and 1296 MHz, AMATEUR RADIO (Journal of the Wireless Institute of Australia), Juni 1967
- Lindsay, J.E.: Quads vs Yagis, QST, Mai 1968 (Auch im ARRL-Antenna Handbook, Ed. 1974)
- Shen, L.C. und Raffoul, G.W.: Optimum Design of Yagi Array of Loops, IEEE Transactions an Antennas and Propagation, Vol. AP-22, Nr.6, Nov. 1974
- Ito, Inagaki und Sekiguchi: An Investigation of the Array of Circular-Loop Antennas, IEEE Transactions an Antennas and Propagation, Vol. AP-19, Nr.4, Juli 1971
- Evans, D., Dr.: A Long Quad Yagi for 1296 MHz, RADIO COMMUNICATION (Journal der RSGB), Januar 1975
- Long Quad-Yagi for 1296 MHz und Power splitters/combiners, VHF/UHF Manual der RSGB, Ausgabe 1976, Seite 8.48 - 8.49
- Evans, D., Dr.: The G3JVL Loop-Yagi, RADIO COMMUNICATION, Juli 1976, Seite 525
- Balun-Transformatoren aus Kupfermantel-Kabel, UKW-Berichte 16 (1976) Heft 3, Seite 170
DL3WR, Robert Lentz.
Hinweise - Verbesserungen - Änderungen
Aus der Originalarbeit von Shen und Raffoul(4) ist zu erkennen, daß die Bandbreite nicht wie üblich, sondern als Übertragungsbereich der Loop-Anordnung für einen bestimmten Wellentyp definiert wird. Die in der Praxis verstandene Bandbreite ist deshalb wesentlich kleiner als die in Bild 2 angegebene. Trotzdem ist d/b = 1 für Amateur-Antennen ausreichend.
Im übrigen sind die Gewinnwerte auf den Kugelstrahler, und nicht auf den λ/2-Dipol bezogen (Differenz 2,14 dB). Die Loop-Yagi-Antenne für das 23-cm-Band (Seite 85) hat somit rund 17 dB Gewinn, was sich auch mit Messungen in den USA deckt (QST, Dec. 1976, S. 71).
DL6WU.