Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Wendelantenne für das 23-cm-Band
An OSCAR 10 wurde bei der Konzipierung dieser Antenne ursprünglich nur zweitrangig gedacht, doch nun kommt sie gerade recht für den Funkverkehr über den 23-cm/70-cm-Umsetzer.
1. Einführung
Hauptgründe für die Auswahl der Wendelantenne, auch Helix-Antenne genannt, waren die "eingebaute" Bandbreite und die zirkulare Polarisation. Durch die Bandbreite wird die Antenne unkritisch im Nachbau, da es nicht auf Millimeterbruchteile ankommt. Die Zirkularpolarisation ermöglicht problemloses Arbeiten mit fast beliebig polarisierten Gegenstationen.
Einschränkungen sind: Durch den Wickelsinn der "Helix" ist der hochfrequente Drehsinn der gesendeten Signale eindeutig festgelegt und läßt sich nicht umschalten, wie es bei einer KreuzYagi mit getrennten Zuleitungen möglich ist.(1) Weiterhin ist bei Empfang einer linear polarisierten Welle der Gewinn 3 dB niedriger, als bei passender Zirkularpolarisation.(2)
Diese Nachteile wurden in Kauf genommen, da aus meiner geographischen Lage, einem flachen Talkessel, keine erdgebundenen Weitverkehrs-Möglichkeiten bestehen und eine universelle, einfache Richtantenne zum Einstieg in das 23-cm-Band gebraucht wurde. Aktuell kommt nun der mögliche Betrieb über den "LTransponder" von OSCAR 10 hinzu.
2. Grundlagen
Für die mechanische Auslegung einer Wendelantenne gibt es etliche Veröffentlichungen, von denen hier (2) und (3) erwähnt seien. Drei wesentliche Eigenschaften waren wichtig für die geplante Antenne:
- Gute Anpassung an das Speisekabel über möglichst große Bandbreite.
- Geringe Nebenkeulen im Strahlungsdiagramm.
- Möglichst reine Zirkularstrahlung.
Alle drei Forderungen dienen dazu, bei gegebenen Abmessungen den Antennengewinn möglichst hoch zu treiben, das heißt der Idealantenne möglichst nahe zu kommen. Um den Stand der Technik zu ermitteln, habe ich die zugängliche Literatur einmal gründlich durchgesehen.
2.1. Anpassung
Die Veröffentlichungen (2) und (3) zeigen als Anpaßvorrichtung für die Transformation von 50 Ω auf den Wendelwiderstand von etwa 140 Ω λ/4 Transformatoren. In (3) wird die erreichte Anpassung im 70-cm-Band, also in 2,3% Bandbreite, mit einem VSWR von 1,4 angegeben. In (4) wird eine Art L/C-Anpassung geschildert, die jedoch nur auf eine Frequenz abgeglichen ist. In (5) und (6) dient eine Streifenleitungsschaltung mit stetiger Wellenwiderstandsänderung (Exponentialleitung) zur Transformation, wobei für ein VSWR von 1,5 in (5) eine Bandbreite von 25%, in (6) von 53% erreicht wurde. In (7) wird eine Breitbandanpassung dadurch erreicht, daß der Reflektor nicht als ebene Platte, sondern als Konus um den Anfang der Wendel ausgebildet ist. Diese Antenne wird daher auch "Heli-Cone" genannt. Durch den Konuswinkel ist die Transformation in gewissen Grenzen beeinflußbar.
2.2. Strahlungsdiagramm
Nebenkeulen vermindern den Antennengewinn und empfangen Signale aus ungewollten Antennenrichtungen, was z. B. Zündfunkenstörungen (bei 1296 MHz unglaublich, aber wahr!) oder auch terrestrisches Rauschen sein kann. Das Zweite ist bei extrem rauscharmen Empfangsanlagen für Raumfunk (EME, Satelliten) von Bedeutung. Nebenkeulen und Rückwärtsstrahlung lassen sich durch Vergrößern und konische Ausbildung des Reflektors(7),(8) bis zu 30 dB unterdrücken, jedoch beeinflußt auch die Form der Wendel die Nebenkeulen.(6),(7)
2.3. Zirkularstrahlung
Wenn eine rechtszirkulare Antenne auch linkszirkulare Wellen erzeugt oder empfängt, so geht der zweite Anteil als Gewinn verloren, es sei denn, die "andere Seite" hat eine Antenne mit dem gleichen Fehler. Ein Maß für den Polarisationsfehler ist das Achsenverhältnis der Feldstärke-Ellipse, die bei reiner Zirkularpolarisation ein Kreis ist. Je nach Achsenverhältnis und Lage der Ellipsen zueinander kann der Gewinnrückgang einige Hundertstel dB bis zu einigen dB betragen.(9),(10),
Wie aus (6) und (7) ersichtlich, läßt sich durch konische Gestaltung von Wendel-Anfang und - Ende das Achsenverhältnis erheblich verbessern. Offensichtlich wird durch diese Maßnahme die Reflexion am Ende der Antenne stark reduziert, das heißt, der Übergang der HF von der Antenne in den Raum erfolgt ohne wesentliche Störung.
2.4. Antennen-Eigenschaften
Als Ergebnis der Untersuchungen wurde eine Antenne nach (6) für folgende Eigenschaften ausgelegt:
| Frequenzbereich | 1240-1300 MHz |
| Gewinn | 15,8 dBi, rechtsdrehend zirkular (RHC) |
| Nebenkeulen | -20 dB |
| Achsenverhältnis | 0,6 dB = 1,07 |
| VSWR | 1,2 |
| Gesamtlänge | 1117 mm |
| Wendellänge | 1103 mm |
| Wendeldurchmesser am Speisepunkt | 102 mm |
| Wendeldurchmesser am Strahlerende | 57,1 mm |
| Wendeldraht | 30 Kupfer-Lack-Draht |
| Windungsabstand | 61,27 mm (Rechenwert) |
| Reflektordurchmesser | 215 mm |
| Reflektorkragen | 72 mm |
| Tragrohr-Abmessungen (mm) | 15 × 15 × 1,5, Aluminium |
Wesentliches Merkmal ist die konische Ausbildung der Wendel. Bild 1 zeigt den Aufbau der Antenne schematisch, wobei die Wendel nur angedeutet ist. Die Bilder 2, 3, und 4 zeigen die fertige Antenne, eine Ansicht von rückwärts und von vorne auf den Reflektor.
Bild 1: Abmessungen einer Wendelantenne mit 18 Windungen für 1240-1300 MHz.
Bild 2: Die Antenne des Verfassers.
Bild 3: Reflektor, Rückansicht.
Bild 4: Die Anpaßschaltung im Reflektor.
3. Konstruktive Einzelheiten
Die Wendel wird nach jeder halben Windung durch eine Isolierstütze gehalten. Diese besteht aus entsprechend langen Stücken der Isolierung von RG-213/U-Koaxialkabel. Es sind 37 Stück nötig, deren Länge etwa 5 mm größer ist, als dem Wendelradius an der betreffenden Stelle entsprechen würde. Die halbe Dicke des Tragrohres ist natürlich abzuziehen. Sind diese Stützen zugeschnitten, so werden an der richtigen Stelle Querlöcher mit dem Durchmesser des Wendeldrahtes gebohrt und alle Stützen in der richtigen Reihenfolge auf den Wendeldraht aufgefädelt, sowie etwa im richtigen Abstand verteilt (163 bis 95 mm, etwa linear fallend).
Als Wendeldraht wird Kupferlackdraht verwendet, da er gut biegbar und korrosionsgeschützt ist. Der Durchmesser ist nicht kritisch, 2 bis 3 mm lassen sich gut verarbeiten. Es werden etwa 5 m benötigt.
Das Tragrohr ist zweckmäßigerweise ein 4-KantRohr, 15 mm × 15 mm, mit 1,5 mm Wanddicke, aus Aluminium. Die Länge muß mindestens 1400 mm sein, um die Mastschelle noch hinter dem Reflektor anbringen zu können. Ich habe dort das Tragrohr durch ein übergeschobenes und mit Zwei-Komponenten-Kleber festgelegtes 4-Kantrohr auf 20 mm × 20 mm verstärkt. Von der Tragrohrspitze ausgehend werden 37 Löcher mit 3 mm Durchmesser für die Befestigung der Stützen mit Messingschrauben M3 × 20 gebohrt. Der Abstand ist gleich dem halben Windungsabstand, nämlich 30,635 mm (Rechenwert).
Der Reflektor ist aus Alu-Blech gefertigt. Die Kreisform des Kragens ist durch ein 22-Eck angenähert, um gerade Befestigungslaschen zu bekommen, die dann mit der Reflektorscheibe verschraubt werden. Die Koaxbuchse ist im Reflektor 51 mm außerhalb der Mitte montiert.
Mir stand eine Ausführung der Fa. Spinner mit 50 Ω vom Typ 4,1/9,5 mm zur Verfügung (BN 982300), die einen Befestigungsflansch und einen Kabelanschluß hat, an den die Wendel später direkt angelötet wurde.
Die ganze Reflektor-Anordnung wird mit zwei Alu-Winkelprofilen am Tragrohr so festgeschraubt, daß der Anfang der Wendel (längste Stütze) um 90° gegenüber der Koaxbuchse versetzt ist. Das verbindende Stück Wendeldraht wird später zur Anpassung verwendet. Für das Tragrohr hat der Reflektor ein rundes Loch mit 30 mm Durchmesser. Wie auf den Fotos erkennbar, braucht es später nicht HF-dicht gemacht zu werden.
Die Wendel wird folgendermaßen am Tragrohr montiert: Das Tragrohr (ohne Reflektor, ohne Verstärkung) wird in einem Schraubstock festgeklemmt, der Wendeldraht so ausgelegt, daß die kürzeste Stütze in der Nähe der Spitze der Antenne liegt. Jetzt wird diese Stütze am Tragrohr festgeschraubt, die Messingschraube läßt sich stramm in den Innenleiterkanal eindrehen (Bild 5). Den Wendeldraht hindert man am Herausrutschen durch Umbiegen des Endes! Dann das Tragrohr 180° um seine Längsachse drehen und wieder festklemmen. Den Drehsinn beachten: Der Wendeldraht soll später eine rechtsdrehende Schraube bilden. Dann den Wendeldraht an der Spitze zum Halbkreis ausformen und nächste Stütze festschrauben. Und so weiter bis zur 37. Stütze.
Bild 5: Eine der 37 Isolierstützen aus RG-213/U-Dielektrikum.
Zwischendurch und am Schluß gleicht man durch Nachbiegen und Nachschieben des Drahtes Ungleichmäßigkeiten der Wendel aus. Am besten sieht man Abweichungen von der Kreisform, indem man von der Spitze her über die Wendel blickt. Zum Schluß wird der Wendeldraht an jeder Stütze durch Einpressen eines Klebers in den Innenleiterkanal festgelegt.
Durch diese Art der Montage stört kein Metallteil die HF-Funktion der Wendel.
Danach wird der Reflektor so montiert, daß sein Abstand zur Mitte der längsten Wendelstütze 14 mm beträgt. Das Ende der Wendel wird dann mit dem Innenleiter der Koaxbuchse verlötet. In meinem Fall ergab sich damit eine Anordnung nach Bild 6.
Bild 6: Antennenbuchse und Anschluß der Wendel, ohne Anpaßleitung.
Die Transformation vom Eingangswiderstand der Wendel auf 50 Ω erfolgt mit einer Art Exponentialleitung, die in Bild 7 dargestellt ist. Die Form des einseitig am Körper der Kabelbuchse an Masse liegenden Messingstreifens wurde experimentell ermittelt, indem die Anpassung im interessierenden Frequenzbereich mit einem Richtkoppler beobachtet und der Streifen entsprechend gebogen wurde, bis die Reflexionsdämpfung 20 dB oder besser war, entsprechend einem VSWR 1,2.
Bild 7: Die Anpaß-Anordnung.
Wichtig ist, daß der Streifen an der geerdeten Seite dicht am Wendeldraht ist (etwa 2 mm), um den örtlich verteilten Wellenwiderstand möglichst nahe bei 50 Ω beginnen zu lassen. Die Anpassversuche wurden übrigens mit Streifenlängen von 32 mm bis 60 mm gemacht, 50 mm haben sich als optimal herausgestellt und entsprechen etwa A14 bei 23 cm Wellenlänge.
3.1. Mastmontage
Vor der Montage ist noch die Verstärkung des Tragrohres auf 20 mm × 20 mm nötig, um die üblichen Mastschellen befestigen zu können. Die Antenne wird so montiert, daß der Wendelanfang an der Koaxbuchse nach unten zeigt, dadurch kann kein Regen in die Buchse eindringen. Die Wendelstützen stehen dann senkrecht, was Schmutz- und Schnee-Ablagerung verhindert. Außerdem können aufsitzende Vögel die Wendel nicht verformen.
Als Anschlußkabel wurde RG-214/U verwendet. Es zeigte beim Durchmessen auf gleichmäßigen Wellenwiderstandsverlauf bis 1300 MHz wesentlich geringere Reflexionsspitzen, als das ebenfalls untersuchte RG-213/U-Kabel, das man von verschiedenen Lieferanten bekommt. Die Messung erfolgt genauso, wie man die Antennenanpassung mißt. Meßobjekt ist jedoch ein Kabelring (20 m oder mehr) mit einem 50-Ω-Abschlußwiderstand am fernen Ende.
4. Betriebserfahrungen
Die Eigenschaften der Antenne konnten nur subjektiv beurteilt werden, da z. B. für eine Gewinnmessung die Meßeinrichtung und -umgebung fehlt. Die gute Nebenkeulenunterdrückung zeigte sich jedoch daran, daß die 23-cm-Bake DBOGP bei Göppingen (42 km, keine Sichtverbindung) mit etwa 12 dB ü. R. bei mir ankommt, bei abgedrehter Antenne jedoch kaum hörbar ist. CW-Signale kann man aber noch bis weit unterhalb des Rauschpegels erkennen.
Bei Empfangsversuchen im Ort mit DL7IX zeigte ein Vergleich zwischen der Wendelantenne und einem bei mir auch vorhandenen Vertikal-Rundstrahler, daß DL7IX beim Hantieren mit einer Sendeantenne im Zimmer bei mir starkes QSB erzeugte bei Empfang mit der Vertikalantenne, dagegen waren beim Empfang mit der Wendelantenne kaum Pegeländerungen bemerkbar.
Das Ergebnis daraus ist: Die Sendeleistung wird trotz Bewegung der Sendeantenne im Zimmer immer in meine Richtung abgestrahlt, kommt jedoch bei mir mit stark wechselnder, vermutlich linearer Polarisation an.
5. Literatur
- T. Bittan, DJOBQ: Zirkular-Polarisation im 2-m-Band, UKW-Berichte 1973, Heft 3, S. 148-153.
- Dr. Ing. A. Hock, DCOMT: Zirkular-Polarisation, UKW-Berichte 1972, Heft 3, S. 181-186.
- W. Stich, OE1GHB: Wendelantenne für das 70-cm-Band, UKW-Berichte 1974, Heft 1, S. 18-24.
- Dennis R. Murphy, KOGRM: More on 50 Ω Helix Feed, QST 1981, December, p. 54-55.
- Dr. John D. Kraus: A 50 Ω Input Impedance For Helical Beam Antennas, IEEE Transact. on Ant. and Prop. (AP), 1977, November, p. 913.
- J. L. Wong, H. E. King: Broadband Quasi-Taper Helical Antennas, IEEE (AP), 1979, January, p. 72-78.
- D. J. Angelacos, D. Kajfez: Modifications on the Axial-Mode Helical Antenna, IEEE (AP), 1967, April, p. 558-559.
- J. L. Wong, H. E. King: A Wideband Low Sidelobe Disc-O-Cone Antenna, IEEE (AP), 1983, January, p. 183-184.
- D. G. Fordham Jr., R. S. Brazil: Polarization Loss For Elliptically Polarized Antennas, Microwave Journal, 1969, December, p. 50, 52.
- A. C. Ludwig: A simple Graph For Determining Polarization Loss, Microwave Journal, 1976, September, p. 63.
DJ1SL, Hans-J. Griem.