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Im folgenden Artikel wird eine einfach nach-baubare Loopyagi-Antenne für das 13-cmAmateurfunkband, sowie die Stockung zu einer 2-er und 4-er Formation beschrieben.
1. Vorbemerkungen
Mit steigender Aktivität auf den unteren GHz-Bändern werden einfach nachbaubare Antennen erforderlich. In (1) wurde eine kleine Gruppenantenne mit relativ wenig Gewinn und großem Öffnungswinkel für das 13-cm-Band beschrieben. Wegen der großen Streckendämpfung sind jedoch Hochgewinn-Antennen wünschenswert. Die hervorragenden Eigenschaften einer Parabolspiegel-Antenne werden nicht bestritten. Aber nicht jeder hat die Möglichkeit, dieses umfangreiche Gebilde auf dem Dach unterzubringen.
In (2) wurde eine kleine Loopyagi-Antenne mit relativ hohem Gewinn und kleinen Öffnungswinkeln für das 23-cm-Band beschrieben. Der Verfasser verwendet diese Antenne seit 1976 erfolgreich, zunächst als Einzelantenne, später als Zweieranordnung im 23-cm-Band (Bild 1). Gleichzeitig wurden vom Verfasser die Maße auf 13 cm umgerechnet, die Antenne mit 37 Elementen aufgebaut (Bild 1, Mitte) und in (3) mit 23 Elementen beschrieben. Die Dimensionierung und der Aufbau von Loopyagi-Antennen beschäftigten inzwischen viele Autoren.(4),(5),(6),(7).
Bild 1: Loopyagi-Antennen für 23 cm (außen) und 13 cm (Mitte) bei DJ6PI
2. Loopyagi-Antenne für das 13-cm-Band
Auf der Basis von (5) wurde die 23-cm-Antenne für das 13-cm-Band umgerechnet. Dabei wurde besonderer Wert darauf gelegt, mit in Deutschland erhältlichen Materialien möglichst nahe an die berechneten Maße zu kommen. So müssen keine Korrekturfaktoren für andere Materialmaße nach (5) und (6) berücksichtigt werden.
In Bastel- oder Bauzubehör-Läden gibt es preiswert 1 m lange Messingrohre von 10 mm ø zu kaufen. Auf diesem Boom finden 25 Elemente Platz. Für die Elemente (Reflektorring, Strahler, sämtliche Direktoren) wird 0,4 mm dickes Messing- oder Kupferblech verwendet. Sämtliche Elemente werden mit einer Tafel- oder Handhebelschere auf 2,5 mm Breite geschnitten. Wegen der geringen Abmessungen sind die Ringe ausreichend stabil. Danach wird die Lage der Elemente auf dem Trägerrohr angezeichnet. Um eine Addition von Meßfehlern zu vermeiden, sind in Tabelle 1 alle Elemente-Abstände von der Reflektorwand aus angegeben. Der Aufbau ist in Bild 2 skizziert.
| Reflektorwand | 0 |
| Reflektorring R1 | 43,6 mm |
| Strahler | 56,9 mm |
| Direktor 1 | 72,6 mm |
| Direktor 2 | 84,3 mm |
| Direktor 3 | 109,3 mm |
| Direktor 4 | 134,3 mm |
| Direktor 5 | 151,9 mm |
| Direktor 6 | 184,3 mm |
| Direktor 7 | 234,3 mm |
| Weitere Elemente | je 50 mm Abstand |
Bild 2: Anordnung der Elemente.
Für die Speisung des Strahler-Elementes mit Semi-rigid-Kabel wird das Trägerrohr direkt vor oder hinter diesem Element mit einem 3,6-mmBohrer durchbohrt. Danach werden die Elemente nach Tabelle 2 auf Länge zugeschnitten, zu einem Ring gebogen und auf dem Trägerrohr an den angezeichneten Stellen verlötet.
| Reflektorring 1 | 135,9 mm |
| Strahler | 129,7 mm |
| Direktorring 1 - 11 | 115,9 mm |
| Direktorring 12 - 22 | 112,4 mm |
Das Strahlerelement wird nach Bild 3 gefertigt und auf der angezeichneten Stelle mit dem Trägerrohr verlötet. Das Semi-rigid-Kabel sollte möglichst schwergängig durch die Bohrung im Trägerrohr gehen. Wie diese Anordnung nach den letzten Lötarbeiten auszusehen hat, zeigt ebenfalls Bild 3.
Bild 3: Form und Speisung des Strahler-Elements.
Das Ende des Semi-rigid-Kabels wird unterhalb des Trägerrohres in eine geeignete N-Kabelbuchse eingeführt. Zum Schluß wird der Flächen-Reflektor aus Gitter- oder Vollmaterial nach Bild 4 mit dem Trägerrohr verlötet oder verschraubt.
Bild 4: Reflektorwand aus Gitteroder Voll-Material.
Zum Abgleich verbindet man die Antenne über eine SHF-taugliche Stehwellen-Meßbrücke mit dem 13-cm-Sender. Zunächst wird der Abgleich auf geringste reflektierte Leistung durch Zusammendrücken bzw. Auseinanderziehen des Strahlerelements durchgeführt. Der Feinabgleich erfolgt danach durch Hinbiegen bzw. Wegdrücken des Reflektorrings und des 1.Direktorringes zum bzw. vom Strahlerelement. Danach wird der Mantel des Semi-rigid-Kabels an den Durchbruchstellen mit dem Trägerrohr verlötet.
Um Korrosion zu vermeiden, muß die Antenne wetterfest gemacht werden, beispielsweise durch Besprühen mit Plastik-Lack.
Der Gewinn einer solchen Loopyagi-Antenne wurde in (8) bei 26 Elementen im 23-cm-Band mit 16,33 dBd ermittelt. Wegen der geringfügig kürzeren Ausführung der vorliegenden 13-cm-Antenne, ist wohl ein Gewinn von 16 dBd zu erwarten. Beide Öffnungswinkel betragen ca. 20°, die Bandbreite ca. 3 % (2350 ± 35 MHz). Nebenzipfel sind um mindestens 10 dB schwächer als die Hauptkeule.
3. Stockung zu einer Zweier-Anordnung
Eine Verlängerung der Antenne um viele Elemente bringt keine wesentliche Gewinnsteigerung, wohl aber eine Stockung in horizontaler oder vertikaler Ebene. Der Stockungsgewinn von 2 Antennen beträgt wegen unvermeidlicher Verteilverluste nicht ganz 3 dB. Der optimale Stokkungsabstand sollte nach (9) 0,37 m betragen. Für das 1,3-GHz-Band beträgt der Stockungsabstand 0,66 m, für das METEOSAT-Band 0,5 m, für das 3,5-GHz-Band 0,25 m. Für die Koppelung von mehreren Antennen sind in (2), (3) und (5) Leistungsteiler/Kombinierer beschrieben. Es handelt sich aber um aufwendige Anordnungen in Luft-Koaxial-Technik.
Zur Vereinfachung der Antennenkoppelung bietet sich ein gedrucktes Transformationsglied an. Es wurde auf 0,79 mm dickem RT/duroid 5870 ausgeführt. Vorausgesetzt, daß die Einspeisung beider Antennen nach Ziffer 2 optimiert wurde, kann man von einer Fußpunkt-Impedanz von 50 Ω ausgehen. Die Semi-rigid-Kabelzuführungen zu den Koppelpunkten A und B (Bild 5) müssen absolut gleich lang sein.
Bild 5: Abmessungen und Wellenwiderstände des Zweifach-Verteilers.
Die Leitungsstücke I1, I2 sind gleichlange Streifenleitungen beliebiger Länge mit einem Wellenwiderstand von 50 Ω; sie dienen nur zum Heranführen der Antennenzuleitungen an den Koppelpunkt C. An diesem Punkt liegt eine Impedanz von 25 Ω vor, entstanden aus der Parallelschaltung von je 50 Ω.
Das eigentliche Transformationsglied befindet sich zwischen den Punkten C und D. Bei Punkt D soll eine Impedanz von 50 Ω zum Anschluß an das Ableitungs-Koaxialkabel vorliegen. Die Länge der Streifenleitung zwischen den Punkten D und E ist beliebig. Der Wellenwiderstand dieses Leitungsstückes muß 50 Ω betragen. Der Wellenwiderstand Z2 des Transformationsgliedes C - D errechnet sich aus
Z2 = √(ZC × ZD)
ZC = 25 Ω
ZD = 50 Ω
Z2 = 35,35 Ω
Die Länge des Transformationsgliedes (C - D) ist: I2 = V × λ/4.
Die Breite w2 der Transformationsleitung ergibt sich aus bekannten Streifenleitungsformeln für RT/duroid 5870 zu 3,7 mm. Der Verkürzungsfaktor beträgt nach diesen Formeln
V = 0,698.
Die Längen 12 betragen für beliebige Frequenzen I2 = V × λ/4.
z.B.:
1296 MHz: 40,4 mm
1691 MHz: 30,96 mm
2330 MHz: 22,5 mm
3456 MHz: 15,1 mm
Die Breiten w1 für die 50-Ω-Streifenleitungen betragen einheitlich für alle Frequenzen 2,23 mm. Bild 6 zeigt die Leiterplatten-Vorlage DJ6PI 014.
Bild 6: Vorlage für die RT/duroidPlatine DJ6PI 014.
Der Übergang der Semi-rigid-Kabel zu den Antennen an den Punkten A und B, sowie des Ableitungskabels am Punkt E, muß möglichst stoßstellenfrei sein. Dazu werden die Innenleiter der Kabel von der Masseseite her durch die Platine geführt, die Mantelleiter der Koaxkabel werden auf der Masseseite verlötet, wie Bild 7 zeigt. Auf der Masseseite wird rings um die Bohrung für die Kabelinnenleiter etwas Massefläche mit einem 6-mm-Bohrer abgenommen.
Bild 7: So sind Koaxkabel und Leiterplatte miteinander zu verlöten.
Der fertig verlötete Leistungsteiler/Kombinierer wird durch Besprühen mit Plastik-Lack gegen Korrosion geschützt und in ein wetterfestes Gehäuse eingebaut. Die Kabeleinführungen in das Gehäuse werden mit Knetgummimasse (z.B. Teroson, Bostik) abgedichtet. Der Gewinn dieser zweifach gestockten Loopyagi ist ca. 18 dBd.
4. Stockung zu einer Vierer-Anordnung
Mit einer Viereranordnung von Loopyagis nach Abschnitt 2 gelangt man in die Nähe des Gewinnes eines Parabolspiegels mit 0,9 m Durchmesser (ca. 21 dBd). Je zwei Antennen werden dabei horizontal und vertikal gestockt. Der Stockungsabstand ist gleich wie in Abschnitt 3 angegeben.
Die Antennen werden über einen gedruckten Viererteiler nach Bild 8 zusammengeschaltet.
Bild 8: Abmessungen und Wellenwiderstände des Vierfach-Verteilers.
An den Punkten A, B, F, H münden die gleich langen Semi-rigid-Kabel von den vier Antennen. Die Fußpunktimpedanz kann mit je 50 Ω angenommen werden. Die Streifenleitungen AC, BC, FG, HG haben einen Wellenwiderstand Z1 von je 50 Ω. Sie dienen zum Heranführen der Antennenzuleitungen zu den Koppelpunkten C und G. Sie haben alle die gleiche Länge l , die beliebig sein kann. An diesen Punkten liegt eine Impedanz von 25 Ω vor, entstanden aus der Parallelschaltung von je 50 Ω.
Zur weiteren Transformation muß man sich zunächst die Schaltung bei D in 2 Hälften aufgetrennt denken.
Der Wellenwiderstand Z2 des Transformationsgliedes CD und GD errechnet sich so:
Z2 = √(ZC × ZD),
und
Z2 = √(ZG × ZD2)
Um nach dem Zusammenfügen (Parallelschalten) der beiden Schaltungshälften bei Punkt D eine Impedanz von 50 Ω zu erhalten, muß ZD, und ZD2 je 100 Ω betragen:
ZC, ZG = 25 Ω
ZD1, ZD2 = 100 Ω
Z2 = 50 Ω
Die Länge der Transformationsglieder CD, GD ist: I2 = V × λ/4.
Die Ableitung DE zum Stationskabel kann beliebige Länge haben, der Wellenwiderstand Z1 muß 50 Ω sein. Somit beträgt bei diesem Vierfachteiler/Kombinierer der Wellenwiderstand aller Streifenleitungsteile einheitlich 50 Ω. Der Verkürzungsfaktor V für RT/duroid 5870 und 50 Ω Wellenwiderstand ist: V = 0,71.
Die Längen I2 betragen für beliebige Frequenzen I2 = V × λ/4.
Daraus erhält man für einige gebräuchliche Frequenzen folgende Längen:
1296 MHz: 41,08 mm
1691 MHz: 31,49 mm
2330 MHz: 22,85 mm
3456 MHz: 15,4 mm
Die Leiterplatten-Vorlage DJ6PI 015 für vier 13-cm-Antennen zeigt Bild 9. Alle weiteren Einzelheiten (Verlötungen der Koaxkabel) sind wie beim Zweierteiler beschrieben sinngemäß zu übernehmen.
Bild 9: Vorlage für die RT/duroid-Platine DJ6PI 015.
Die beschriebenen 2-er und 4-er Leistungsteiler/ Kombinierer arbeiten mit Erfolg in der 8-fach gestockten Hohlraumresonator-Rundempfangsantenne des ATV-Umsetzers Tegelberg/Allgäu.
Eine andere, bei DC9MD betriebene Vierer-Anordnung zeigt abschließend Bild 10.
Bild 10: Eine Vierer-Anordnung der beschriebenen Antenne bei DC9MD.
5. Literatur
- K. Hupfer: Eine Gruppenantenne für das 13-cm-Band, UKW-Berichte 15 (1975) Heft 2, S.80 - 82
- D. S. Evans, G. R. Jessop: VHF/UHF manual 3rd edition, p.8.47 - 8.49
- UHF-Unterlage Teil Ill, K. Weiner, 1982, Subautor J. Grimm, S.572 - 574
- R. Lentz: Loop-Yagi-Antennen, UKW-Berichte 17 (1977) Heft 2, S.82 - 88
- G. R. Jessop, VHF/UHF manual, 4th edition, p.9.59 - 9.60
- W. Rätz, Der TV-Amateur 54/1984, S.24 - 26
- UHF-Unterlage Teil IV, K. Weiner, 1984, Subautor J. Grimm,
S.724 - 726: Loopyagi für das 9-cm-Band,
S.731 - 733: Loopyagi für das 70-cm-Band - G. Schwarzbeck, cq-DL 1/1981, S.9 - 20
- G. Hoch: Extrem lange Yagi-Antennen, UKW-Berichte 22 (1982) Heft 1, S.3- 11
DJ6PI, Josef Grimm.