4 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen

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1 4 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Unter Marconi-Antennen versteht man Antennen, die unsymmetrisch gegen Erde gespeist werden (Bild 4.1). Im Falle eines Senders wird eine Seite des Ausgangsnetzwerks geerdet, während die andere Seite mit dem Strahlerelement der Antenne verbunden wird. Die Länge des Strahlerelements variiert mit dem Typ und bestimmt viele der Betriebseigenschaften der Antenne. Die Richtung des Strahlers kann ebenfalls unterschiedlich sein. Er kann vertikal ausgerichtet sein, wie es die Abbildung zeigt (Vertikalantennen sind eine besondere Spezies der Marconi-Antennen), aber er kann auch schräg aufgestellt werden. In einigen Fällen ist die Marconiantenne direkt mit dem Sender oder Empfänger verbunden, oft wird aber auch ein Antennen- Anpassnetzwerk benötigt. Bild 4.1 Antennen-Werkbuch.indb :29:43

2 64 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen 4.1 Die T-Empfangsantenne Bild 4.2 Obwohl die meisten Antennen in diesem Kapitel sowohl zum Empfang als auch zum Senden benutzt werden können, wird diese Antenne (Bild 4.2) ausschließlich für Empfangzwecke empfohlen, es sei denn man verwendet einen Antennentuner. Diese Antenne empfiehlt sich vor allen Dingen für viele Erstbesitzer von Empfängern oder für diejenigen, die in einer Umgebung wohnen, wo es schwierig ist, eine Antenne zu installieren. Das Strahlerelement ist ein ca m langes Stück Antennenlitze. Antennen-Werkbuch.indb :29:43

3 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Die Halbwellen-T-Antenne Bild 4.3 Die Antenne in Bild 4.3 wird als Lambda-Halbe- T-Antenne bezeichnet, da sie genau eine halbe Wellenlänge lang ist und T-Form hat. Das T kommt dadurch zustande, dass die Ableitung unter einem Winkel von 90 vom Strahlerelement weggeführt wird. Die Länge der Zuleitung muss genau Lambda-Viertel betragen. Diese Länge unterscheidet sich von der sogenannten Top-Hat-T- Antenne, die von vielen Kurzwellenhörern verwendet wird. Bei ihr hat der Strahler eine Länge von einer halben Wellenlänge oder mehr, und die Antennenzuleitung ist ein Stück Draht beliebiger Länge. Die Abmessungen dieser Elemente ergeben sich aus folgenden Formeln: 143 2L = m F und MHz L = 71, 5 m F MHz Diese Längen machen die Antenne resonant. Beispiele für die korrekte Länge für verschiedene Bänder gibt die folgende kleine Tabelle: Band L 2L 60 m (5 MHz) 14,3 m 28,6 m 31 m (9,75 MHz) 7,33 m 14,66 m 20 m (14,2 MHz) 5,03 m 10,06 m Für die Lambda-Halbe-T-Antenne wird ein Antennentuner benötigt. Sowohl die Induktivität als auch die Kapazität sollten Reaktanzen von 450 Ohm haben, d.h. X L = 450 Ohm und X C = -450 Ohm. Typische Werte für diese Komponenten sind: Band C L 60 m (5 MHz) 65 pf 16.0 µh 31 m (9.75 MHz) 33 pf 8.2 µh 20 m (14.2 MHz) 23 pf 5.6µH Für den Betrieb über ein breiteres Band empfehlen sich ein Drehkondensator und umschaltbare Spulen. Antennen-Werkbuch.indb :29:44

4 66 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen 4.3 Die Flachbandkabel-Marconi-Antenne Bild 4.4 Die Antenne in Bild 4.4 ist prinzipiell eine Viertelwellen-Marconi-Antenne. Sie besteht aus einer 300- oder 450-Ohm-Flachbandkabel-Leitung mit einer Länge von L = 71,5/F MHz m Für das 60-m-Band (5 MHz) würde die Länge insgesamt bei ungefähr 14,3 m liegen. Die Länge der koaxialen Speiseleitung ist nicht kritisch. Die 50-Ohm-Koaxkabel-Speiseleitung wird so angeschlossen, dass der Mittelleiter mit einem Leiter des Flachbandkabels verbunden wird und die Abschirmung mit dem anderen. Die Antenne ist prinzipiell eine Abart der Marconi-Antenne und erfordert daher eine gute Erde, um einwandfrei zu arbeiten. Es sollte mindestens ein längerer Erdungsstab aus Kupfer oder ein entsprechender verkupferter Stahlstab in die Erde geschlagen werden und zwar am besten direkt am Speisepunkt oder in der Nähe. Die beste Methode besteht darin, sowohl einen Erdungsstab als auch ein System von zwei bis acht Radials mit einer Länge von λ/4 als Gegengewicht vorzusehen. Diese Antenne kann auch unter einem Winkel schräg montiert werden, obwohl ich vermute, dass sie am besten arbeitet, wenn der Draht horizontal gespannt ist. Beachten Sie das Ende des Flachkabels: Seine beiden Leiter werden dort miteinander verbunden. Diese Antenne arbeitet besser als Marconi- Antennen mit einem einzelnen Leiter, da sie meist unter Erdverlusten leiden. Indem man eine Rücklaufleitung vorsieht, wird der Strahlungswiderstand von zehn oder 15 Ohm auf einen Wert in der Größenordnung 40 bis 50 Ohm angehoben, so dass man eine gute Anpassung an 50-Ohm- Koaxialkabel erhält Antennen-Werkbuch.indb :29:45

5 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Die Schwalbenschwanz-Antenne Bild 4.5 Antennen-Werkbuch.indb :29:45

6 68 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Bild 4.5 zeigt zwei Varianten der Schwalbenschwanz-Multibandantenne. Die Strahlerelemente in Bild 4.5A und 4.5B werden für spezifische Frequenzbänder bemessen und haben jeweils eine Länge von λ/4. L m = 75 F MHz Es können so viele Strahler verwendet werden, wie man möchte, um alle interessierenden Bänder abzudecken. Voraussetzung ist jedoch, dass sie kein Frequenzverhältnis von drei zu eins haben. Der Grund für diese Einschränkung liegt darin, dass für alle Antennen, bis auf die in Resonanz befindliche, die Fußpunktwiderstände so hoch sind, dass eine Parallelschaltung aller Strahler die Gesamtimpedanz nicht beeinflusst. Bei der dritten Harmonischen jedoch wird die Impedanz wieder niedriger und würde dadurch die insgesamt von der Übertragungsleitung gesehene Impedanz verringern. Diese Situation ist für Sender von größerer Bedeutung als für Amateurfunksender, aber es ist auf jeden Fall sinnvoll, diese Situation, wenn möglich, zu vermeiden. Abgesehen davon ist die Antenne tatsächlich auf ihrer dritten Harmonischen in Resonanz. Die Version in Bild 4.5A verwendet zwei isolierte Masten oder Befestigungspunkte (das Hausdach, einen Baum usw.) wobei zwischen beiden Punkten ein Seil ausgespannt wird. Die λ/4-resonanten Drähte werden auf dem Halteseil mit ungefähr gleichen Abständen verteilt. Die Version in Bild 4.5B verwendet ein großes hölzernes Kreuz als Tragestruktur. Die Antennendrähte werden mit dem Querstück am oberen Ende verbunden und gleichzeitig mit dem Koaxialkabel am unteren Ende. Antennen-Werkbuch.indb :29:46

7 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Marconi-Antenne mit beliebiger Länge Bild 4.6 Es gibt verschiedene Antennen, die sich als Allzeitfavoriten sowohl bei Funkamateuren als auch bei Kurzwellenhörern qualifiziert haben. Unter den beliebtesten drei oder vier findet sich auch die Drahtantenne mit beliebiger Länge. Diese Antennenform hat eine Länge, die im Wesentlichen von dem Stück Draht abhängt, das man gerade hat zur Verfügung hat (obwohl es natürlich sinnvolle physikalische Grenzen gibt). Dieser Draht wird vom Funkgerät oder Empfänger zu einem geeigneten erhöhten Befestigungspunkt, d.h. einem Mast oder einem Baum geführt. Bild 4.6 zeigt die grundlegende Form dieser Marconi-Antenne. Obwohl man dieses Stück Draht natürlich direkt am Antenneneingang des Empfängers anschließen könnte, muss man für Betrieb mit einem Sender unbedingt ein Antennen-Anpassgerät (ATU) benutzen. Auch beim Betrieb an einem Empfänger wird man feststellen, dass die Antenne besser arbeitet, wenn eine ATU zwischen dem Koaxialkabel zum Empfänger und dem Strahlerelement vorgesehen wird. Eine wichtige Anforderung dieser Antenne besteht darin, dass sie eine gute Erde benötigt. Es muss entweder eine gute Erdverbindung oder ein elektrisches Gegengewicht (ein System von Radials) vorgesehen werden. Wie man ein gutes Erdungssystem installiert, wird in Kapitel 13 beschrieben. Diese Antennenform lässt sich nach ihrer Länge in drei Gruppen einteilen, für die unterschiedliche Anpassungsmaßnahmen vorgenommen werden müssen: 1. Die Antenne ist kürzer als eine Viertelwellenlänge. 2. Die Antenne ist genau eine Viertelwellenlänge lang. Antennen-Werkbuch.indb :29:46

8 70 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen 3. Die Antenne ist länger als eine Viertelwellenlänge. Bild 4.6 zeigt verschiedene Optionen für die erforderlichen Anpassungsmaßnahmen: An Position 1 sieht man eine variable Induktivität. Sie wird verwendet, wenn die Antenne sehr kurz gegenüber einer Viertelwellenlänge ist. Position 2 ist ein variabler Kondensator. Er wird verwendet wenn die Antenne länger als eine Viertelwellenlänge ist. Es ist auch möglich, die kombinierten Koppler an den Positionen drei und vier zu verwenden. Diese ATUs enthalten sowohl eine Induktivität als auch einen Kondensator. Sie werden eingesetzt, um die Fußpunktimpedanz der Antenne an das 50-Ohm-Koaxialkabel anzupassen. Viele kommerzielle Koppler in L-Form verfügen entweder über Schalter oder Kurzschlussbrücken, die mit einigen einfachen Änderungen jede Art von ATU gemäß Bild 4.6 ermöglichen. Wer einen Empfänger in Verbindung mit dieser Antenne betreibt, sollte auf jeden Fall eine ATU verwenden, genauso wie ein Funkamateur, der damit senden will. Wenn die Antenne exakt eine Viertelwellenlänge lang ist, dann kann man eventuell die ATU weglassen. Antennen-Werkbuch.indb :29:46

9 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Die Windom-Antenne Bild 4.7 Die Windom-Antenne (Bild 4.7) gibt es seit etwa Obwohl Lorin Windom die Erfindung zuerkannt wird, gab es tatsächlich noch einige andere, die dazu ihren Beitrag geleistet haben. Mitarbeiter von Windom an der Universität von Illinois waren E.F. Brooke und W. L. Everett und sie sollten daher an dieser Stelle ebenfalls erwähnt werden. Die Nennung von Windom als Erfinder ist offensichtlich auf die Publizierung der Idee in der Juliausgabe 1926 des QST-Magazins zurückzuführen. Zusätzliche späterer Beiträge kamen von G2BGI und GM3IAA. Wir werden aber die Tradition fortsetzen und Loren Windom als Erfinder nennen, ohne dabei zu vergessen, dass andere ebenfalls zu diesem Antennendesign beigetragen haben. Die Windom-Antenne ist vereinfacht gesagt eine Halbwellenantenne, die auch auf den geradzahligen Harmonischen der Grundfrequenz arbeitet. Die grundlegende Eigenschaft dieser Antenne ist die Tatsache, dass ihr Strahlungswiderstand ungefähr zwischen 50 Ohm bis etwa 5000 Ohm schwankt, abhängig vom gewählten Speisepunkt. Wenn Sie exakt in der Mitte gespeist wird, also in einem Stromknoten, beträgt die Speiseimpedanz 50 Ohm, bei Endspeisung ungefähr 5000 Ohm. In Bild 4.7 wurde der Speisepunkt von der Mitte zu einem Punkt verschoben, der etwa bei einem Drittel (0,36) der Antennenlänge liegt. Hier beträgt die Impedanz ca. 600 Ohm. Die Speiseleitung für die Windom-Antenne in Bild 4.7 ist ein isoliertes Stück Draht ausreichender Stärke, wenn Sendebetrieb beabsichtigt ist. Mit mehr als 200 W Leistung sollte man aber nicht senden, da es sonst zu HF-Einstrahlungen in die Geräte kommen kann, was unangenehme Probleme verursacht. Die Windom-Antenne arbeitet gut, aber mit einigen sehr wichtigen Einschränkungen. Beispielsweise hat die Antenne die Tendenz, HF in die Funkgeräte zurückzuleiten, da sie spannungsgespeist ist. Der zweite Grund ist der beträchtliche Strahlungsverlust der Speiseleitung, und schließlich arbeitet Antennen-Werkbuch.indb :29:47

10 72 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Bild 4.8 die Antenne nur sehr schlecht auf den ungeraden Harmonischen der Grundfrequenz. Das Antennen-Anpassnetzwerk kann entweder aus einem Link-gekoppelten Parallelresonanz- LC-Tankkreis oder einem Pi-Netzwerk bestehen, das eine hohe Impedanz in Richtung zur Antenne aufweist. Beachten Sie, dass diese Antenne eine gute Erdverbindung benötigt. Dies bedeutet zumindest die Verwendung eines Erdungsstabes von 2 bis 2,5 m Länge oder eines Systems von Radials. Eine brauchbare Kompromissausführung, bei der die Strahlungsverluste der Speiseleitung reduziert werden, zeigt Bild 4.8. Bei dieser Antenne ist ein 4:1-Balun-Transformator am Speisepunkt vorgesehen, an den ein 75-Ohm-Koaxialkabel angeschlossen ist. Da sich der Speisepunkt unbedingt in einem Stromknoten befinden muss, wird er genau λ/4 von einem Ende entfernt in die Antenne eingefügt. Desgleichen sollte die Antenne auf der anderen Seite des Balun-Transformators eine Länge aufweisen, die ein ungeradzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge ist. Im Beispiel in Bild 4.8 ist die Antenne 3/4 Wellenlängen lang. Antennen-Werkbuch.indb :29:47

11 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Die λ/4-vertikalantenne Bild 4.9 Die Viertelwellen-Vertikalantenne ist wahrscheinlich die klassische Form der Marconi-Antenne überhaupt (Bild 4.9). Sie besteht aus einem Vertikalstrahlerelement, das genau eine Viertelwellenlänge lang ist, und einem System von Viertelwellenradials als Erde. Die Länge des Strahlerelements ergibt sich aus der Formel L Meter = 75 F MHz worin L die Länge in Metern und F die Frequenz in Megahertz ist. Das Strahlerelement kann man aus einem Stück Rohr oder Draht anfertigen. Dabei kann es sich um Kupfer- oder Aluminiumrohr handeln, obwohl die meisten Leser Aluminium bevorzugen werden. Verwendet man einen Drahtstrahler, muss man das obere Drahtende an einem Mast oder einem anderen Befestigungspunkt montieren. Der Mast oder der jeweilige Befestigungspunkt sollte aber Antennen-Werkbuch.indb :29:48

12 74 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen auf jeden Fall aus isolierendem Material, wie zum Beispiel Holz oder Kunststoff, bestehen. Die Radials können Sie wahlweise verwenden, wenn sie keinen sehr guten Boden haben. Meist wird man aber mindestens vier Radials vorsehen müssen, maximal sollten es 16 sein. Über 16 lässt der Vorteil weiterer Radials deutlich nach. Die Radials sollten vergraben werden, wenn die Vertikalantenne auf dem Boden steht. Falls die Vertikal- Antenne auf einem Mast in größerer Höhe über der Erde installiert wird, sind Radials unbedingt erforderlich. In diesem Fall verwenden Sie vier bis 16 Radials, die kreisförmig um die Basis des Strahlerelements angeordnet werden. Schließen Sie das Speisekabel so an, dass der Strahler mit dem Innenleiter des Koaxialkabels und die Radials mit der Abschirmung verbunden werden. Da die Fußpunktimpedanz der Vertikalantenne 37 Ohm beträgt, ergibt sich bei Verwendung von 50-Ohm-Koaxkabel ein SWR von 50/37 = 1,35. In Fällen, wo die Vertikalantenne eine deutlich niedrigere Impedanz hat (bis hinunter zu 2 Ohm), muss unbedingt ein Breitbandübertrager zwischen dem Kabel und der Antenne vorgesehen werden. Antennen-Werkbuch.indb :29:48

13 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Die gefaltete Marconi- T -Antenne Bild 4.10 Die Antenne in Bild 4.10 ist sehr beliebt für Empfangs- und Sendebetrieb auf den unteren Bändern (unter 7 MHz), wenn der Platz für eine größere Antenne zu knapp ist. Obwohl sie bei den tiefsten Frequenzen immer noch eine Menge Platz benötigt, ist sie doch ein ganzes Stück kürzer als ein Halbwellendipol für die gleichen Frequenzen. Zwei Stücke 300- oder 450-Ohm-Flachkabel werden zum Aufbau der Antenne benötigt (A und B in Bild 4.10). Der A-Abschnitt ist das Hauptstrahlerelement, und es hat eine Länge von A Meter = 82 F MHz m Beachten Sie, dass der Abschnitt A wie ein Faltdipol aufgebaut ist. An den Enden des Flachkabels werden die beiden Leiter miteinander verbunden. In der Mitte des Strahlerelement A wird einer der beiden Leiter aufgeschnitten, damit man hier die beiden Leiter des Flachkabels, das für den Abschnitt B verwendet wird, anschließen kann. Das Element B ist vertikal angeordnet und sollte unter einem rechten Winkel vom Strahler A weggeführt werden. B hat eine Länge ähnlich wie A, jedoch muss das Kabel um den Geschwindigkeitsfaktor (VF) der Übertragungsleitung gekürzt werden: B Meter VF = 82( ) m F MHz Für normales 300-Ohm-Flachkabel beträgt die Antennen-Werkbuch.indb :29:49

14 76 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Bild 4.11 Länge von B = 0,82 x A. Beachten Sie, dass die beiden Leiterstücke für A und B eine kontinuierliche Drahtschleife bilden. Das Koaxkabel wird so angeschlossen, dass die Abschirmung mit einem Leiter von B und der Innenleiter mit dem anderen Leiter verbunden wird. Am oberen Ende von B werden die beiden Leiter an beide Seiten des aufgeschnittenen Teils von A angeschlossen. Wie auch bei den anderen Marconi-Antennen in diesem Kapitel ist die Verwendung einer guten Erde zwingend notwendig. Andernfalls sind die Verluste zu groß, und die Leistung der Antenne wird deutlich schlechter. Bild 4.11 zeigt die endgespeiste Zepp-Antenne. Diese Antenne hat einen Strahler, der bei der niedrigsten Betriebsfrequenz eine halbe Wellenlänge lang ist. Sie arbeitet aber nicht nur auf dieser Frequenz einwandfrei sondern auch auf ihren Harmonischen. Ebenso ist Betrieb auf anderen Frequenzen möglich, wenn ein hohes SWR toleriert werden kann. Die Zepp-Antenne wird über eine 600-Ohm-Zweidraht-Speiseleitung und eine ATU betrieben. Die ATU ist erforderlich, um das SWR auf allen Betriebsfrequenzen auf 1:1 abzustimmen. Antennen-Werkbuch.indb :29:49

15 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Die EWE-Antenne Bild 4.12 Die EWE-Antenne von Koontz entstand erst in jüngster Zeit als rauscharme Antenne für die niedrigeren Frequenzbereiche. Bild 4.12 zeigt die Grundform der EWE-Antenne. Sie besteht aus zwei vertikalen Abschnitten (bezeichnet als L1) und einem horizontalen Abschnitt (L2). Die EWE sieht wie eine Beverage-Antenne aus, ist es aber nicht. Ähnlich wie die Beverage wird sie in einer Höhe L1 von ungefähr 3 m über der Erdoberfläche errichtet. Im Gegensatz zur Beverage- Antenne ist L2 aber nur 6,5 m lang bei 3,5 MHz. Diese Dimensionen machen es möglich, dass sich die meisten Hörer eine derartige Antenne aufbauen können. Das entfernte Ende der Antenne wird mit einem 850-Ohm-Widerstand abgeschlossen. Dieser Widerstand sollte ein Kohlemassewiderstand oder ein Metallfilmtyp sein, keinesfalls eine drahtgewickelte Ausführung. Die Empfängerseite der Antenne muss an die 50-Ohm-Eingangsimpedanz angepasst werden. Übertrager T1 ist dafür vorgesehen. Er hat ein Windungszahlverhältnis von 3:1 entsprechend einem Impedanzverhältnis von 9:1, das die Anpassung der 450-Ohm-Antennen-Impedanz an den Empfängereingang ermöglicht. Für den Übertrager kann ein Eisenpulver-Ringkern aus -2, -6 oder -15-Material verwendet werde. Ein geeigneter Transformator lässt sich z.b. mit einem Kern des Typs T (rot/weiß) aufbauen. Sehen Sie ungefähr 20 Windungen beliebigen Drahtdurchmessers vor. Die azimutalen und vertikalen Strahlungsdiagramme der Koontz-EWE-Antenne zeigen Bild 4.13, 4.14, 4.15 und Diese Diagramme wurden mit der Nec-WIN-Basic-Software simuliert. Die Diagramme in Bild 4.13 und 4.14 basieren auf dem Sommerfield-Norton-Standard-Bodenmodell, Bild 4.13 zeigt das horizontale und Bild 4.14 das vertikale Diagramm. Die gleichen Diagramme, jetzt aber für einen realen Boden, zeigen die Diagramme in Bild 4.15 und 4.16 (vertikal). Antennen-Werkbuch.indb :29:50

16 78 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Bild 4.13 Bild 4.14 Antennen-Werkbuch.indb :29:51

17 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen 79 Bild 4.15 Bild 4.16 Antennen-Werkbuch.indb :29:51

18 80 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen 4.10 Die reversible EWE-Antenne Bild 4.17 Das Richtdiagramm der EWE-Antenne kann durch eine Anordnung gemäß Bild 4.17 um 180 Grad umgeschaltet werden. Die Speisepunkt- und Abschluss-Schaltung befinden sich dazu gemeinsam beim Empfänger. Der Transformator T1, die Spule L1, den Widerstand R1 und der Schalter S1 werden in einem Metallgehäuse eingebaut. Die Ausgänge des Gehäuses (d.h. die Anschlüsse des Umschalters) werden mit den unteren Enden der vertikalen Abschnitte der EWE-Antenne verbunden. Wenn der ohmsche Abschluss allein manchmal nicht ausreicht, kann noch eine kleine Induktivität in Serie vorgesehen werden. Dies ist die bei der Beverage-Antenne verwendete Methode, um die Richtung mit maximaler Dämpfung steuern zu können. Antennen-Werkbuch.indb :29:52

19 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Die doppelte EWE-Antenne Bild 4.18A Bild 4.18 A zeigt eine Modifikation der EWE- Antenne, die umschaltbare Richtwirkung ermöglicht. Dazu werden vier EWE-Antennen in Nord-Süd- und Ost-West-Richtung aufgebaut. Die Speisepunkte (A, B, C und D) werden mit einer Schalteranordnung verbunden, wie sie Bild 4.18 B (folgende Seite) zeigt. Die Richtwirkung der Antenne wird durch Öffnen und Schließen der vier Schalter (S1 bis S4) gesteuert. Antennen-Werkbuch.indb :29:52

20 82 Marconi-Antennen und andere unsymmetrische Antennen Bild 4.18B Antennen-Werkbuch.indb :29:53