Abenteuer Antennenbau

Dipolantenne

Die Antenne ist der beste HF-Verstärker. Diese Binsenweisheit gilt gleichermaßen für den Empfangs- wie für den Sendebetrieb. Bleibt nur noch zu klären, welche darf es denn sein? Der Rothammel bietet dazu in der 12. Auflage auf knapp 1000 Seiten Vorschläge an. In der neuen Auflage gönnt er sich weitere 500 Seiten. Das Internet bietet noch mehr, für jeden Geschmack etwas. Es kann einen Antennen-Dummie schon umtreiben.

Tags:

1 Vorüberlegungen

1 Vorüberlegungen

Wer Großgrundbesitzer mit 1.000 qm aufwärts ist, kann sich im Antennenhimmel frei bedienen. Normalsterbliche mit ein paar 100 qm Grund müssen mit Kompromissen leben. Mieter erst recht.

Mit der Frage nach einer "möglichst guten" Antenne für die Kurzwellenbänder auf einem 450 qm großen Grundstück, davon rund 90 qm vom Haus belegt, habe ich mich oft und lange im Internet herumgetrieben und den Rothammel [1] gewälzt.
Was wäre denn eine "gute" Antenne?

  1. Für alle Kurzwellenbänder nutzbar
  2. mit einem SWR = 1 am 50 Ω-TX
  3. mit einer hohen Strahlungsleistung, je nach Anspruch auch für DX geeignet.

Ein Dummyload beherrscht die ersten beiden Bedingungen perfekt, nur mit der Abstrahlung hapert es, wird nur warm. Ein λ/2-Dipol bekommt die beiden letzten Bedingungen gut hin, allerdings nur für ein schmales Band um die Resonanzfrequenz. Wie man es auch betrachtet, eine Antenne wird immer irgendwie ein Balanceakt zwischen Wunsch und Wirklichkeit sein.

Die erste RX-Behelfsantenne, 11m "Lang"-Draht unter dem Dachfirst mit 9:1 UnUn und Heizungsrohren als Gegengewicht war Murks. Der zweite Versuch mit den Windrispenbändern auf den Dachsparren, angepasst mit dem an anderer Stelle beschriebenen symmetrischen Antennenkoppler, war als symmetrisches Antennengebilde schon besser. Wann aber ist damit zu rechnen, dass der TX die Dachsparren ankokelt? Diese Antenne ist auch alles andere als ruhig, da sie, obwohl auf dem Dach, offenbar noch vom häuslichen Störnebel umwabert wird.

Bei unsymmetrischen Antennen vom Typ "Langdraht" ist die Niederführung zur Erde immer strahlender Bestandteil der gesamten Anordnung. Die gehört auf keinen Fall ins Innere des Hauses. Auch 22 mm dicke Kupfer-Heizungsrohre mit Anschluss an den Potenzialausgleich machen die Sache für Hochfrequenz nicht besser.

Also, Schlusspunkt unter die Versuche mit einer "Stealth"-Antenne und raus ins Freie damit. Und symmetrisch muss sie sein, ein Dipol. Ein Dipol ist zunächst einmal eine wie auch immer geartete Anordnung von zwei Strahlerhälften, im Kurzwellenbereich zwei Drähten, die zumeist in einer Linie aufgespannt sind (flat line dipole), mehr oder weniger waagerecht, schräg von oben nach unten als Sloper oder auch geknickt als Inverted-Vee, also in Form eines umgedrehten V.

Bei meinem Grundstück schied die gestreckte Variante schon mal aus, es sei denn, sie wäre mit insgesamt knapp 20 m recht kurz geworden. Eine Aufhängung in akzeptabler Höhe über Grund wäre auch problematisch gewesen. Also das ganze Projekt wieder knicken? Nein, die Antenne knicken. Mit der V-Variante, Mittenaufhängung auf dem Hausdach in 10 m Höhe und Abspannung zu je einem 6m-Fahnenmast an den Grundstücksgrenzen bot da schon mehr Gestaltungsmöglichkeiten.

Das Bauamt wurde vorsorglich befragt. In Bayern sind Antennenanlagen bis zu einer Höhe von 10m genehmigungsfrei. Ein Problem weniger.

Das Internet quillt über von Abhandlungen zum Thema Dipolantennen jedweder Bauform. Google bietet mit rund 2,5 Mio Treffern Stoff für lange Abende. Auch im Rothammel hat man auf über 50 Seiten die freie Auswahl. Es kursieren viele Mythen und Legenden, die bisweilen plausibel klingen, sich manchmal widersprechen oder auch offensichtlich schlicht der Phantasie entspringen. Es ist zu vermuten, dass diese aus den Anfangszeiten des Amateurfunks stammen, Resultat von Versuch und Irrtum und daraus gezogenen Schlussfolgerungen. Inzwischen gibt es ausgefuchste freie Programme [7], [8], mit denen die Wirkungsweise der geplanten Antenne simuliert werden kann.

Was denn nun? Wie denn nun? Der Antennenwald war dicht, der passende Baum kaum auszumachen. Nachfolgend versuche ich darzulegen, wie sich aus der verwirrenden Vielzahl der Informationen und Mythen eine Lösung herausgeschält hat, eine Antenne passend zu den örtlichen Gegebenheiten zu konzipieren. Mit diesem Ansatz als Hauptmotivator werden viele Aspekte nicht betrachtet. Hauptsache QRV.

Die Informationen, die ich hier wiedergebe, sind – außer der Beschreibung meiner tatsächlich gebauten Antenne – nicht auf meinem Mist gewachsen. Sie stammen aus verschiedenen Quellen, wovon die aus meiner Sicht wichtigsten unten angegeben sind. Ich habe nur versucht, diese zu ordnen und zu verstehen, dabei Dichtung und Wahrheit auseinander zu dividieren, und sie in meinen Worten verständlich zu machen. Ihre Zusammenstellung kann vielleicht anderen OMs, die wie ich als Erstbesucher im Antennenwald zunächst reichlich verwirrt sich dem Problem zu nähern versuchen, einige Entscheidungsmerkmale an die Hand geben.

2 Halbwellen-Monobanddipole

Die einfachste Antenne ist ein Halbwellendipol, Gesamtlänge λ/2, die ohne Tuner zu betreiben ist. Da der Fußpunktwiderstand bei λ/2-Resonanz und ausreichender Antennenhöhe in der Gegend von reell 50 Ω liegt, kann der Dipol ohne Umwege mit einem 50 Ω-Koaxkabel bei einem SWR nahe 1 gespeist werden. Das ist ein bestechender Vorteil, den der Dipol aber nur in einem kleinen Frequenzbereich um die λ/2-Resonanz ausspielen kann.

Unter Dipolantennen im engeren Sinne werden im allgemeinen Sprachgebrauch resonante Gebilde zusammengefasst, dem Wort nach also zweipolige Antennen mit zwei Strahlerhälften. Zumeist werden sie als λ/2 Halbwellenstrahler betrieben.

Die gesamte Strahlerlänge in Meter berechnet sich für die Halbwelle zu L = (150 * VF) / f.

Mit f = Frequenz in MHz und VF = Verkürzungsfaktor des Drahtes, für übliche 2 mm-Drähte VF=0,95…0,98. Die "150" ergibt sich aus der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (300.000 km/sec), hier geteilt durch 2 für eine Halbwelle. Der Verkürzungsfaktor, englisch zufällig auch mit "VF" (velocity factor) abgekürzt, charakterisiert die im Vergleich zum luftleeren Raum geringere Ausbreitungs-geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen auf den Leitern (Strahler und Zuleitung).

Diese wie alle nachfolgenden Formeln zu Antennenlängen können nur grobe Richtwerte liefern. Einflussfaktoren wie

  • Drahteigenschaften (Durchmesser, Leiter- und Isolationsmaterial),
  • Antennenhöhe über Grund,
  • Eigenschaften des Erdbodens wie Leitfähigkeit

finden in ihnen keine Berücksichtigung.

Für die Kurzwellenbänder mit VF=0,97 berechnet ergibt sich für den λ/2-Dipol:

Band Mittenfrequenz (MHz) L (m)
160 m 1,905 76,33
80 m 3,650 39,84
40 m 7,100 20,48
30 m 10,125 14,37
20 m 14,175 10,26
17 m 18,118 8,03
15 m 21,225 6,85
12 m 24,94 5,83
10 m 28,85 5,04

Tab. 2.1: Mechanische Gesamtlängen von λ/2-Dipolen.

Die "reine Lehre" gilt nur, wenn die Antenne mindestens λ/2 über Grund hängt, schon für das 40 m-Band ein Kunststück. Die jeweilige Umgebung beeinflusst durch Zusatzkapazitäten den Verkürzungsfaktor, so dass ein Trimmen der Strahlerlängen auf Resonanz erforderlich wird, im Jargon "abstimmen" (auf eine Frequenz) im Gegensatz zu "anpassen" (an eine Impedanz), s.u. zu 3. Hängt der Dipol ausreichend hoch im Vergleich zur Wellenlänge, tendiert der Verkürzungsfaktor in Richtung 0,98, bei niedrig aufgehängten Antennen zu 0,95 hin. Ebenso stellt sich ein Fußpunktwiderstand abhängig von der Höhe über Grund von nur ungefähr 50Ω ein, nach Rothammel bei λ/2 über Grund von ca. 68 Ω bei weniger als λ/2 auch deutlich darunter. In [4], Teil 5, gibt HB9ACC für einen 80 m-Halbwellendipol in 10 m Höhe z.B. 30 Ω an. Unter Inkaufnahme dieser Fehlanpassung soll sich ein solcher nicht ganz idealer Dipol ohne Antennentuner dennoch unmittelbar mit 50Ω-Koaxkabel an den TX mit einem SWR in der Gegend von 1 anschließen lassen. Bei 68 zu 50 Ω ergäbe sich z.B. ein SWR von knapp 1,4, sofern Resonanzfall mit reellem Fußpunktwiderstand vorliegt. Auch ein Vorteil, aber nur für ein mehr oder weniger breites Bandsegment und bei ausreichender Höhe im Vergleich zu λ.

Ob der direkte Anschluss des symmetrischen Dipols an ein unsymmetrisches Koax-Kabel der Weisheit letzter Schluss ist, darf aber bezweifelt werden. Ein Symmetrierglied, z.B. in Form eines 1:1 Strom-Baluns, ist wohl die bessere Lösung, siehe unten zu 5.3.

Wegen der sinnigen Frequenzfolge der Amateurbänder ergibt sich annähernd immer der Resonanzfall mit Vielfachen von λ/2 bei einer der o.g. Dipollängen, z.B. beim 80m λ/2-Dipol mit ca. 2x20m. Ein Strombauch in Dipolmitte mit vergleichsweise niedriger Fußpunktimpedanz stellt sich bei ungeradzahligen Vielfachen von λ/2 ein. Bei geradzahligen Vielfachen gibt es Spannungsbäuche mit hohen Fußpunktimpedanzen, bei denen manch ein Antennentuner streikt, insbesondere die in käuflichen TRX zum Schutz der Endstufe eingebauten. Mit 50 Ω Koax-Speisung kommt man außer bei λ/2, mit Einschränkungen auch noch bei 3/2, 5/2... λ, nicht weit.

80 m λ/2-Dipol, Gesamtlänge 39,84 m

Band Mittenfrequenz
(MHz)          (λ)
Länge
(λ)
λ
gerundet
 
Kopplung in Dipolmitte Impedanz
(Ω)
 
160 m 1,905 157,5 0,26 ~1/4 Spannung > 1.000
80 m 3,650 82,2 0,50 =1/2 Strom ~30-70
40 m 7,100 42,3 0,97 ~2/2 Spannung > 1.000
30 m 10,125 29,6 1,39 ~3/2 Strom ~100-150
20 m 14,175 21,2 1,94 ~4/2 Spannung > 1.000
17 m 18,118 16,6 2,48 ~5/2 Strom ~100-150
15 m 21,225 14,1 2,91 ~6/2 Spannung > 1.000
12 m 24,940 12,0 3,41 ~7/2 Strom ~100-150
10 m 28,850 10,4 3,95 ~8/2 Spannung > 1.000

Tab. 2.2: Fußpunktimpedanzen (qualitativ) bei Mehrbandbetrieb eines 80m λ/2-Dipols.

In dieser nur qualitativ zu verstehenden Tabelle wurde nicht ganz korrekt mit einem gleichen Verkürzungsfaktor (VF) von 0,97 gerechnet. Bei Längen von mehreren λ nimmt der VF zu, d.h. in den höheren Bändern wäre die Verkürzung etwas zurückzunehmen. Egal wie, oberhalb von λ/2 ist der Dipol immer etwas zu kurz.

Eine Antenne stellt nichts anderes als einen Serienschwingkreis mit einer ihr eigenen Resonanzfrequenz dar, bestehend aus einem reellen Wirkwiderstand (=Strahlungswiderstand plus ohmsche Verlustwiderstände), einer Kapazität und einer Induktivität als Blindwiderstände. Der kapazitive Anteil (1/ωC) hat nach Konvention ein negatives Vorzeichen, der induktive (ωL) ein posititives.

(komplexe) Impedanz: Z = R +jX = R + j (ωL-1/ωC)
Betrag der Impedanz:  |Z| = √(R2+X2)

Anschaulicher betrachtet: Bei Reaktanzen (Kapazität oder Induktivität) sind Spannung und Strom nicht in Phase. Bei einem Kondensator eilt der Strom der Spannung voraus, bei einer Induktivität ist es umgekehrt. Im bekannten Zeigerdiagramm bilden die Vektoren von R und X einen Phasenwinkel aus.

Aus der Addition beider Blindanteile bleibt zumeist ein Rest übrig, negativ: Kapazitätsanteil überwiegt (Betriebsfrequenz unterhalb der Resonanzfrequenz, Antenne zu kurz), positiv: Induktivitätsanteil überwiegt (Betriebsfrequenz oberhalb der Resonanzfrequenz, Antenne zu lang). Man müsste also eigentlich immer die komplexe Antennenimpedanz bei einer bestimmten Frequenz angeben, etwa
Z = 50 +j0 Ω bei 3,65 MHz, hier Resonanzfall mit ωL = 1/ωC und damit X = 0.

Der fiktive "Strahlungswiderstand" einer Antenne setzt die zugeführte Hochfrequenzenergie in elektromagnetische Strahlung um. Ganz analog zum ohmschen Widerstand, der elektrische Energie in abgestrahlte Wärme umsetzt. Auch wenn man es ihm in der obigen Impedanzformel nicht ansieht, ist der Strahlungswiderstand auch frequenzabhängig. Im Vergleich zur Wellenlänge deutlich zu kurze Antennen haben einen geringen Strahlungswiderstand mit entsprechend geringer abgegebener Strahlungsleistung.

Wird die Antenne mit der Resonanzfrequenz angeregt, sind die kapazitiven und induktiven Blindwiderstände gleich und heben sich auf. Es verbleibt der reelle Wirkwiderstand. Außerhalb der Resonanzbedingung wird die Fußpunktimpedanz der Antenne mit Blindanteilen komplex.

3 Anpassung und SWR

Die maximal mögliche Leistungsübertragung vom Sender auf die Antenne erfordert Leistungs­anpassung. Dazu müssen das Antennensystem, also Antenne, Zuleitung (Feeder) und Anpassungsvorrichtung (sofern vorhanden, Balun, Antennentuner) resonant und der Widerstand des Antennensystems als Last gleich dem Innenwiderstand des Senders als Quelle sein. "Resonant" heißt, dass kapazitive und induktive Blindwiderstände Null sind oder zu Null kompensiert wurden. Dass die Antenne selber resonant sein muss, z.B. bei einer Länge von λ/2 , ist nicht erforderlich, macht die Sache lediglich übersichtlicher.

3.1  Koax-Feeder

Betrachten wir zunächst die Ankopplung eines λ/2-Dipols an den TX mittels 50Ω-Koax. In der Nähe der Resonanzfrequenz funktioniert das auch üblicherweise, weiter abseits zunehmend schlechter. Unsauber bleibt dennoch der der unvermittelte Übergang vom symmetrischen Dipol auf das unsymmetrische Koax-Kabel.

Monobanddipol

Abb. 3.1: λ/2-Monobanddipol mit Koax-Speisung.

Ein außerhalb der Resonanzfrequenz unmittelbar hinter dem TX gemessenes "ideales" SWR von 1 muss nicht ein Indiz für eine optimale Anpassung an die Antenne bedeuten. Bei Fehlanpassung entstehen am Impedanzsprung Reflexionen. Die reflektierte Welle überlagert sich mit der einströmenden zu einer stehenden Welle auf der Zuleitung. Bei diesem Ping-Pong-Spiel der auf der Zuleitung hin und her laufenden Wellen verliert die reflektierte Welle aufgrund der je nach Koax-Typ und Frequenz nicht unbeträchtlichen Kabelverluste einen Teil ihrer Energie. Der Rest wird abgestrahlt.

Misst man die reflektierte Welle wie allgemein üblich zwischen TX-Ausgang und Feeder, täuscht diese verminderte Energie ein kleines SWR lediglich vor. Maßgeblich wäre das SWR am Antennenfußpunkt, der ist aber für Messungen kaum zugänglich. Den haben wir ja so hoch wie möglich aufgehängt.

Mit einem langen Koax-Feeder, der einen Teil der reflektierten Sendeleistung als Wärmeenergie verheizt und am senderseitigen Ende ein "optimales" SWR = 1 vortäuscht, gratuliert man sich voreilig zu diesem "schönen Erfolg". Ein schlechteres Koax-Kabel mit höherer Dämpfung würde den gemessenen SWR-Wert sogar noch verringern und das um so mehr, je höher die Frequenz ist. Am anderen Ende des Koax-Feeders sieht es ganz anders aus. Anders ausgedrückt: Gibt es stehende Wellen aufgrund von Fehlanpassungen mit hohem SWR, spielt der Verlust im Feeder eine wesentliche Rolle. Da sind zunächst einmal verlustarme Koaxkabel gefragt, besser aber fast verlustlose offene (symmetrische) Zweidrahtleitungen. Und Antennentuner.

Ein Vergleich zur groben Orientierung für das 10m-Band (http://www.arrg.us/pages/Loss-Calc.htm):

Typ dB/100m
RG58 (50Ω) 7,3
RG213 (50Ω) 3,5
Wireman CQ552 (450Ω) trocken 1,0
Wireman CQ552 (450Ω) nass 6,6
Open line "Hühnerleiter" (600Ω) 0,3

3.2  Zweidraht-Feeder

Bewegen wir uns weiter weg von der λ/2-Resonanz, kommt die Zweidrahtleitung wegen der geringen Stehwellenverluste ins Spiel. Die Antennenimpedanz läuft uns auch davon. Wir müssen die Antenne anpassen. Der ideale Ort einer Anpassung wäre der Antennenfußpunkt hoch oben und weit weg vom Shack. Nächstbeste Alternative ist ein Feeder aus einer verlustarmen Zweidrahtleitung und Anpassung in Reichweite.

Multibanddipol

Abb. 3.2: Nicht resonanter Dipol mit symmetrischer Speisung.

Die Anpassungsvorrichtung, i.a. ein Antennentuner (ATU) zwischen Sender und Feeder, kann mit der jeweils komplementären Reaktanz von Induktivitäten und Kapazitäten für eine Kompensation der Blindanteile und damit für Systemresonanz sorgen. Es verbleibt ein reeller Widerstand. Dieser lässt sich nun durch eine weitere Zuschaltung von passenden Induktivitäten und Kapazitäten im Anpassungsnetzwerk auf reelle 50Ω transformieren. Im Ergebnis bewirkt der damit hergestellte senderseitige Eingangswiderstand des Anpassungsnetzwerks von 50Ω eine Leistungsanpassung an die Senderendstufe. Am SWR auf dem Feeder ändert der ATU rein gar nichts. Aber damit kann ein Zweidraht-Feeder besser umgehen als einer aus Koax-Kabel. Insofern ist ein von 1 abweichendes SWR auf dem Feeder kein Qualitätskriterium für ein funktionierendes Antennensystem.

Was passiert, wenn wir das nicht tun? Bei Fehlanpassung an eine hohe Impedanz, die der Endstufe wenig Leistung abnimmt, entstehen entsprechend hohe HF-Spannungen, die die Endstufentransistoren durchschlagen lassen können. Fehlanpassung an eine geringe Impedanz zieht zu viel Leistung aus den Endstufentransistoren mit entsprechend zu hohen Strömen. Wenn wir die Sache übertreiben, wird sich in beiden Fällen die Endstufe verabschieden, wenn dies nicht eine Schutzschaltung verhindert.

3.3  Spezielle Feeder-Längen

Bei den hier auftretenden Fehlanpassungen, d.h. wenn der Feeder nicht mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, stellt sich ein zusätzlicher Effekt ein. Der Feeder verhält sich wie ein von seiner Länge und von der Frequenz/Wellenlänge abhängiger Impedanztransformator. Zwei herausragende Eckpunkte, unabhängig von der Bauform des Feeders:

  • Wenn die elektrische Kabellänge (unter Berücksichtigung des jeweiligen Verkürzungsfaktors) λ/2 oder Vielfache von λ/2 ist, erfolgt eine eins zu eins Impedanztransformation. Am Kabelende ist also die übertragene Impedanz identisch mit der Fußpunktimpedanz der Antenne.
  • Wenn die elektrische Kabellänge λ/4 oder ungerade Vielfache von λ/4 ist, erfolgt eine Umkehrung der Impedanzverhältnisse, d.h. eine hohe Antennen-Fußpunktimpedanz wandelt sich am Kabelende in eine niedrige Impedanz und umgekehrt ("Viertelwellen-Transformator").
    Die Eingangsimpedanz ZE transformiert sich hier über die Kabelimpedanz ZK zur Ausgangsimpedanz ZA gemäß ZA = ZK2 / ZE.

Die besagten Transformationsbedingungen λ/4 bzw. λ/2 einschließlich aller Zwischenzustände wiederholen sich natürlich bei ausreichender Länge nach jeweils weiteren λ/2 entlang des Feeders.

Mit der Länge des Feeders lässt sich also eine Antenne auch anpassen, allerdings nur in einem bestimmten Frequenz- und Oberwellenbereich. Diese besonderen Zuleitungskonfigurationen zur Impedanztransformation spielen bei den nachfolgenden Dipoltypen eine besondere Rolle. Nimmt man auch noch in Kauf, statt der einfach zu handhabenden Koax-Kabel auf mechanisch etwas anspruchsvollere symmetrische Speiseleitungen ("open wire feeder", "ladder line", "window line", "twinlead", "Paralleldrahtleitung", "Lecherleitung", "Hühnerleiter") umzusteigen, spielen SWR und dabei durch Reflexionen verursachte Verluste nur noch eine untergeordnete Rolle, insbesondere bei offenen Hühnerleitern.

Symmetrische Leitungen, also Paralleldrahtleitungen, sind von sich aus verlustarm. Somit können sie auch besser als Koax-Kabel mit einem hohen SWR umgehen. Da sie symmetrisch sind, sind die Ströme auf den beiden Leitern im Idealfall um 180° phasenverschoben. Auf einem Leiter geht's rauf, auf dem anderen um den gleichen Betrag zurück. Die beiden Phasen heben sich auf, so dass eine symmetrische Leitung nicht strahlt. Sie transportiert lediglich die HF-Energie ohne zusätzliche Strahlungsverluste zur Antenne. Wenn der Dipol genau symmetrisch aufgebaut ist, auch in Bezug auf seine nähere Umgebung (Höhe über Grund und metallische Gegenstände in der Nähe), trifft dies auch zu, wenn auch nur im "Idealfall".

Zurück zur Frage am Anfang zur Wunschantenne:

  1. Für alle Kurzwellenbänder nutzbar
  2. mit einem SWR = 1 am 50Ω-TX
  3. mit einer hohen Strahlungsleistung, je nach Anspruch auch für DX geeignet.

Eine für alle Bänder mit niedrigem SWR ohne Tuner mit hoher Strahlungsleistung arbeitende Wunderantenne gibt es nicht. Zumal nicht in unseren begrenzten örtlichen Umgebungen. Wenn wir nicht zufällig als Rancher in Texas geboren wurden, müssen wir mit Kompromissen leben.

4 Inverted Vee-Dipol

Eine platzsparende Variante von Dipolantennen ist die in Form eines umgedrehten V (Λ), also Dipolmitte möglichst hoch aufgehängt, die beiden Dipolenden nach unten gezogen. Die beiden Strahler bilden somit einen Winkel, der nach allen Quellen 90° nicht unterschreiten soll. Abwandlung davon: Winkeldipol, also ein liegendes V, wobei die Dipolmitte wieder möglichst hoch aufgehängt ist und die Enden ggf. tiefer gespannt sind.

Diese Antennen funktionieren deshalb, auch wenn die Antennenenden bei der Inverted-Vee nahe am Boden sind, weil sich der strahlungswirksame Antennenstrom auf ungefähr 2/3 um die Dipolmitte konzentriert. Und die hängt hoch. Die Resonanzfrequenz verschiebt sich aus der Annäherung an den Boden etwas nach unten. Ein weiterer Nebeneffekt infolge der gewinkelten Anordnung der Strahlerhälften ist eine Verringerung der Antennenimpedanz gegenüber der gestreckten Ausführung.

Für das nationale Klönband 80m dennoch kaum eine Chance, einen geknickten Halbwellendipol auf einem Reihenhausgrundstück unterzubringen.

5 Nichtresonante Multibanddipole

Muss ein Dipol in Resonanz betrieben werden, um HF-Energie abzustrahlen? Nein, muss er nicht. Eine Antenne strahlt immer, wenn ein in ihr fließender Hochfrequenzstrom ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Die einem Antennensystem zugeführte HF-Energie wird entweder in elektromagnetische Strahlung oder in Verlustwärme umgewandelt. Sie kann nicht anderweitig verschwinden. Hauptaspiranten für Verlustwärme sind Induktivitäten mit Ferriten im Tuner oder Balun, dielektrische Verluste im Feeder und ohmsche Verluste in den Antennen-, Feeder- und Spulendrähten. Ein resonanter Dipol vereinfacht mit einem reellen und niedrigen Fußpunktwiderstand nur die Anpassung an den Feeder und an den TX.

Der Artikel von WB5IIR, "The easy way" [10] zu nicht resonanten Dipolen und deren Anpassung ist erfrischend lesenswert.

Wenn wir nun einen Dipol einer beliebigen Länge (random length dipole) mit beliebigen Frequenzen innerhalb des Kurzwellenbereiches betreiben wollen, gibt es mehr oder weniger beliebige Impedanzen mit kapazitiven bzw. induktiven Blindanteilen am Fußpunkt, die zudem weit entfernt von reellen 50 Ω, die der TX sehen will, liegen werden. Folge ist ein mehr oder weniger hohes SWR. Gegen Verluste auf der Zuleitung sind daher symmetrische Anordnungen das Mittel der Wahl. Im folgenden "Hühnerleitern" oder allgemein "Feeder". Leute, die es einfacher haben wollen, nehmen 450 Ω-Wireman trotz witterungsbedingter Nachteile und mitunter nicht mehr handhabbarer hoher Ströme und Spannungen bei schwierigen Anpassungssituationen. Einen Antennentuner braucht es noch, der die Blindanteile kompensiert, die Impedanzen anpasst und auch gleich noch symmetrisch (balanced, Dipol+Feeder) nach unsymmetrisch (unbalanced, Koax-Kabel und TX) mit einem Balun (balanced - unbalanced) überführt.

Das räumliche Strahlungsverhalten, insbesondere weitab von λ/2 in Form eines mehr oder weniger verzipfelten Kleeblatts ist kein Entscheidungskriterium in Anbetracht örtlich beengter Gegebenheiten. Da muss man nehmen, was eben geht. Wie das gehen kann, zeigt DG0SA in [19].

Also, nicht resonante Dipolantennen verlangen nach symmetrischen Zweidrahtleitungen, z.B. Hühnerleitern, und nach einem symmetrischen Antennentuner, der auch abenteuerliche Impedanzen/Blindanteile wegsteckt. Mit diesen beiden Zutaten können Strahler- und Feederlängen mehr oder weniger willkürlich gewählt werden. Aber sehen wir erst einmal, was es neben resonanten Halbwellendipolen sonst noch gibt.

5.1  G5RV-Dipol

So weit hat die gedankliche Auseinandersetzung mit Dipolantennen bisher geführt: Dipole müssen nicht auf λ/2 Länge resonant betrieben werden. Die Strahler können auch gewinkelt sein. Die Dipollänge kann (in Maßen) verkürzt werden. Mehrbandbetrieb ist möglich. Feeder als Hühnerleiter oder Wireman. Aber ein ATU ist in der Regel erforderlich. Den gibt es ja schon.

Als ich befreundeten OMs von meiner Vorauswahl "G5RV" erzählte, erntete ich große Zustimmung: sehr gute Universalantenne. Louis Varney, G5RV, hat sie Ende der 1940er Jahre erfunden und 1958 dann veröffentlicht. Soweit den Quellen im Internet zu entnehmen ist, war diese Antenne ursprünglich gar nicht als Multibanddipol gedacht.

G5RV

Abb. 5.1: G5RV-Dipol.

Es sollte eine 20m-Antenne werden, nach Möglichkeit auch für andere Bänder, die noch in Mr. Varney's Garten passt. Sie ist tatsächlich ein 3/2 λ -Dipol für das 20m-Band mit einer Fußpunktimpedanz von ca. 100 Ω. Bei der symmetrischen Antennenzuleitung handelt es sich bei der Auslegungsfrequenz 14,15 MHz um einen λ/2 Impedanztransformator, der die Antennenimpedanz 1:1 nach unten weitergibt. Da die damaligen Röhrensender hochohmiger waren als heutige Halbleiterendstufen, kommen 100 Ω Antennenimpedanz und 75 Ω Koax oder Twinlead halbwegs gut miteinander zurecht.

Die gesamte Strahlerlänge L1 berechnet sich zu (Formel für Langdrahtantenne):

L1 (ft)  = 492 * (n - 0,05) / f
L1 (m)  = 150 * (n - 0,05) / f

Mit n = Anzahl der Halbwellen, hier 3
und 0,05 = 1-Verkürzungsfaktor VF, hier VF=0,95
und f = 14.15 MHz,
Drahtstärke mindestens AWG 14 = 1,63 mm Durchmesser,
wird L1 = 102,57 ft  = 31,27m (1 ft = 0,3048 m).

Varney hat auf 102 ft abgerundet mit der Begründung, dass das gesamte Antennensystem (Strahler plus Feeder) in Resonanz gebracht wird "by the use of a matching network", also mit Hinzunahme einer Teillänge des Feeders.

Auf allen anderen Bändern ist die Aufgabe des bei 14,15 MHz λ/2 langen Feeders, als "make up section" zu wirken. Will heißen, der Feeder ergänzt mit einer Teillänge das fehlende Stück der Wellenlänge, die nicht mehr auf den Strahler passt.

Die elektrische Länge des Feeders ist λ/2 bei 14,15 MHz.

Die mechanische Länge des Feeders berechnet sich für die Halbwelle wie oben zu
L2 (m) = (150 * VF) / f.

Feeder-Art VF Feeder-Länge L2 (m)
Hühnerleiter (open wire) 0,97 10,28
450 Ω Wireman (window line) 0,90 9,54
240 Ω Flachkabel (TV twin lead) 0,82 8,69

Tab. 5.1: G5RV-Feederleitungen.

Der durchschlagende Erfolg dieser Antenne war gesichert, da sie ohne Tuner Betrieb auf 80, 40 und 20m erlaubt, in den anderen Bändern wegen der hohen Blindanteile nur mit Tuner [9]. Wer mehr wissen will, Google bietet zu "G5RV" mit ca. 220.000 Treffern genügend Lesestoff. Eines ist sie nicht: eine ohne Tuner zu betreibende Universalantenne mit niedrigem SWR über alle Kurzwellenbänder.

5.2  ZS6BKW-Dipol

Das Herumzirkeln auf meinem Grundstücksplan für eine G5RV blieb unbefriedigend. Die 2 x 15,5 m waren mit einem Winkel von > 90° nicht unterzubringen, wollte ich mich doch an ein bewährtes Design anlehnen. Aber die G5RV hat im Lauf der Jahre Vettern bekommen, z.B. die ZS6BKW. Sie soll für KW-Bänder 40, 20, 17, 12 und 10m ohne ATU, mit ATU auch für 80, 30 und 15m brauchbar sein. Das muss sie sein, die eierlegende Wollmilchsau!? Und sie lässt sich in Winkelform auf meinem Grundstück unterbringen.

Merkwürdigerweise sind im Internet kaum Originalartikel von Brian Austin, G0GSF, ex ZS6BKW, zu finden. Einige informative Quellen sind in [12] bis [18] angegeben. Soweit daraus zu entnehmen ist, machte sich ZS6BKW im Jahre 2007 mit Freigabe der WARC-Bänder 12, 17 und 30m Gedanken, die Mängel der G5RV, die diese Bänder nicht abdeckte, unter die Lupe zu nehmen. Mit einem Computerprogramm gelang es ihm, die Strahlerlänge L1 und die Feederlänge L2 (Abb. 5.1) zusammen mit der Feederimpedanz unter der Maßgabe SWR < 2 so gegeneinander zu variieren, dass ein Betrieb auf 40, 20, 17, 12 und 10m ohne ATU, mit ATU auch auf 80, 30 und 15m möglich wurde.

Das Ergebnis der ersten Modifikation der ursprünglichen G5RV ist in [12], [13] und [15] zu finden, L1 und L2 als mechanische Längen.
Nach [12]:
L1 = 28,5 m
L2 = 13,3 m* VF,
Zweidraht-Feeder, in [12] ohne weitere Angabe.

Nach [13], anscheinend eine Abschrift des Originalartikels:
L1 = 28,4 m
L2 = 11,1 m (300 Ω-Flachkabel)
Mit einem VF=0,85 für das 300 Ω-Flachkabel ergäbe sich
L2 = 13,06 m * VF.

Nach [15] mit ausführlichen Berechnungen mit NEC4:
L1 = 28,4 m (=0,6726 λ, bezogen auf 7,1, nicht 14,2 MHz)
L2 = 13,6 m (=0,3221 λ, bezogen auf 7,1, nicht 14,2 MHz).

In [18] ist ein Berechnungsschema angegeben:
L1 = 1,35 λ @ 14,2 MHz, also
L1 = 1,35 * 300 / 14,2 = 28,52 m
L2 = 0,62 λ * VF @ 14,2 MHz, also
L2 = 0,62 * 300 * VF / 14,2 = 13,11 m * VF.

Offenbar gab es eine Nachfolgeversion mit einem allgemein verfügbaren Feederkabel [14]:
L1 = 27,5 m
L2 = 12,2 m (450 Ω Wireman window line)
Mit einem VF = 0,90 für das Wireman-Kabel ergäbe sich
L2 = 13,56 m * VF.

Die in den Quellen [12], [13], [15] und [18] erkennbaren geringfügigen Unterschiede resultieren vermutlich aus den jeweils unterschiedlichen örtlichen Gegebenheiten der Aufbauten, die, wie oben erläutert, unterschiedliche Verkürzungsfaktoren bewirken. Auch ist nicht immer ersichtlich, mit welchen Drahtsorten gearbeitet wurde. Bei gleichem Durchmesser haben blanke und isolierte Drähte/Litzen ihrerseits leicht unterschiedliche Verkürzungsfaktoren. Will heißen, dass man Anpassungen mit dem Seitenschneider nach dem Motto "Dreimal abgeschnitten ist immer noch zu kurz" vornehmen müssen wird, will man ohne ATU auskommen.

Wie bei der G5RV (Abb. 5.1) soll der TX über ein beliebig langes Koaxkabel, hier 50 Ω, ohne Balun direkt an den Zweidraht-Feeder angeschlossen werden können. Der Übergang von einer symmetrischen Leitung auf das unsymmetrische Koax ist jedoch nicht ganz unproblematisch, s.u. zu 5.4.

Insgesamt tatsächlich fast eine "Wunderantenne". L. B. Cebik, W4RNL, schreibt dazu treffend in "The G5RV Antenna System Re-Visited Part 3: The Almost-No-ATU G5RV-Type Antenna" [15]:
"From 80 to 10 meters, Austin's system provides an acceptable match on 5 out of the 8 bands under most conditions without an antenna tuner. This is the best result that has been achieved of any of the systems that has come to my attention."

5.3  Noch was zur Begriffsverwirrung

Beim Stöbern im Internet stolpert man über weitere Bezeichnungen zu Dipolantennen, neben den mit Rufzeichen der Erfinder wie "G5RV" und "ZS6BKW" verbundenen etwa "Doppel-Zepp", "Doublet" und "Levy".

Alle umschreiben den selben Dipoltyp: im allgemeinen nicht resonant mit Zweidraht-Feeder und zumeist mit Anpassungsnetzwerk (Antennentuner), mit abgestimmtem oder beliebig langem Feeder. Die G5RV ist z.B. eine Doppelzepp mit 31,2 m Strahlerlänge und abgestimmtem Feeder.

Die Doppel-Zepp ist eine symmetrische Abwandlung der Zeppelin-Antenne um einen zweiten Strahler und Mitteneinspeisung. Die ursprüngliche Zeppelin-Antenne baumelte seinerzeit als Schleppantenne mit einem (1) endgespeisten λ/2-Strahler an einem angepassten λ/4 Zweidrahtfeeder unter der Gondel der ruhmreichen Zeppeline, möglichst weit weg von der explosiven Wasserstofffüllung.

Die Begriffe werden offenbar mehrdeutig verwendet. Unterscheidungsmerkmale für Abkömmlinge der Zeppelin-Antenne ("Zepp") scheinen aber zu sein:

Bezeichnung Speisung Länge
Zepp endgespeist 1/2 λ
Extended Zepp endgespeist 5/8 λ
Double Zepp mittengespeist 1 λ
Extended Double Zepp mittengespeist 5/4 λ

Tab. 5.2: Varianten der Zeppelin-Antenne.

Die Speisung erfolgt symmetrisch mit angepasstem λ/4 Zweidraht-Feeder (Impedanzumkehr), ggf. Verlängerung um weitere 1, 2, …λ (1:1 Impedanzbewahrung).

"Levy-Antenne" wird besonders im französischen Sprachraum als Synonym für den Halbwellendipol verwendet. Der Franzose Lucien Lévy hat in den 1920er Jahren, anders als Marconi mit Monopol-antennen, den Hertz'schen Dipol als Sendeantenne verwendet. Er hat übrigens auch den Überlagerungsempfänger (Superhet) erfunden. Aber das ist wohl nicht ganz ausgemacht. Zur gleichen Zeit, ca. 1918, haben auch Edwin Armstrong (USA) und Walter Schottky (D) daran gearbeitet. Seien wir also allen dreien dankbar.

"Doublet" ist nichts anderes als eine andere Schreibweise von "Dipol" = Zweipol, also einer Antenne mit zwei Strahlerhälften.

5.3  Symmetrierung und Mantelwellen

Dem HF-Techniker sträuben sich wahrscheinlich die Nackenhaare beim Anschluss eines symmetrischen Gebildes wie eines Dipols und eines symmetrischen Feeders an ein unsymmetrisches Koax-Kabel.

In unserem symmetrischen System Dipol + symmetrischer Feeder fließt, so hoffen wir, der HF-Strom gegenphasig, d.h. in einen Ast hinein und aus dem zweiten gleichgroß wieder hinaus (Gegentaktstrom, differential mode current). Ergebnis: der Dipol strahlt, der Feeder nicht, da sich dort die gegenphasigen Wellen zu Null aufheben. Das ist prinzipiell gleich bei symmetrischen wie auch unsymmetrischen Feedern. Bei einem Koax-Kabel allerdings mit einem bedeutenden Unterschied, bedingt durch den Skin-Effekt bei Hochfrequenz. Abhängig von der Frequenz und damit von der Schichtdicke, in der der Skin-Effekt auf der inneren und äußeren Oberfläche der Koax-Abschirmung wirksam wird, können zwei (!) voneinander unabhängige Ströme im Inneren und an der Außenseite der Koax-Abschirmung fließen. Im Inneren des Koax-Kabels, also zwischen Kabelseele und Innenseite der Abschirmung, haben wir weiterhin die gegenphasigen Verhältnisse wie oben. Auf der Außenseite der Koax-Abschirmung kann ein dritter Strom, der Mantelwellenstrom auftreten, zu dem es keinen gegenphasigen Ausgleich gibt (Gleichtaktstrom, common mode current). Das ist immer dann der Fall, wenn die Symmetrie des Antennensystems gestört ist. Die Umgebung ist nie symmetrisch. Das Koax-Kabel mit Verbindung seiner Abschirmung zur Erde auf verschlungenen Wegen durch die Hausinstallation schon mal gar nicht. Als Folge der Asymmetrie entstehen Ausgleichströme. Und die strahlen.

Der Mantelwellenstrom als "Mantel außen um das Kabel" entlang der Koax-Abschirmung erzeugt also unerwünschte Strahlung, die wiederum einem Ast des Dipols fehlt. Der Feeder strahlt, als wäre eine dritte Leitung im Spiel. Mit dem am TX geerdeten Feeder holen wir uns die Strahlung ins Haus. Wenn wir uns die Finger am TX verbrennen oder die Heizung im Sommer anspringt, haben wir den Salat. Was strahlen kann, kann auch Signale aufnehmen. Der Störpegel im RX wird sich damit auch noch erhöhen.

Für diese "dritte Leitung" gelten auch die o.a. Transformationsbedingungen bei Koax-Längen von λ/4 und λ/2 und Vielfachen mit hohen oder niedrigen Impedanzen, somit mit niedrigen oder hohen Gleichtaktströmen. Änderungen der Frequenz oder der Länge der Koax-Leitung verändern in der Folge das SWR. Die bisweilen zu lesende Behauptung, die Länge des unmittelbar an den symmetrischen Feeder angeschlossenen Koax-Kabels sei wesentlich für ein "gutes" SWR, ist ein Märchen. Sie mag zwar für bestimmte Frequenzbereiche zutreffen, ist aber nur Ausdruck für das Kurieren von Symptomen, ohne die genannten Ursachen zu beheben.

Wir brauchen eine Mantelwellensperre, die den Gleichtaktstrom reduziert, den Gegentaktstrom aber ungehindert passieren lässt. Beispiele sind (dg0sa.de zeigt einige)

  • Luftbalun aus einigen Windungen Koax-Kabel, wegen der damit erzielbaren geringen induktiven Dämpfung aber nur in den höheren Bändern wirksam,
  • 1:1 Strombalun aus zwei bifilar gewickelten Drähten auf hochpermeablen Ringkernen oder Stäben, µ ~ 40 bis 250, je nach Frequenz mit Kernverlusten,
  • 1:1 Ringkern-Balun mit Koax-Kabel nach W1JR,
  • Auf das Koax aufgeschobene Ferrit-Ringkerne nach W2DU, davon aber eine Menge.

Die verschiedensten Bauformen sind z.B. bei DF1BT [23] zu bewundern.

Dieses Thema im Zusammenhang mit Dipolen wird im Netz heiß diskutiert: 1:1 Strom-Balun oder Mantelwellensperre unbedingt notwendig bis zu völlig überflüssig. Louis Varney ist an der Mythenbildung darüber auch nicht ganz unschuldig, hat er doch den Einsatz von Baluns am Übergang von der Zweidrahtleitung auf das Koax des G5RV-Dipols mal als unnötig bezeichnet, dann aber wieder befürwortet. Offenbar sind die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten und Betriebsbedingungen die Problemursache. Eine schöne Abhandlung ist in [20] zu finden.

6 Die Antenne entsteht

6.1  Grundrissplan

Mit den vielversprechenden Daten der ZS6BKW rückte die Lösung schon näher. Als inverted V, mit dem Zentralmast auf dem Hausdach in ca. 10m Höhe, die V-Schenkel rechts und links an den Grundstücksgrenzen zu je einem 6m-Fahnenmast abgespannt, ist was zu machen. Der Winkel zwischen den zwei Schenkeln sollte nach der Literatur nicht kleiner als 90° sein. Mit ein wenig Herumzirkeln war tatsächlich ein Winkel von 91° zu schaffen.

Da ohnehin der an anderer Stelle auf dieser Website beschriebene symmetrische Antennentuner endlich statt an der Windrispen-Behelfsantenne an einer ordentlichen Außenantenne zum Einsatz kommen sollte, wären die Design-Vorgaben der o.g. Antennenformen, zumindest auf einigen Bändern ohne ATU auszukommen, weniger einschränkend. Anders gesagt, bei den Strahler- und Feederlängen könnte ich mich nach den vorhandenen Gegebenheiten richten, also mehr oder weniger willkürliche Längen wählen. Den Rest wird der ATU schon richten.

Für die Feederleitung kam von vorneherein nur eine Selbstbau-Hühnerleiter in direkter Fortführung der Strahlerdrähte in Frage (Abb. 6.2, 6.3). Die kunststoffisolierten Flachleitungen wie der 450 Ω Wireman haben ja nicht den besten Ruf in Bezug auf Effekte durch die unvermeidliche Verschmutzung und durch Regenwasser, Reif oder Eis.

Grundrissplan

Abb. 6.1: Grundriss.

Um das zeitraubende Zusammensuchen aller Einzelteile im Internet zu verkürzen, ist im Anhang eine Stückliste mit möglichen Lieferanten angeführt.

6.2  Isolatoren

Für die Mitteneinspeisung, die Spreizer und Abstandhalter (Dachrinnenumlenkung) für die Hühnerleiter wird Isoliermaterial benötigt. Welcher Isolierstoff ist hier geeignet?

  • Plexiglas-Bastlerplatten aus dem Baumarkt
    Nicht geeignet. Sie sind nicht aus "Plexiglas" (geschützte Bezeichnung für Polyacryl von Evonik), sondern aus Polystyrol (PS). Dieses ist nicht UV-stabil.
  • Polycarbonat (PC): Mechanisch optimal, da praktisch "unkaputtbar". Polycarbonat ist von sich aus auch nicht UV-stabil. Es gibt zwar auch UV-stabile Ausführungen mit speziellen Oberflächenbeschichtungen, an den Schnittkanten geht sie aber verloren.
    Seit dem Sommer 2013 hängt ein probeweise zugeschnitterer Polycarbonat-Hühnerleiterspreizer zum Test an der Südseite meines Hauses. Bislang hat die Sonne ihm noch nicht merklich zugesetzt. Kann aber wohl noch kommen.
  • Polyacryl ("Plexiglas", Polymethylmethacrylat, PMMA): Ist zwar nicht so mechanisch belastbar wie Polycarbonat, dafür aber UV-stabil. Ein befreundetes Unternehmen der Kunststoff-verarbeitung half mir großzügig mit Abfallstücken. Ansonsten sind Kleinmengen im Internet zu finden, wohl auch bei örtlichen Glasern, Schreinern oder Messebauunternehmen. Polyacryl gibt es in zwei Varianten: extrudiert bzw. gegossen. Das gegossene Polyacryl hat bessere mechanische Eigenschaften wegen der längeren Molekülketten. Für die besagte Dachrinnenumlenkung und den Mittenisolator wurde gegossenes Polyacryl der Stärke 6 mm verwendet, für die Hühnerleiterspreizer 3 mm starke Streifen extrudiertes Polyacryl (war gerade in passender Breite im Abfallcontainer) von 10 cm Länge.

Polyacryl wie auch Polycarbonat lassen sich problemlos mit der Kreissäge zuschneiden. Bohren auch kein Problem, bei größeren Durchmessern ist Kühlen mit etwas Wasser ratsam.

Polyacryl-Spreizer

Abb.6.2: Acryl-Spreizer 100x20x3 mm, Leiterabstand 84 mm.

Die Fixierung der Leiterdrähte mit je einem Kabelbinder gestattet ein nachträgliches Umhängen der Spreizer ohne Beschädigung der Drähte.
Weitere Ideen für Spreizer und Antennenbau: http://www.dl2lto.de/sc/index_HB.htm

Mittenisolator

Abb. 6.3: Acryl-Mittenisolator 110x80x6 mm.

Bedingt durch die Zentralaufhängung am Mast (2m, 50 mm Ø) auf dem Dach lässt sich der Feeder nicht in seiner Gesamtlänge senkrecht nach unten führen. Er hängt zwischen Mittenisolator und dem Dachrinnenumlenker so weit durch, dass zu den Dachpfannen ein Mindestabstand von ca. 10 cm verbleibt (Abb. 6.4, 6.5).

Haus Seitenansicht

Abb. 6.4: Antennenanlage in der Seitenansicht.

Dachrinnenumlenker

Abb. 6.5: Acryl-Dachrinnenumlenker.

Noch ein Wort zu den Fahnenmasten. Die klapprigen mehrteiligen Fahnenmasten aus dem Baumarkt oder von Versandhäusern zu ca. 50 € oder sogar noch weniger kann man vergessen. Die verwendeten Masten sind zwar nicht gerade billig, aber ihren Preis wert, auch wenn es als Dreingabe wie bei den Schnäppchenmasten keine Flagge nach Wahl gibt.

Natürlich müssen die drei Masten ordentlich geerdet werden. Der Zentralmast auf dem Dach ist mit einem Erdkabel (NYY-J 1x16mm2 Volldraht) über eine Dachrinnenklemme entlang der Außenseite des Hauses mit einem 2,5 m langen Kreuzerder verbunden. Von diesem ist mit dem gleichen Erdkabel eine Verbindung zum Fundamenterder hergestellt. Die beiden Fahnenmasten sind mit jeweils einem 1,5 m langen Kreuzerder geerdet.

Zumindest für das Einschlagen der Kreuzerder erwies sich das Hundewetter im Frühjahr 2013 als ein Vorteil. Der Lehmboden war einigermaßen aufgeweicht, so dass die 1,5 m langen Kreuzerder fast wie Butter reingingen. Für den 2,5 m langen Kreuzerder wurde zunächst ein Loch mit einem schmalen Spaten gegraben, ca. 75 cm tief, und über eine Woche lang täglich eine 10 Liter Gießkanne dort hinein entleert.

Zur Ableitung elektrostatischer Aufladungen und Überspannungen ist eine Schutzvorrichtung mit der Hühnerleiter verbunden. Die Erdung erfolgt am o.g. Erdungskabel. Als Überspannungsschutz wurden zwei EPCOS "Surge Arrester" verwendet. Überspannungen entladen sich mit einem Lichtbogen in der gasgefüllten Pille.

Antenne Surge Protector

Abb. 6.6: Überspannungsschutz.

Eine Barriere gilt es noch zu überwinden: die Hauswand. Alternative 1, Antennentuner draußen und Koax-Kabel durch die Wand führen, ist wenig attraktiv. Der ATU braucht ein Gehäuse mit mindestens IP54 (Spritzwasserschutz). Hat er nicht. Alternative 2, mit den zwei Feederleitungen durch die Wand blieb dann übrig. Da der Feeder wohlweislich an der Außenwand des Shack verlief, sollte das keine Schwierigkeit machen. Bei meiner Hütte, einem Fachwerkhaus, wurde ein Balken durchbohrt. Bei einem ordentlichen Haus mit massiven Mauern nimmt man zum Bohren halt Stein- statt Holzbohrer. Die Durchführungen wurden mit einem Kunststoffrohr, Außendurchmesser 11,5 mm, einer Messing-Gewindestange, Messingmuttern, Kfz-Kabelschuhen (alles aus dem Baumarkt) und einigen Abschnitten RG213-Isolation angefertigt. Zusätzlich mit der schwarzen RG213-Außenisolation wird der Innendurchmesser des Kunststoffrohrs genau getroffen. Abgedichtet wird mit Heißkleber.

Wanddurchführung

Abb. 6.7: Wanddurchführung (schematisch).

So ist der Antennentuner vom Dachboden wieder im Shack gelandet. Hätte ich mir die RS485-Fernsteuerung auch sparen können.

Das Aufstellen der Fahnenmasten erregte noch keinen Argwohn bei der Nachbarschaft, wurden doch sogleich zu meinem Geburtstag Flaggen meiner Heimatstadt Köln aufgezogen - nicht gerade patriotisch auf bayerischem Boden. Besorgte Fragen kamen dann doch, als an einem sonnigen Samstag  die Antenne hochgezogen war. Man gab sich aber zufrieden  mit der Antwort "Amateurfunkantenne". Frage beantwortet. Fernseher läuft immer noch. Bayerische Bodenständigkeit ist doch was Schönes.

6.3  Antennenabmessungen

Da die 2 x 13,75 m nach ZS6BKW für die beiden Dipoläste in V-Form gut unterzubringen waren, blieb es dabei. War noch die Frage nach der Länge der Hühnerleiter zu klären. Hierzu wurde der DZRechner von DK1RP [21] als Idee für eine erweiterte Excel-Anwendung genommen. Es galt, die Spannungs-kopplungen mit hoher Impedanz bei Vielfachen von λ/2 für die Gesamtlänge (Dipolhälfte + Feeder) für möglichst viele Bänder zu vermeiden. Bei Verzicht auf das 12m-Band mit hoher Impedanz bei ca. 2λ ergab sich mit 9,2 m ein akzeptabler Kompromiss.

Antenne DZRechner ZS6BKW

Tab. 6.1: Abschätzung zu kritischen Feeder-Abmessungen nach DK1RP.

Grüne Markierungen "Low Z" bei Stromkopplung werden angezeigt für Spannen +/- 0,05 λ um ungerade Vielfache von λ/4, z.B. bei 80m für Gesamtlängen zwischen 0,2 und 0,3 λ, rote Markierungen "High Z" bei Spannungskopplung für Spannen +/- 0,05 λ um ganzzahlige Vielfache von λ/2, z.B. bei 12m zwischen 1,95 und 2,05 λ. Diese Grenzwerte für "grün=gut" und "rot=schlecht" sind mehr oder weniger willkürlich in der Annahme, dass die Grenzen scharf ausgeprägt sind. Gelbe Markierungen liegen irgendwo dazwischen. Ob dies zu belastbaren Ergebnissen führt, wird sich weiter unten zeigen.

Um ermessen zu können, wie zuverlässig die Ergebnisse der Excel-Berechnungen sind, wurden die Literaturwerte für die G5RV und die ZS6BKW eingesetzt. Bei der G5RV zeigt sich die Stärke bei 20m wie von G5RV ursprünglich beabsichtigt. Mit den Abmessungen aus Ziffer 5.1, letztes Zitat (Wireman-Feeder), sind für die ZS6BKW keine besonderen Stärken mit Impedanzen in der Gegend von 50 Ω auszumachen. Im 30m-Band sind mit einer Gesamtlänge von 1λ, im 15m-Band mit 2λ hohe Impedanzen zu erwarten.

Genauere Aussagen sollten mit Antennen-Simulationsprogrammen möglich sein. Nach einigem Probieren gelang es dann doch noch, mit MMANA-GAL halbwegs zurechtzukommen [22]. In der vermutlich irrigen Annahme, dass auch die Hühnerleiter als integraler Bestandteil der Antenne in der Geometriedefinition von MMANA festzulegen ist, wurde die Antenne wie folgt parametriert.

Antenne ZS6BKW MMANA  mit Feeder

Abb. 6.8:, Geometriedaten für MMANA, erster Versuch.

Da der Feeder als Anpassungselement Bestandteil der Antenne ist und mit der Länge von 12,2m in der Senkrechten die Zentralaufhängung in 10m Höhe übersteigen würde, wurde er in der Simulation bei 8m waagerecht abgeknickt. Im Register "Calculate/Berechnen" ist daher mit "Add height/Höhe" = 2m die Höhe der Zentralaufhängung von 10m wiederhergestellt. "Add height" addiert den dort eingestellten Wert zur Z=0 – Koordinate. Das ist hier das untere Ende am Knick des Feeders.

Der Einspeisepunkt (7) ist ein virtueller Draht zwischen den Feeder-Enden (5) und (6), mittig eingespeist. Der Abstand der Feeder-Leitungen ist 84mm, d.h. bezogen auf die Y-Achse +/- 0,042m.

Surprise, surprise! Die Ergebnisse aus Tabelle 6.1 und MMANA-Berechnungen passten einfach nicht zusammen. Lässt Tab. 6.1 z.B. im 80m-Band auf eine niedrige Impedanz mit problemloser Anpassung hoffen, so platzt mit einem SWR bei Anpassung an 50 Ω von 27 laut MMANA dieser Traum sogleich wieder.

Was läuft hier falsch? Berechnet MMANA die Impedanztransformation auf dem Feeder richtig? Offenbar nicht. Entweder Denkfehler bei der Geometriedefinition oder MMANA kann so etwas nicht. Das Help-File war auch keine rechte Hilfe.

Zweiter Versuch.
Es wurde nur der Strahler simuliert (Abb. 6.9): Drähte (1) und (2) in Abb. 6.8, Mittenabstand 84mm, dazwischen ein dritter virtueller Draht mit mittigem Einspeisepunkt wie oben. Zentralaufhängung 10m über Grund. Ermittelt wird damit die Fußpunktimpedanz direkt an den Strahlern. Die Impedanz-transformation am Ende des Feeders wird mit einem eigens hierfür erstellten Excel-Sheet berechnet. Das sah schon gesünder aus. Mit den in der gelben Zeile "Antenna imp." in Tab. 6.2 eingegebenen Fußpunktimpedanzen aus der MMANA-Simulation berechnet Excel die transformierten Impedanzen am TX-seitigen Ende der Hühnerleiter entsprechend deren Länge.

Antenne ZS6BKW MMANA ohne Feeder

Abb. 6.9: Geometriedefinition nur für den Dipol (zweiter Versuch).

Die "Prognosen" nach Tab. 6.1 treffen hier auch nicht zu. Der DZRechner von DK1RP bzw. meine nachempfundene Excel-Tabelle ist offenbar nur mit einem gesunden Misstrauen zu gebrauchen, wenn überhaupt. Von einer Anlage im Download sehe ich daher lieber ab.

Antenne ZS6BKW Transmissionline

Tab. 6.2: Impedanztransformation auf der Hühnerleiter.

Bei 10m Feederlänge könnte es für den ATU eng werden im 17 und 12m-Band, bei 11m im 12 und 10m-Band. Mit 12m Feederlänge sind Wirk- und Blindwiderstände deutlich unter 1kΩ gefallen. In allen Fällen ist auf 80m ist eine deutliche Aufwärtstransformation mit dem ATU erforderlich.

Fehlt noch die Probe auf's Exempel: Original ZS6BKW (Strahler 2x13,75m, Wireman CQ553 12,2m), mit MMANA wie oben nur der Dipol berechnet, hier aber gestreckt, 10m über Grund und Feeder-Transformation bei 12,2m mit Excel).

Antenne ZS6BKW Orig Transmissionline

Tab. 6.3: Probesimulation Original ZS6BKW.

Die Original ZS6BKW soll ohne ATU "gut", d.h. mit einem SWR < 2, laufen auf 40, 20, 17 und 12m. Kann bestätigt werden (grüne Markierungen in Tab. 6.3). Für die Bänder 80, 30 und 15m ist ein ATU erforderlich. Wohl auch einzusehen (rote Markierungen in Tab. 6.3). Insoweit ist also Vertrauen in die bisherigen Berechnungsbemühungen mit MMANA für den Dipol und mit Excel für den Feeder hergestellt.

Im Artikel "Anzeige nach BEMFV" auf dieser Website ist die Anwendung eines zweiten - auch kostenlosen und dazu wesentlich mächtigeren - Programms zur Antennenmodellierung beschrieben: 4NEC2 von Arie Voors [7].

6 Anpassungen am Vorgänger 2013/2016

Es ist nicht nötig, im Steuergerät die Controllerplatine durch die neue zu ersetzen. Es sind lediglich der vormalige Diodenverstärker IC6 von den ADC-Eingängen zu trennen und die FWD- und REV-Ausgänge des neuen Kopplers an die ADC-Eingänge ADC0, Pin37, (FWD) und ADC1, Pin36, (REV) anzulöten, siehe Abb. 6.1. Die +12V-Versorgung könnte noch an Pin8 des IC6 abgetrennt werden.

Controller 2013 Platinenänderung

Abb. 6.1: Abkoppeln des Diodenverstärkers IC6 der Version 2013/2016.

Der 16MHz-Quarz muss durch einen mit 18,432MHz ersetzt werden.

Auf der Frontplatte erhält die untere "Prog"-LED die Beschriftung "SWR".

 

7 Messungen

Für den ferngesteuerten symmetrischen Antennentuner gibt es nur einen Ort: zwischen dem symmetrischen Feeder und dem Koax zum TX.

Zunächst geht es darum, die Feederlänge entsprechend den räumlichen Gegebenheiten festzulegen und dabei zu prüfen, ob und welche Bänder mit dem ATU beherrschbar sind. Der FA-NWT ist auch hier ein ausgezeichnetes Messgerät.

SWR-Messanordnung

Abb. 7.1: Messanordnung zum Einmessen der Antenne.

Von den insgesamt beschafften 55m Antennenlitze blieben nach Abzug von 2x14m für die Strahler 13,5m für die Hühnerleiter übrig. Die erste Messung mit der in Abb. 7.1 skizzierten Anordnung erfolgte mit dieser Länge. Bis auf 3,5 MHz und 29,7 MHz mit einem SWR von ca. 2 waren Anpassungen mit einem SWR zwischen 1,07 und 1,8 möglich. 13,5m waren aber nicht unterzubringen (vgl. Abb. 6.4).

Folgemessungen mit jeweils 0,5m verkürzter Hühnerleiter:

  • 13,0m: 80, 40m und 10m optimal mit einem SWR zwischen 1,1 und 1,2,
    30 und 20m mit SWR ca. 1,2 bis 1,3,
    17, 15 und 12m mit SWR 1,7 bis 2,2.
    Die C-Bank im ATU hatte einen Kontaktfehler im Pfostenstecker,
    deshalb sind diese Messwerte nicht belastbar. Weiter nach Reparatur.
  • 12,5m: Alle Bänder 80 bis 10m mit SWR zwischen 1,05 und 1,3.
  • 12,0m: Alle Bänder 80 bis 10m mit SWR zwischen 1,05 und 1,3,
    unterste mit SWR=1,06 einstellbare Frequenz: 3,46 MHz
    kürzer geht der Feeder wohl nicht mehr, hier hat der ATU seine Grenze erreicht.

Es ist übrigens eine gute Idee, bei der Montage der Spreizer - Antenne liegt ja noch auf dem Boden -  ab einer bestimmten Länge von Strahler aus gesehen Markierungen an den Drähten anzubringen. Nach der ursprünglichen Vorgabe des DZ-Rechners hier also ab 9m. So weiß man bei der hochgezogenen Antenne, wo man gerade an der Hühnerleiter schnippelt.

Die Einstellmöglichkeiten des ATU (Induktivität von 0,2 bis bis 33 µH, Kapazität von 17 bis 815 pF) und die Impedanztransformation über die Feederlänge müssen einander angeglichen werden. Plug and play kann gehen, muss aber nicht. Auch ein ATU hat seine Grenzen. 160m war in Anbetracht der Dipollänge von vorneherein keine Option, hätte der ATU hier auch wesentlich größere Einstellbereiche für L und C benötigt. Bei 8 Bit Auflösung hätte das größere Schrittweiten bedeutet. Insgesamt ist aus den Messungen (im Download) festzustellen, dass die 8 Bit-Abstufung in einigen Bändern etwas zu grob ist, so dass für die eingestellte Frequenz bisweilen nicht mit optimalem SWR anzupassen ist.

In den unteren Bändern (80 und 40m) ist nur in Stellung Tiefpass eine gute Anpassung möglich. In den Bändern 30 bis 12m sind sowohl Tief- als auch Hochpass möglich, jedoch mit Hochpass immer bessere SWR-Ergebnisse. Im 10m-Band geht nur die Hochpassstellung. In Bezug auf die Oberwellen-unterdrückung wären Tiefpässe von Vorteil. Dafür sollte aber das Tiefpassfilter zwischen TX und ATU ausreichend sein.

Problem bei der optimalen Anpassung sind die Stufungen der relaisgeschalteten Kapazitäten und Induktivitäten, insbesondere der Kapazitäten. Bei der binären Umschaltung auf das nächste Bit, z.B. beim Hochschalten mit Abfall aller niederwertigen Relais und Anziehen des nächst höheren Relais, ist der Kapazitätssprung teilweise zu hoch. Damit wird eine optimale Einstellung möglicherweise übersprungen. Da hilft auch ein Ausmessen der FKP1-Kondensatoren mit 5% Toleranz nichts. Aus diesem Grund wurden für die beiden höchsten Kapazitäten niedrigere Werte als die binären Sollwerte 200 und 400pF gewählt. Der Wertebereich der FKP1-Kondensatoren ist leider begrenzt. Der Antennentuner wurde entsprechend umgebaut, siehe dort.

Überraschend bleibt, dass sich die Berechnungen zum LC-Matching (an anderer Stelle auf dieser Website im Register Grundlagen) mit den gefundenen optimalen ATU-Einstellungen überhaupt nicht zur Deckung bringen lassen. So neugierig war ich dann doch nicht, die Ursache hierzu herauszufinden. So zumindest ist die Antenne brauchbar. Nicht mehr wirklich überrascht hat die Tatsache, dass die vom DK1RP DZ-Rechner vorgeschlagene Feederlänge von 9.2m (Tab. 6.1) völlig unbrauchbar wäre. Nachfolgend beispielhaft optimale Anpassungen im 80- und 20m-Band, hier für die Feederlänge 12,5m. Bilder aller Bänder mit dem schließlich realisierten 12m-Feeder stehen im Download zur Verfügung.

Nachmessungen am Folgetag - es schüttete wie aus Eimern - ergaben geringfügig andere Anpassungswerte am Antennentuner. Kann das sein? Ja! Das zeigt, dass auch in meinem Garten die Physik gilt. Die nassen Antennendrähte haben einen etwas anderen Verkürzungsfaktor bekommen. Der durchnässte Boden mit erhöhter Leitfähigkeit baut andere Kapazitäten zum Antennengebilde auf, womit sich auch die Abstimmung ändert. Die als optimal gefundenen ATU-Einstellungen sind also nicht für die Ewigkeit gedacht.

SWR bei 3,7 MHz

Abb. 7.2: Anpassung im 80m-Band.

SWR bei 14,1 MHz

Abb. 7.3: Anpassung im 20m-Band.

Bis hierher hing die Hühnerleiter frei vom Dachrinnenumlenker bis etwa 1,70m Höhe über Grund herunter, um dann wieder nach oben zum Shack geführt zu werden. So konnte das natürlich nicht bleiben. Die Messungen ergaben nun mal, dass mit 12m Hühnerleiter im 80m-Band Ende der Fahnenstange für den ATU war. Dafür ist das Haus zu klein. Was tun? Die Hühnerleiter musste irgendwie gefaltet werden, ohne die elektrischen Eigenschaften dabei zu ruinieren.

Abhilfe brachten auch hier Polyacryl-Streifen von ca. 2cm Breite. Sie wurden im Backofen warm verformt. Klingt abenteuerlich, aber es funktioniert.

Hühnerleiter schematisch

Abb. 7.4: Umlenkung der Hühnerleiter (schematisch).

Mit einem Dachüberstand von ca. 50 cm sind zwei halbkreisförmige Umlenker mit einem Durchmesser von ca. 20 cm unterzubringen. Hierfür musste ein kleiner Edelstahlkochtopf zweckentfremdet herhalten, Durchmesser 17 cm. Für einen Halbkreis ergibt sich damit die Länge von aufgerundet 30 cm für die Acrylstreifen. Gebraucht werden vier davon, vielleicht noch ein fünfter zum erstmaligen Üben.

Nach dem Zuschneiden erhalten die Streifen je 8 Bohrlöcher für Kabelbinder zum Befestigen der Hühnerleiterdrähte, jeweils an den Enden und über die Länge gleichmäßig verteilt. Genau in der Mitte kommen noch 2 Bohrlöcher für Kabelbinder, mit denen ein Abstandshalter befestigt wird.

Acyl-Halbbogen

Abb. 7.5: Ein Acryl-Halbbogen mit Kabelbinder.

Nun geht's ans Backen, ein Streifen nach dem anderen. Backofentemperatur ca. 150 bis 160°C. Schutzfolien beidseitig abziehen und den Streifen auf einem Lochblech zusammen mit dem Kochtopf in den Backofen legen und warten... Immer mal wieder prüfen, ob der Streifen weich wird. Ein kleiner Spanngurt sollte bereit liegen. Ich hatte gerade einen Textilgürtel zur Hand, der sich stufenlos spannen lässt. Arbeitshandschuhe anziehen, es geht gleich heiß her.

Wenn der Streifen ausreichend weich ist, Kochtopf aus dem Backofen herausnehmen, den Streifen auf den Kochtopf aufdrücken und mit dem Spanngurt aufspannen. Der Streifen hat sich wohl noch nicht vollständig an den Kochtopf angeschmiegt. Dazu kommt er wieder in den Backofen, bis er ganz glatt an der Topfoberfläche anliegt. Nun heraus nehmen und abkühlen lassen. Fertig.

Je zwei nun halbkreisförmige Streifen werden mit einem zum Drahtabstand der Hühnerleiter passenden Acrylsteg mit Hilfe von Kabelbindern verbunden.

Die ganze Mimik sieht schon merkwürdig aus, funktioniert aber. Am unteren Ende, kaum zu sehen, sorgt ein Acrylstreifen für etwas Spannung. Die ATU-Einstellungen haben sich durch die Faltung des Feeders geringfügig verändert, was nicht verwunderlich ist.

Hühnerleiter-Umlenkung

Abb. 7.6: Hühnerleiter auf Abwegen.

8 Referenzen und Downloads

Referenzen

[1] Rothammels Antennenbuch, DARC-Verlag, neu: 13. Auflage
[2] DF2BS, Kurzwellen-Drahtantennen für Funkamateure, VTH-Verlag
[3] http://www.hamuniverse.com/n4jaantennabook.html
[4] http://www.mods-ham.com/21_Rund%20um%20die%20Antenne/Antennen_Gliederung...
[5] http://www.w6ier.org/images/9107022%5BFeeding%20%20Dipole%5D.pdf
[6] http://www.silverwolfenterprises.co.za/hvbextra/Non_Resonant_Antennas.pdf
[7] http://www.qsl.net/4nec2/
[8] http://dl2kq.de/mmana/4-7.htm
[9] http://w4rnl.net46.net/g5rv.html
[10] http://www.wadsworthsales.com/Documents/B7%20radio_easy_way.pdf
[11] http://rsars.files.wordpress.com/2013/01/multi-band-hf-antennas-part-1-v...
[12] http://www.rsgbshop.org/acatalog/PDF/Successful_Wire%20Ant_sample.pdf
[13] http://www.wirelesswaffle.com/index.php?entry=entry070110-133743
[14] http://www.wirelesswaffle.com/index.php?m=02&y=07&entry=entry070209-160601
[15] http://www.k2ck.us/g5rv.pdf
[16] http://www.w5ddl.org/files/Zs6bkw_vs_G5rv_20100221b.pdf
[17] http://www.reflections.co.nz/wordpress/my-uploads/zs6bkw-antenna-from-th...
[18] http://www.nc4fb.org/wordpress/zs6bkw-multi-band-antenna/
[19] http://dg0sa.de/ala.pdf
[20] http://www.dl4zao.de/_downloads/Balun_dl4zao.pdf
[21] www.dx-wire.de/dzrechner.xls
[22] http://dl2kq.de/mmana/4-7.htm
[23] http://www.baeckerei-heitmann.de/DF1BT/A4_Dokumentation_Mantelwellen_von...

Downloads

Die Antennensimulationsprogramme 4NEC2 und MMANA können von [7] bzw. [8] heruntergeladen werden.

Das Excel-Sheet "transmission_line" zur Berechnung der Impedanztransformation des Feeders, z.B. einer Hühnerleiter, ist im Artikel "Impedanztransformation mit dem Dipol-Feeder" im Register "Grundlagen" zu finden.
Das Excel-Sheet "lc_matching" zur Berechnung des LC-Matchings im ATU ist im Artikel "Impedanzanpassung mit L-Netzwerken" im Register "Grundlagen" zu finden. Die Berechnungstabelle ist auch in "transmission_line" enthalten.

Mögliche Bezugsquellen sind in "Antennenbestellungen.xls" angegeben. Man muss schon einige Lieferanten bemühen, um alles komplett zu bekommen. Der örtliche Baumarkt kommt noch hinzu für Kleinteile wie Schrauben, Schäkel und Seilrollen. Sinnvoll ist es, Detailzeichnungen anzufertigen und alle benötigten Teile aufzuschreiben, damit bei der Montage alles bis zur letzten Litzenklemme vorhanden ist. Edelstahlausführungen sind auf alle Fälle zu bevorzugen.