5 Nichtresonante Multibanddipole

Erstellt: DL6GL, 17.08.2013, letzte Änderung06.05.2020

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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 50Ω, 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 450Ω-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.

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. 100Ω. 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 100Ω Antennenimpedanz und 75Ω 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. Die kritischen Anmerkungen zur ZS6BKW am Ende von Abschnitt 5.2 treffen für die "Ohne Tuner Bänder" 80, 40 und 20m der G5RV gleichermaßen zu.

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. Kritische Anmerkungen dazu am Ende dieses Abschnittes.

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 (2 x 14,25 m)
L2 = 13,3 m* VF,
Zweidraht-Feeder, in [12] ohne weitere Angabe.

Nach [13], anscheinend eine Abschrift des Originalartikels:
L1 = 28,4 m (2 x 14,2 m)
L2 = 11,1 m (300Ω-Flachkabel)
Mit einem VF=0,85 für das 300Ω-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], wie sie auch im Handel angeboten wird:
L1 = 27,5 m (2 x 13,75 m)
L2 = 12,2 m (450Ω Wireman window line CQ553)
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 50Ω-Koaxkabel ohne Balun direkt an den Zweidraht-Feeder angeschlossen werden können. Das halte ich für keine gute Idee. Wird kein Antennentuner verwendet, ist ein Balun für unbestimmte Impedanzen zwischen Feeder und 50Ω-TRX erforderlich, siehe  bei DG0SA.

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."

Ein paar Jahre nach meinem Artikel hier bestätigt Thilo, DL9NBJ, in "ZS6BKW Antenne – Wunderantenne für 5 Bänder.." mit ausführlichen Baubeschreibungen und Messungen die Vorzüge der ZS6BKW-Antenne.

So verheißungsvoll all die Beschreibungen dieser "Wunderantenne" klingen mögen, Antenne aufhängen und losfunken kann dem frohgemuten OM dann doch auf die Füße fallen. Zu viele Einflussfaktoren wie Antennenhöhe über Grund, Antennenform (gestreckt, gewinkelt, geneigt), verwendeter Feeder (offene Hühnerleiter, Wireman o.ä.), Bodenbeschaffenheit, Umgebung wie Häuser und Bäume und selbst das Wetter spielen gegen uns. Insbesondere dann, wenn die Antenne ohne Tuner betrieben werden soll. 40, 20, 17, 12 und 10m mit einer gekauften, nach irgendeinem Vorschlag nachgebauten oder mit irgendeinem Programm berechneten Antenne auf Anhieb mit passabler Anpassung arbeiten zu können, wäre reiner Zufall. Ohne Antennentuner wohlgemerkt.

Das stellt sich bei meiner in Abschnitt 6 beschriebenen gewinkelten ZS6BKW so dar:

Abb. 5.2: ZS6BKW DL6GL 1 bis 60MHz ohne Antennentuner.

"Ohne Antennentuner" ist nicht ganz korrekt. Der hiesige Antennentuner war bei der Messung angeschlossen, aber auf "Durchzug" eingestellt. Ohne aktivierte L/C-Anpassungsglieder war bis auf Streukapazitäten und Leitungsinduktivitäten nur der Balun wirksam. Die Amateurbänder sind hellblau markiert. Es gibt zwar ermutigende SWR-Minima, sie liegen aber alle mehr oder weniger dicht neben den Bändern. Die besten, jedoch wenig überzeugenden Resultate zeigen 40 und 20m.

Abb. 5.3: ZS6BKW DL6GL 6,5 bis 8,0MHz (40m) ohne Antennentuner.

Abb. 5.4: ZS6BKW DL6GL 13 bis 15MHz (20m) ohne Antennentuner.

Mein Antennensystem (Dipol plus Feeder) war nicht für einen Betrieb ohne Tuner ausgelegt. Mit dem verwendeten symmetrischen Antennentuner war es kein Problem, die SWR-Minima dort hin zu ziehen, wo sie hingehören, in die Bänder. Ohne Antennentuner gibt es nur noch einen Freiheitsgrad, wenn die Antenne aufgehängt ist: Die Feederlänge so optimieren, dass deren Transformationseigenschaft die Fußpunktimpedanz der Antenne in die Nähe von 50Ω reell am TRX-seitigen Feederende mit einem SWR < 2 für möglichst viele Bänder bringt. Da tritt dann der Seitenschneider in Aktion, begleitet von wiederholten SWR-Messungen in den Bändern. Also die Feederlänge zu Anfang etwas üppiger bemessen. Alle Bänder gleichzeitig lassen sich so nicht erreichen. Und man wird nur jeweils mehr oder weniger breite Frequenzbereiche mit annehmbarem SWR je Band hinbekommen wenn überhaupt, in den unteren Bändern eher schmale mit steilen Flanken. Ohne Antennentuner ist auch die ZS6BKW eine Antenne mit beschränkter Haftung.

Geschmackssache ist die Verwendung des Feeders etwa in Form von Wireman oder einer offenen Hühnerleiter als direkter Fortführung der Antennendrähte. Die Hühnerleiter ist aber auf alle Fälle die bessere Wahl. Die verschiedenen Transformationseigenschaften aufgrund unterschiedlicher Wellenwiderstände (450Ω Wireman zu 500...600Ω Hühnerleiter) fließen ja bei der Anpassungsmessung mit den zu optimierenden Feederlängen mit ein.

Später entdeckt und nicht ausprobiert: Der Doppelzepp-Rechner 3.0 von Walter, DL1JWD. Walter zeigt, wie z.B. mit Variation der Feederlänge, ggf. zusammen mit der LC-Anpassung eines Tuners, ein nicht resonanter Dipol (Doppel-Zepp) für möglichst viele Bänder "gangbar" gemacht werden kann. Der Dipol selber wird mit einem Simpelmodell berechnet. Dessen Fußpunktimpedanzen je Band können aber auch aus Messungen oder Simulationen, etwa mit MMANA oder 4NEC2, vorgegeben werden. Damit wären sinnvolle Vorausbetrachtungen möglich, bevor der Seitenschneider bemüht wird.

Übrigens, DL1JWD und andere Autoren verwenden für die Wireman CQ553 flex nicht die Katalogwerte, sondern von DL4AAE gemessene Werte (FA 11/2016, Seite 1034 ff.):
Z = 392Ω, VF = 0,891 (statt Z = 450Ω und VF = 0,905).

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 Doppel-Zepp 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 Monopolantennen, 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.

5.4  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.

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