Grundlagen. Vertikale Antennen.

antennen
ex dl6sch
ex dk5am
ex g5ato
ex oe7zh
Schwerpunkt
Vertikalantennen
für Kurzwelle, Weitverkehr
Absicht
Hilfestellung für Newcomer, Denkanstöße für alle
Ziel
Urteilsfähigkeit
Hintergrund
Æ einschränkende Nebenbedingungen
Æ Flut von Literatur, Rezepten, Märchen, Gerüchten, Werbung
Æ vor lauter Bäumen wird der Wald nicht mehr gesehen
Ansatz
Æ zurück zum Ursprung
Æ wenige Grundtatsachen reichen für viele Nutzanwendungen
Æ keine Mathematik
Æ nur Anwendung von Prüfungsstoff
Wiederholung
nebenbedingungen
dx
vorschriften
nachbarn
nahverkehr
normen
familie
kw
mechanik
geländeform
ukw
wind
bodenverhältnisse
portabel
wetter
grundstück
mobil
finanzen
gartengestaltung
contest
gefahren
sendeleistung
frequenzen
störungen
gebäude
richtung
händler
selbstbau
...
...
...
physik
nebenbedingungen
physik
Æ was muss ich verstehen? Å
im Einzelfall geht es
immer um ein System
Æ was kann ich ändern?
Å
Æ was ist dann möglich?
Å
Æ was nicht?
Å
Æ mit dem Ergebnis leben! Å
was ich verstehen muss
1) Vertikalantennen und ihre Varianten
Radials bei Groundplanes (Missverständnisse und Gerüchte)
-> wie bringt man die Leistung von der Antenne weg?
-> HF-Technik (Ströme, Spannungen, Felder)
2) Boden- und Geländeeinflüsse, daraus resultierend:
-> Warum und wie wirkt sich die Höhe aus?
-> Unter welchen Umständen schneiden Vertikalantennen
besser ab als ein horizontaler Dipol?
-> was passiert mit der abgestrahlten Leistung?
-> HF-Optik (Spiegelungen, Strahlengänge, Geometrie)
Ausgeklammert:
HF-Optik der Ionosphäre (Ausbreitungsbedingungen)
3 merksätze reichen aus
merksatz 1: höhe ist durch nichts zu ersetzen
weil Boden und Gelände unterschiedlich wirken:
- der Boden unter der Antenne, auf die Antenne selbst
- das Gelände weit weg, auf die „Abstrahlung“
und noch dazu
- unterschiedlich für vertikale und horizontale Antennen.
Bitte um Geduld.
Wird später behandelt,
im Teil 2 (HF-Optik).
merksatz 2: strom strahlt. immer.
Genauer: Wechselstrom erzeugt Wechselfelder, die sich
wellenförmig mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen.
Damit lässt sich alles verstehen. Immer.
Auch Boden- und Geländeinflüsse. Immer.
Der Rest ist Detailarbeit. Immer.
Herausfinden, wo der Strom fliesst!
Und, wo Widerstände sind!
Damit beginnt die Detailarbeit.
Die kann kompliziert werden. Leider.
Besonders bei Vertikalantennen.
merksatz 3: was strahlt, empfängt auch. immer.
- Strahlen darf nur, was auch strahlen soll.
- Empfangen darf nur, was auch empfangen soll.
- Alles andere stört. Immer.
Wenn der Abstand zu Störquellen sehr klein wird,
können bereits geringste Feldstärken stören.
Beim Funkamateur oder beim Nachbarn.
Ist mein „Strahler“ wirklich der einzige Strahler?
Diese Frage gehört gestellt. Immer.
Vor allem, wenn die Symmetrie gestört ist.
Das ist bei Vertikalantennen nahezu unvermeidbar
und erfordert fast immer besondere Massnahmen.
zwischenbilanz
Irrtum
Wahrheit
Antenne?
ATU
ATU
„Gegengewicht“
Antenne!
a a a a
Störquelle,
gestörtes Gerät
a a a a
Das „Gegengewicht“ schließt einen Stromkreis. Immer.
Strom strahlt. Auch das „Gegengewicht“. Immer.
Was strahlt, empfängt auch. Immer. Meistens Störungen.
also, nochmal
- Jede Antenne ist ein geschlossener Stromkreis.
Das muss so sein. Damit Strom fliessen kann.
- Ich muss wissen, was den Stromkreis schliesst.
Nur dann kenne ich meine Antenne.
Beim Senden und beim Empfang.
- Widerstände im Stromkreis werden warm.
Sei es im Strahler, sei es im Gegengewicht.
Das bedeutet Verlust, also weniger Strahlungsenergie.
Und das gilt es nun, auf Vertikalantennen anzuwenden!
vertikalantennen
Teil 1: HF-Technik
vertikalantennen
heissen so,
weil die Strahlung vertikal polarisiert ist.
Wie das gemacht wird, spielt keine Rolle.
+
+
Die
ist
des
der
Polarisationsrichtung
die Richtung
resultierenden E-Feldes,
resultierenden Stromrichtung!
+
-
-
Ob „vertikal“ oder „horizontal“,
das ergibt sich erst durch Bezug
auf die Erdoberfläche!
vertikalantennen und ihr stammbaum
Es gibt nur zwei klassische Grundformen!
Sie heissen
a) Marconi Antenne
b) Groundplane Antenne.
Beide stammen vom vertikalen λ/2-Dipol ab.
Sie unterscheiden sich grundlegend.
Der Unterschied?
Die Form des nicht strahlenden „Gegengewichtes“.
Wie bitte?
Gerade noch hiess es: Jedes Gegengewicht strahlt.
Gute Frage. Wie bringt man es dazu, nicht zu strahlen?
Wo fliesst jeweils der Strom? Im Detail.
Was strahlt, was wird nur warm? Im Detail.
wenn ein dipol auf die erde soll: wohin mit der unteren hälfte?
Dipol
??
L Antenne
a)Marconi
b)Groundplane Ant.
λ/4
λ/4
λ/4
λ/4
λ/4
λ/4
λ/4
Erdnetz
Zweipol
Bohrloch?
vertikal?
Radials
Einpol (Monopol) wieso?
erdnetz oder radials, wozu überhaupt?
1) Um den Dipol nicht zur Hälfte in einem Bohrloch
versenken zu müssen.
2) Damit der Stromkreis geschlossen bleibt.
Damit Strom strahlt.
3) Damit der Stromkreis nicht über den Mantel des
Koaxialkabels geschlossen wird. Mantelwellen wären die
Folge. Also: Damit nicht der Mantel strahlt/empfängt.
wo der strom fliesst
Dipol
a)Marconi Antenne
b)Groundplane Antenne
I
I
I
Radials
2
Anzahl der strahlenden Elemente
1
1
symmetrische gegengewichte (radials) strahlen nicht (im idealfall) !
Jedes „Segment“ bewirkt im
Abstand d >> λ und senkrecht zur
Stromrichtung einen
Feldstärkebeitrag von: I x l
Strahler
Feldstärkemessung
Gegengewicht
I/2 x l
d >> λ
R
I
-I/2 x l
V
(I/2 x l) + (-I/2 x l) = 0
Weil die beiden Ströme
gegensinnig, also
180° phasenverschoben sind.
l: Länge des Segmentes
I: Stromstärke im Segment (eine gerichtete Grösse!)
zwischenbilanz
Typ
Strahlende
Elemente
I
2
1
I
I
1
Verluste
Wichtig
Vorteil
Nachteil
gering,
selbst in
Bodennähe
Höhe
> λ/2
verlustarm
Symmetrie
Multiband
mit 2-Draht
Speisung
Bauhöhe
Statik
Windlast
Hoch, ohne
Erdnetz
Salzwasser
verringert
Verluste
Multiband
Erdnetz
möglich bei
> 32
„Radials“ Anpassung im
Speisepunkt
ideal am
Höhe λ/4
Meeresstrand
aufwendig auf dem
Festland
weil Erdnetz
zwingend
erforderlich
gering,
dank
weniger
„erhöhter“
(elevated)
Radials
Bemessung
Missverständnisse
betr. Radials,
u.U. strahlende
Zuleitungen,
Multiband nur mit
hohem Aufwand
der
Radials
Mindesthöhe
> λ/4
einfach,
spart Platz
Montagehöhe
nahezu
beliebig
vertikalantennen
Radials von Groundplane Antennen
radials: missverständnis 1
Die gängige Meinung:
Radials einer Groundplane wirken als „Reflektor“ und sorgen
für eine flache Abstrahlung.
Das ist falsch.
Richtig ist:
Die Felder von symmetrischen Radials heben sich auf.
Radials strahlen nicht. Sie sollen nicht strahlen.
Wenn Radials nicht strahlen (im Idealfall),
können sie auch nichts mit der Abstrahlung zu tun haben.
radials: missverständnis 2
Die gängige Meinung:
Horizontale Radials einer Groundplane
über dem Erdboden („elevated radials“)
müssen λ/4 lang („resonant“) sein.
Gegenbeispiele gibt es genug,
speziell im CB- oder BOS- Bereich:
Strahler: λ/4 oder länger
Fehlkonstruktion? Radials viel zu kurz?
Nein! Professionell!
mehrere λ/4 radials: harmlos?
Erinnerung:
Jede λ/4 Leitung stellt einen Kurzschluss dar.
Ein λ/4 Radial ist nichts anderes. Ein Serienschwingkreis.
Harmlos? Klar? Ja.
Z = 0
l = λ/4
Z = 0
mehrere λ/4 radials: harmlos?
Erinnerung:
Jede λ/4 Leitung stellt einen Kurzschluss dar.
Ein λ/4 Radial ist nichts anderes. Ein Serienschwingkreis.
Harmlos? Klar? Ja.
Z = 0
l = λ/4
Z = 0
Auf den ersten Blick handelt es sich bei zwei symmetrischen
Radials um eine Parallelschaltung. Harmlos? Klar? Jein!
λ/4
λ/4
Z = 0
Z = 0
„resonante“ (λ/4) radials: eine schlechte idee! wieso?
Radials in der wirklichen Welt sind nie exakt gleich lang!
Dafür sorgen z.B. unterschiedliche und wechselnde
Streukapazitäten zur Umgebung.
Jede Verlängerung (∆l>0) fügt eine induktive Komponente hinzu.
Jede Verkürzung (∆l<0) fügt eine kapazitive Komponente hinzu.
Verlängerung
Verkürzung
l = λ/4 + ∆l
l = λ/4 - ∆l
L
C
Das kann Folgen haben!
„resonante“ (λ/4) radials: eine schlechte idee! wieso?
I
λ
l = λ/4 + ∆l
I/2
I
l = λ/4 - ∆l
L
C
I/2
C
L
Z = 0
Wieso sind jetzt die beiden Strompfeile gleichsinnig?
L und C fügen zur ursprünglichen Phasenverschiebung von 180°
(d.h. gegensinnige Ströme) folgende Verschiebungen hinzu:
L: Strom eilt um 90° nach! C: Strom eilt um 90° vor!
Zusammen macht das 180°! Aus gegensinnig wird gleichsinnig.
(Verlustwiderstände vernachlässigt.)
Dann entsprechen ja die beiden ungleichen Radials einem Dipol! Ja!
Ungleiche Radials können auf bestimmten Frequenzen strahlen!
Verstimmte Radials im Realfall
Gleiche Stromstärken, GLEICHSINNIG!
Strom eilt
eine Viertelperiode vor:
90° gegen Uhrzeigersinn.
Strom eilt
eine Viertelperiode nach:
90° im Uhrzeigersinn.
I/2
I/2
Resonante, ideal symmetrische Radials:
Gleiche Stromstärken, GEGENSINNIG!
Das gilt für: λ/4 = (l1 + l2)/2,
also für:
λ = 2 x (l1 + l2)
Folglich:
λ darf nicht im Arbeitsbereich liegen,
wenn man diesen Effekt vermeiden will.
fazit: λ/4 radials sind eine schlechte idee!
- Weil sie in der Praxis nie ideal symmetrisch sind.
- Weil sie, falls unsymmetrisch, u.U. im Arbeitsbereich
wie ein Dipol strahlen (und empfangen) können. Dann ist
die Antenne keine Vertikalantenne mehr.
- Weil Unsymmetrie der Radials die ohnehin hohe Gefahr der
Einkopplung von Strahlung auf die Speiseleitung erhöht.
- Dadurch kann die Situation für bestimmte Frequenzen
extrem unübersichtlich und unbeherrschbar werden.
- Das erklärt u.a.,
- warum Erfahrungen mit Groundplane Antennen oft
widersprüchlich und schlecht reproduzierbar sind
- warum Speiseleitungen von „Groundplanes“ oft stören
(beim Senden und beim Empfang).
übrigens: wichtige regel
Wenn verlustfreie resonante Leitungen parallel
geschaltet werden (z.B. λ/4 Radials), und
wenn sie gleiche Ströme führen sollen,
so genügt es nicht,
sie nur an einem Punkt zu verbinden.
Das verweigert auch jedes Computerprogramm!
verkürzte radials sind eine gute idee!
Klare Verhältnisse schaffen!
L
Verkürzte, nichtresonante ,
d.h. absichtlich verstimmte Radials,
d.h. kapazitive Last(C),
phasengleiche Ströme.
C
Anpassung (Resonanz) über Serien-Induktivität.
Ein solches „Gegengewicht“ strahlt vernachlässigbar.
Die Mechanik (Statik, Windlast) der wird beherrschbarer!
verkürzte radials sind eine gute idee!
Richtwerte für horizontale Radials:
l ≥ λ/10, kürzer nur mit Einbußen bei der
Bandbreite
Extrembeispiel für 14 MHz:
4 sehr kurze Radials, je 1m lang (λ/20)
L = ca 3 µH
(6 Windungen auf 2,5 cm Länge und 7.5 cm ∅)
Radials müssen nicht gestreckt sein:
L
C
Blick von oben auf
verkürzte, symmetrisch
abgewinkelte Radials
λ/4 radials sind eine schlechte idee!
abhilfe?
Viel verwendet:
Mehrere schräge λ/4 Radials (>2)
symmetrisch verteilt.
Preisfrage: Vertikal?
Monopol oder Dipol?
Groundplane Antenne?
Vorteile?
Nachteile?
λ/4 radials sind eine schlechte idee!
erfahrungswerte
abhilfe?
Blick von oben auf GP
(14 MHz) mit 4 λ/4 Radials
in ca 1,5 m Höhe,
Horzontale Speiseleitung.
a) Nur 2 symmetrische
Radials, Speiseleitung
im rechten Winkel dazu
wegführen.
b) Höhe > 2,5m, 4 Radials
Speiseleitung senkrecht
nach unten wegführen,
im Boden vergraben.
c) Wie b) aber mit
verkürzten Radials.
Befund:
Die Speiseleitung strahlt!
d) Mantelwellensperre
verwenden. Immer.
vertikalantennen
verlängerte Strahler, insbesondere: 5/8 λ
(hier nur für Kurzwelle)
5/8 λ strahler: was ist dran?
5/8 λ Strahler sollen Vorteile haben:
Flachere Abstrahlung,
Gewinn gegenüber 1/4 λ Strahlern.
Beispiel: 20m Band
Impedanz im Speisepunkt?
12,5 m
20 m
λ/2
10 m
λ/4
5λ/8
5 m
λ/4
niedrig
λ/2
λ/4
niedrig
hoch*
niedrig
* niedrig nur durch
el. Verlängerung
5/8 λ strahler: speisung?
1
λ/8
2
3
4
Niedrige Impedanz
im Speisepunkt erfordert
elektrische Verlängerung
Des Strahlers mit L auf 6λ/8!
Für Erdnetz oder Radials
gelten die selben Regeln wie
für Marconi- oder Groundplane
Antennen!
L
5
6
vertikalantennen
welche ist denn nun die beste?
vertikalstrahler: vergleichsrechnung
perfekter (idealer)
Erdboden (20m Band)
λ/4 Monopol
Höhe: 5,5 m
5λ/8 Monopol
Höhe: 13,1 m
λ/2 Dipol
Höhe: 13,1 m
(inklusive
Sicherheitsabstand)
vertikalstrahler: vergleichsrechnung
durchschnittlicher
Erdboden (20m Band)
λ/4 Monopol
Höhe: 5,5 m
5λ/8 Monopol
Höhe: 13,1 m
λ/2 Dipol
Höhe: 13,1 m
(inklusive
Sicherheitsabstand)
vertikalstrahler: wer macht das rennen?
1. Platz:
I
Vertikaler λ/2 Dipol:
wird am wenigsten vom Boden beeinflusst,
braucht weder Erdnetz noch Radials,
optimale Symmetrie durch strahlendes „Gegengewicht“
Mehrbandbetrieb mit 2 Draht-Feederleitung und ATU
Bauhöhe u. Windlast vergleichbar mit 5λ/8 Monopol.
I
Diese Form ist ebenfalls ein vertikaler Dipol.
vertikalstrahler: 2. und 3. plätze
I
I
2. Platz: Vertikaler 5λ/8 Monopol:
wird stärker als vert. Dipol vom Boden beeinflusst
erfordert Erdnetz oder Radials
Radials erfordern Maßnahmen (Strahlung unterbinden)
erfordert Anpassung (Verlängerungsspule)
nur Monobandbetrieb
Unsymmetrie erfordert Maßnahmen
gegen strahlende Speiseleitungen (Mantelwellen)
Bauhöhe und Windlast vergleichbar mit vert. Dipol.
3. Platz: Vertikaler λ/4 Monopol:
wird am stärksten vom Boden beeinflusst
Radials, Unsymmetrie, Monoband wie 5λ/8 Strahler
geringste Bauhöhe und Windlast.
„testsieger“ gegen horizontaler dipol (λ/2)
durchschnittlicher
Erdboden (20m Band)
vertikaler Dipol
13m hoch
Horizontaler Dipol
15m hoch
Horizontaler Dipol
7m hoch
testsieger gegen horizontaler dipol (λ/2)
durchschnittlicher
Erdboden (20m Band)
5°Erhebundswinkel
vertikaler Dipol
13m hoch
Horizontaler Dipol
15m hoch
Horizontaler Dipol
7m hoch
fazit
Wenn:
- DX angestrebt ist,
- keine drehbare Antenne in Frage kommt,
- horizontale Antennen nicht hoch genug hängen können,
- keine Vorzugsrichtung gewünscht wird,
- der Wohnort nicht am Meer oder im Moor liegt,
- Mehrbandbetrieb erwünscht ist,
- klare HF-Verhältnisse gefordert sind:
Vertikaldipol mit 2 Drahtspeiseleitung in Betracht ziehen.
Probieren vor Investieren.
wie geht’s weiter?
Teil 2: HF Optik
Abstrahlung von Vertikalantennen
Einfluss von Boden und Gelände
in Arbeit
Termin n.V.