2-Element-Array für 7 MHz
Entwicklung eines Breitband-Phasennetzwerkes

Simulationsmodell
Ansicht des Simulationsmodells

Phasen-Speisung?

Bei der Phasenmethode werden die Strahlungsfelder mehrerer Antennen (in diesem Falle zwei) überlagert, so daß in eine bestimmte Richtung sich die Felder möglichst addieren und in alle anderen möglichst auslöschen. Dies erreicht man indem die Ströme in den (Vertikal-) Antennen den gleichen Betrag und eine besondere Phase zueinander aufweisen.

Die gewünschte Phase beträgt dabei:   180° - [Abstand der Strahler in °]

Bei den beiden zuerst getesteten Phasen-Netzwerken (Christman-Methode, modifizierte Lewallen-Methode) besteht das Problem, daß diese beiden Bedingungen genau nur bei einer einzigen Frequenz zutreffen. Dadurch ist der Frequenzbereich indem eine gewünschte Richtwirkung erzielt wird sehr gering.

Angeregt durch W8JI und die Beschreibung der HB9CV-Antenne habe ich nach einer Möglichkeit gesucht und auch gefunden den nutzbaren Frequenzbereich wesentlich (ca. Faktor 6) zu erweitern. Damit ist die getestete Antenne im gesamten 40m-Amateurband als Richtstrahler wirksam.

Bei der Planung und Aufbau wurde auf eine genaue Modellierung mit NEC-4.1 wertgelegt.
Auch geringen Abweichungen wurde nachgegangen und dadurch einige neue Erkenntnisse gewonnen.

Eine der Abweichungen ist der Einfluss der Isolation des Drahtes auf die notwendige Länge. In diesem Modell eines Dipols bestehen aus zwei Radialen einer der späteren Groundplane-Antennen besteht ein wesentlicher Unterschied ob der Draht isoliert ist oder nicht. Hier der Reaktanzverlauf über die Länge eines Dipols bestehend aus zwei gegenüberliegenden Radial-Drähten bei einer Frequenz von 7,00 MHz. Der Draht hat jeweils einen Durchmesser von 1,4 mm und in einem Fall eine PVC-Isolation (εr=5) mit einem Durchmesser von 3 mm. Die Erforderliche Länge für eine Reaktanz von X=0 bei 7,00 Mhz verkürzt sich von 10,3 m auf nur 9,89 m. Dabei ist der Einfluss des Bodens in beiden Fällen schon eingerechnet. Eine Messung mit einem MFJ-269 Antennen-Analysator bestätigt dieses einwandfrei und exakt. Ein besondere Dank gilt hierbei L. B. Cebik (W4RNL) welcher in seinen Untersuchungen die Grundlage für die Einarbeitung in ein elektronisches Modell legte. NEC-4.1 kann jetzt auch selbst mit Verlust behafteten Dielektrikum ummantelte Drähte berechnen.

Was ist nun geschehen?

Ich habe zwei Groundplane Antennen für 40m in einem Abstand von 6 Metern errichtet und mit jeweils 4 Radialen versehen.

Die Antennen wurden dann mit zwei bekannten und meiner Speisemethode versehen und vermessen. Bei der Christman-Methode wird die Phasenverschiebung mittels Koaxialkabeln erreicht. Es wird ein Punkt gesucht an dem auf beiden Kabeln die gleiche Spannung (Betrag und Phase) herrscht und dort die Antennenleitungen zusammengeschlossen werden können. Dies ist auch der Weg bei meiner Breitband-Methode wobei zusätzlich in der Zuleitung zu einer Antenne eine konstante Phasendrehung von 180° zugefügt wird. Bei der Lewallen-Methode werden die beiden Antennen jeweils über einen ¼λ-Transformator angeschlossen. Damit werden an den Antennen-Fußpunkten die Ströme erzwungen. Am π-Filter wird die Phasenverschiebung der Spannungen erzeugt.

Das Problem besteht darin, daß bei steigender Frequenz der elektrische Abstand (in °) grösser wird und die Phasenverschiebung ebenfalls. Um die oben genannten Bedingungen einzuhalten müsste die Phasenverschiebung aber abnehmen.

Durch einen Balun als Phasendreher kann man nun die Phase bei steigender Frequenz bedingt durch die Phasenleitung nicht geringer machen aber die Differenz verringern. Dadurch wird der Frequenzbereich mit Richtwirkung und Gewinn größer.

Simulation vor dem Aufbau

Vor dem Aufbau sind die Strahlungseigenschaften (mit Christman-Methode) untersucht worden.

Simulation Simulation
Simulation von V/R-Verhältnis und Gewinn bei meiner Methode
Die Breitbandigkeit fällt sofort auf
Simulation von V/R-Verhältnis und Gewinn bei Christman-Methode
Die Lewallen-Methode liefert sehr ähnliche Ergebnisse

Ein ganz wesentlicher Parameter bei der Simulation ist die Bodenleitfähigkeit. Ich habe die Messung der Bodenleitfähigkeit und relativen Dielektrizitätskonstanten auf einer eigenen Seite genauer beschrieben.

Bilder vom Aufbau

Gesamtansicht
Gesamtansicht

Speisung mit der Christman-Methode

Schaltplan der Umschaltbox
Schaltplan der Umschaltbox

Speisung mit der modifizierten Lewallen-Methode

π-Netzwerk
π-Netzwerk

Speisung mit der Breitband-Methode

Schaltplan der Umschaltbox
Schaltplan der Umschaltbox und Verkabelung mit Phasendreher (1:1-Balun)
1:1 Balun als Phasendreher
1:1 Balun als Phasendreher

Der 1:1-Balun ist sowieso bei resonanten Radialen notwendig um Ströme auf den Außenleitern der Speisekabel bedingt durch das Strahlungsfeld der Antenne zu vermeiden. In diesem Fall wird der Balun zusätzlich für eine über die Frequenz konstante Phasendrehung um 180° genutzt. Die Länge der Leitung innerhalb des Balun ist zu berücksichtigen. Die Anpassung der Impedanz an den Sender erfolgt mit einem einfachen Kabel-Stub.

Ergebnisse der Strom-Messungen

Antennen-Ströme bei Christman-Speisung
Antennen-Ströme bei Christman-Speisung

Ergebnisse der Feldstärke-Messungen

Simulierte Feldstärke
Simulierte Feldstärke Richtung Westen
(Christman-Methode)
Simulierte Feldstärke
Simulierte Feldstärke Richtung Osten
(Christman-Methode)

In einem Abstand von 250m (X=250) bezüglich der Antenne wurden die Messungen vorgenommen.
Die mittlere Höhe der Antenne des Messsenders wurde mit 4m angenommen (Z=4).

Eine Absolut-Feldstärke-Messung ist mit Amateurmitteln nicht zu bewerkstelligen. Daher kommt nur eine Relativmessung in Frage.
Dabei wirk die zu erwartende Feldstärkedifferenz mit dem Simulationsmodell verglichen.

Aus den beiden obigen Simulationen lässt sich V/R [dB] = 20 * log(0,261 / 0,02) = 22,3 dB ermitteln.

FrequenzV/R ChristmanV/R LewallenV/R Breitband
6,91 MHz4,9 dB 15,1 dB
6,94 MHz7,1 dB  
6,97 MHz9,0 dB15 dB20,9 dB
7,00 MHz10,7 dB16 dB 
7,03 MHz15,3 dB17 dB 
7,05 MHz16,3 dB18 dB30,6 dB
7,07 MHz15,3 dB 15 dB 
7,10 MHz11,0 dB12 dB21,6 dB
7,13 MHz8,6 dB9 dB 
7,16 MHz7,3 dB 17,6 dB
7,19 MHz4,6 dB 15,0 dB

Ermittelte relative Feldstärken (Vor/Zurück) in der Teststrecke.

Die in der Simulation ermittelten Werte lassen sich bei der Messung teilweise nicht ganz bestätigen. Die Überlegenheit der Breitband-Methode zeigt sich aber einwandfrei.

Praktischer Test auf dem Band

Erste Versuche zeigen, dass diese Antenne in Richtung West einem 2-Element-Array bei DK1NO fast ebenbürtig ist.
Und das obwohl die Antenne von Häusern umgeben ist.

Beim Vergleich der Simulation mit Verbindungen auf dem Band ist zu beachten, daß in der Simulation der Azimutwinkel φ im mathematisch positiven Sinn einzugeben ist (φ = 360 - Azimut) und die Elevation ebenfalls (&Theta = 90 - Elevation).

PräfixvorwärtsrückwärtsDipolFrequenzAzimutElevationSim. v.Sim. r.
LZ2 S9+10S8S97,082109°21°/40°3,55 dBi-8,46 dBi
RN3 S9S7S77,09555°11°/27°0,46 dBi-8,81 dBi
UR5ES8S3S57,06280°12°/29°2,31 dBi-15,6 dBi
EA7 S8S6S77,044228°15°/32°1,76 dBi-15,6 dBi
8P S9S6S67,004263°6°/11°-1,79 dBi-14,6 dBi
M1 (Manchester)S9S6S77,090308°30°/50°2,56 dBi-6,81 dBi
CX5 S9+15S8S97,048230°5°/9°/13°-2,28 dBi-24,6dBi

Beobachtungen von Signalen auf dem Band und Vergleich mit Simulation (Christman-Methode)

FT757GX S-Meter Siehe auch Kalibrierung des S-Meter am Yaesu FT-757GX.

Der Vergleichsdipol ist eine W3DZZ in 10 Meter Höhe. Diese Antenne über dem Hausdach scheint sehr schlecht zu funktionieren. Das Array ist 280°-100° ausgerichtet.

Die praktischen Beobachtungen der Empfangssignale decken sich sehr gut mit den Simulationen. Es konnten nur Stationen mit starken Signalen für den Vergleich herangezogen werden da Signale im Rücken der Antenne noch stark genug sein mussten um im QRM noch ablesbar zu sein.

Verwendete Geräte und Programme

Literatur / Personen