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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Dreiband-Richtantenne Spider. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / HF-Antennen Die Idee, eine sehr leichte und tragbare HF-Richtantenne aus Draht zu schaffen, die zwischen teleskopischen Glas-Kunststoff-Stäben gespannt ist, ist zwar nicht neu, erregt aber zunehmend die Aufmerksamkeit von Funkamateuren. Der deutsche Kurzwellenbetreiber Cornelius Pohl (DF4SA) schlug eine Designoption vor, bei der drei „Wellenkanal“-Drahtantennen auf einem Rahmen aus vier Stäben platziert werden – zwei Drei-Elemente-Antennen für die Reichweiten von 20 und 15 Metern und eine Vier-Elemente-Antenne für die Reichweite von 10 Metern. Die Antenne weist trotz ihrer Tragbarkeit und ihres geringen Gewichts sehr gute Leistungseigenschaften hinsichtlich Richtcharakteristik und Strahlungscharakteristik auf. Das Interesse an der DF4SA-Antenne ist groß, daher stellen wir mit Genehmigung ihres Erstellers eine Beschreibung der Spinne zur Verfügung. Einführung. „Spider“ („Spider“) ist eine vollwertige, sehr leichte Dreibandantenne aus Glas-Kunststoff-Stäben und -Draht. Das Gesamtgewicht der Antenne beträgt ca. 5,5 kg und ist somit ideal für den Einsatz im Feld geeignet. Ein Foto der auf einem zehn Meter hohen Aluminiummast aufgestellten Antenne ist in Abb. zu sehen. 1.
Als Antenne eignen sich alle leichten Teleskopmasten und Drehvorrichtungen von Fernsehantennen. Die Windlasten auf die Antenne sind gering. Die Montage und Installation ist durch eine Person einfach. Die Abmessungen der gefalteten und verpackten Antenne überschreiten nicht 1,2 m. Eine vereinfachte Skizze ihres Designs (Direktoren und Reflektoren in derselben Ebene) ist in Abb. dargestellt. 2.
In Bezug auf den Gewinn (Gain) G und das Vorwärts-/Rückwärtsstrahlungsverhältnis (F/B) steht die Spider anderen Antennen in voller Größe, auch stationären, in nichts nach. Die zulässige Strahlungsleistung im Dauerbetrieb beträgt 2 kW. Grundlegende Antennendaten sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Die Hauptaufgabe bei der Installation einer Antenne besteht darin, sie auf die maximal mögliche Höhe anzuheben. Antennen mit sogar geringem Gewinn liefern in großer Höhe ein besseres Signal als Antennen mit großem Gewinn, die jedoch in geringer Höhe installiert werden. Das geringe Gewicht des Spider erleichtert das Heben in große Höhen. Auch die Wahl des optimalen Installationsortes wird vereinfacht. Die Antenne ist bequem auf Reisen zu verwenden. Sie können sie auf den Gipfeln der umliegenden Berge, auf Inseln, Burgtürmen und Leuchttürmen und sogar auf jedem Dach installieren. Diese Antenne schneidet im Vergleich zu herkömmlichen schweren Triband-„Beams“ gut ab. Die Montage der Antenne ist einfach, das Design verwendet keine speziellen komplexen Elemente. Das Fehlen einer Einrichtungsprozedur macht die Antenne auch für Anfänger zugänglich. Der Materialaufwand für die Anfertigung der Antenne ist gering, dennoch kann man beim Mast und der Drehvorrichtung sparen. Die Entwicklung der Antenne wurde durch die Bekanntschaft mit der originellen und eleganten Lösung von Dick Bird (G4ZU) erleichtert, der sein „Bird Yagi“ vorschlug – eine dreielementige „Wellenkanal“-Antenne mit einem V-förmig gebogenen Drahtleiter und Reflektor. Es wird auch „Pfeil und Bogen“ genannt. Allerdings gab es in der Literatur keine Beschreibungen von Multiband-Designs, sodass der DF4SA eine eigenständige Entwicklung vornehmen musste. Nach unzähligen Versuchen der Computersimulation ist es uns schließlich gelungen, eine virtuelle Antenne zu erhalten, die den Anforderungen entspricht. Es blieben strukturelle und mechanische Probleme bestehen: Die Antenne musste leicht, aber steif sein, Schutz vor Feuchtigkeit bieten und reproduzierbare elektrische Eigenschaften aufweisen, unabhängig davon, wie oft sie montiert und demontiert wurde. Der Zusammenbau sollte nicht schwierig sein und spezielle Werkzeuge erfordern. Alle diese Anforderungen wurden erfüllt, und der Autor hatte große Freude daran, zu sehen, wie die Antenne während des CQ WW CW CONTEST 2002 einem schweren Sturm problemlos standhielt, wenn sie von CTZEE aus operierte. Grundprinzipien des Antennenbaus. „Spider“ ist ein Wellenkanal für die Reichweiten 10, 15 und 20 Meter. Es besteht aus drei ineinander verschachtelten Drahtantennen, die auf einem gemeinsamen Querträger („Spinne“) aus Glasfaser gespannt sind. Diese Antennen wiederum enthalten drei Elemente für die 20-Meter-Reichweite, drei Elemente für die 15-Meter-Reichweite und vier Elemente für die 10-Meter-Reichweite. Das aktive Element der Antenne besteht aus drei einzelnen Dipolen für die 20-, 15- und 10-Meter-Bänder, die nur am Einspeisepunkt miteinander verbunden sind. Daher werden beim Antennendesign keine Spulen oder Schaltkreise („Fallen“) verwendet. Für den Übergang von einem unsymmetrischen Koaxialkabel zu einem symmetrischen Dipol wird ein einfaches und breitbandiges Induktorgerät verwendet, das von W2DU vorgeschlagen wurde. Dadurch ist das Stromversorgungssystem sehr einfach und zuverlässig. Es sind keine Phasenleitungen oder andere Anpassungsgeräte erforderlich. Die allgemeine Skizze der Antenne (Draufsicht) und die Einbaumaße der Elemente (in Zentimetern) sind in Abb. dargestellt. 3.
Die Drahtlängen (in Zentimetern) der passiven Antennenelemente sind in Tabelle 2 angegeben.
Es ist zu beachten, dass diese Daten nur gültig sind, wenn die Antenne aus Kupfer oder verkupfertem Draht mit einem Durchmesser von 1 mm ohne Isolierung besteht. Andere Arten von Drähten, insbesondere isolierte, erfordern eine gewisse Korrektur der Abmessungen der Elemente, was mit einer Änderung des Verkürzungskoeffizienten verbunden ist, der wiederum von der Geschwindigkeit der Wellenausbreitung entlang des Drahtes abhängt. Auch bei der Verwendung von Isolatoren an den Enden der Antennendrähte kann eine Korrektur erforderlich sein. Es ist sehr wichtig, bei der Herstellung der Antenne die genauen Abmessungen einzuhalten. Schon ein Fehler von einem Zentimeter (!) führt zu einer Änderung der Parameter. Daraus folgt, dass die Antennendrähte unter Last nicht gedehnt werden sollten. Am besten verwenden Sie verkupferten Stahldraht, Daten dazu finden Sie in [1]. Als die erste Kopie der Antenne aus gewöhnlichem weichem Kupferdraht mit Emaille-Isolierung bestand, dehnten sich einige Elemente beim Auf- und Abbau der Antenne sogar um 10 cm, was dazu führte, dass die Resonanzfrequenzen „verschwanden“ und sich das Strahlungsmuster verschlechterte. Besonders darunter litt das Vorwärts-/Rückwärtsstrahlungsverhältnis. Der Aufbau des aktiven Elements ist in Abb. dargestellt. 4. Es besteht aus drei Dipolen, die in einer vertikalen Ebene streng übereinander liegen müssen. Wie bei anderen Multiband-Dipolen gilt auch hier: Je weiter sie voneinander entfernt sind, desto geringer ist die Wechselwirkung.
Der Abstand zwischen dem oberen 20-Meter-Dipol und dem unteren 10-Meter-Dipol sollte etwa 50 cm betragen. Wichtig ist auch, dass der 10-Meter-Dipol mindestens einige Zentimeter über das Glasfaserstützrohr hinausragt. Andernfalls kann sich das SWR geringfügig ändern, wenn der Glasfaserstab durch Regen nass wird. Die Längen der Dipole (in Zentimetern) sind in Tabelle 3 angegeben.
Die Symmetriervorrichtung („Balun“) kann sehr einfach sein, da die Eingangsimpedanz der Antenne an den Einspeisepunkten bereits nahe bei 50 Ohm liegt. Daher ist keine Widerstandsanpassung erforderlich. Sie müssen lediglich von einem Single-Ended-Koaxial-Stromkabel auf eine symmetrische Antenne umsteigen. Daher erwies es sich als möglich, anstelle dieses Ringkerntransformators eine einfache Drossel aus Koaxialkabel in dieser Antenne zu verwenden. Die einfachste Variante eines Koaxialkabel-Induktors ist eine Spule mit mehreren Windungen (5...10) direkt in der Nähe der Steckdose. Die Wirkungsweise einer solchen Drossel hängt jedoch stark von der Frequenz, der Art des Kabels selbst, dem Durchmesser und der Länge der Spule ab. Ein weiteres Problem entsteht, wenn der Wickeldurchmesser für einen bestimmten Kabeltyp kleiner als zulässig ist – mit der Zeit verschlechtern sich die Kabelparameter. Eine viel bessere Lösung ist die Verwendung einer Koaxialdrossel, wie von W2DU [2] beschrieben. Sie müssen ein Stück dünnes Koaxialkabel nehmen und auf dessen Außenisolierung mehrere (von 16 bis 50, je nach Typ) Ferritringe anbringen, die die Impedanz für Ströme, die entlang der Außenfläche des Geflechts fließen, effektiv erhöhen. Dadurch werden diese Ströme deutlich reduziert. Wenn Sie ein Kabelstück mit Fluorkunststoff (Teflon)-Isolierung verwenden, kann die zulässige Leistung der Antenne zwei Kilowatt erreichen. Ein Kabelstück mit aufgesetzten Ferritringen wird in eine wasserdichte Box aus einem kastenförmigen Kunststoffprofil mit Deckel gelegt. An einem Ende der Box ist ein Standard-Kabelstecker vom Typ S0239 montiert, am anderen sind zwei Bolzen zum Verbinden der Hälften des aktiven Elements montiert. Der Aufbau des Baluns mit abgenommener Abdeckung ist in Abb. dargestellt. 5.
Das Gerät erfüllt noch eine weitere Funktion: Am Mast befestigt hebt es den Kraftpunkt des Wirkelements über die zentrale Verbindung der tragenden Glasfaserelemente. Antennendesign. Grundlage ist die in Abb. dargestellte zentrale Verbindung. 6.
Es besteht aus zwei quadratischen Platten aus Duraluminiumblech und vier Rohrabschnitten (Abb. 7), in die tragende Glasfaserelemente eingesetzt sind.
Die Rohre werden mit acht Schrauben zwischen den Platten geklemmt; Langlöcher in den Platten ermöglichen die Anpassung der Verbindung an einen bestimmten Mastdurchmesser, der zwischen 30 und 60 mm liegen kann. Die Verbindung wird zusätzlich mit einem Stück U-förmigem Duraluminiumprofil (es wird mit zwei Schrauben an der oberen Platte befestigt) und einer U-förmigen Klemme mit Muttern starr am Mast befestigt. Durch die Konstruktion der Zentraleinheit wird sichergestellt, dass der Schwerpunkt der Antenne genau entlang der Mastachse liegt, wodurch die Belastung des Masts und der Drehvorrichtung verringert wird. Tragende Glasfaserelemente mit einer Länge von 5 m sind die unteren Abschnitte von neun Meter langen Glasfaserstäben. Um der gesamten Tragkonstruktion Steifigkeit zu verleihen, wurden eine Reihe von Abspannseilen aus Kevlar-Schnüren mit einem Durchmesser von 1,5 mm verwendet – eine Methode, die seit der Zeit der Segelflotte bekannt ist. Die Saite hält einer Zugfestigkeit von bis zu 150 kg stand. Kevlar ist gut, weil es sich praktisch nicht dehnt und die Antenne beim Drehen und bei erheblichen Windlasten ihre Form behält. Die Konfiguration der Abspanndrähte ist in Abb. dargestellt. 8. Für die Befestigung empfiehlt sich die Verwendung von Segelknoten, die die Ladung gut halten und sich bei der Demontage der Antenne leicht lösen lassen.
Nach dem Zusammenbau der Tragkonstruktion werden Drahtelemente einfach und schnell daran befestigt. An den Knickstellen sowie an den Enden werden kurze Kunststoff-Isolierrohrstücke auf die Elemente gesteckt. Ergebnisse und technische Daten. Die Antenne wurde auf einem zehn Meter hohen Mast im Freien aufgestellt und ihre Parameter wurden sorgfältig gemessen. Es stellte sich heraus, dass die verwendeten verkupferten Stahldrähte mit einem Durchmesser von 1 mm keinen Kürzungsfaktor erfordern und die aus der Computermodellierung gewonnenen Daten direkt bei der Herstellung der Antenne verwendet werden können. Es stellte sich auch heraus, dass Isolatoren an den Enden der Drähte (4 cm lange Polyamidrohre, gefüllt mit Epoxidharz) die Resonanzfrequenz der Elemente spürbar beeinflussen und sie um etwa 100...200 kHz senken. Diesem Effekt muss durch entsprechendes Kürzen der Leitungen Rechnung getragen werden. Die Ergebnisse der Messungen der Verstärkung und des Verhältnisses von Vorwärts-/Rückwärts- und Vorwärts-/Seitenstrahlung sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die Verstärkungswerte sind relativ zu einem isotropen Emitter und in Klammern relativ zu einem Dipol angegeben. Die erhaltenen Werte entsprechen in etwa denen einer typischen modernen Triband-Antenne mit einer Trägerstrahllänge (Boom) von 6...7 m.
Die Werte des Strahlungsverhältnisses vorwärts/seitlich sind etwas kleiner, da die aktiven Elemente nicht in der gleichen horizontalen Ebene liegen wie die passiven. Dies hat jedoch auch einen Vorteil: Bei der Entfernungssuche hört der Bediener, wenn auch schwach, Signale aus anderen Richtungen. Als Beispiel in Abb. Abbildung 9a zeigt die Antennenstrahlungsmuster bei einer Frequenz von 14,12 MHz in der Azimut- und Vertikalebene, berechnet mit dem NEC-Antennenmodellierungsprogramm. Die Berechnung erfolgte für eine Antenneninstallationshöhe von 10 m über der Erdoberfläche. In Abb. Abbildung 9b zeigt ähnliche Strahlungsmuster bei der Installation der Antenne in einer Höhe von 20 m. Diagramme in Abb. Abbildung 9c zeigt die Abhängigkeit der Verstärkung und des Vorwärts-/Rückwärtsstrahlungsverhältnisses von der Frequenz.
Bei der Feldarbeit auf verschiedenen Expeditionen hat „Spider“ die in ihn gesetzten Hoffnungen voll und ganz gerechtfertigt. Weitere Informationen zur Antenne und eine detaillierte Beschreibung ihrer Herstellungstechnologie finden Sie auf der DF4SA-Website [3]. Einige nützliche Diskussionen zum Design sowie Übersetzungen der Beschreibung in andere Sprachen sind auf der Website verfügbar [4]. Die Antenne wurde auch mit dem MMANA-Antennenmodellierungsprogramm modelliert. Die erhaltenen Ergebnisse unterscheiden sich kaum von den oben angegebenen. Literatur
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Kommentare zum Artikel: Vladimir Groß! Danke für die Info!
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