Was ist die Herausforderung beim Funken auf UKW?
Die Reichweite ist im Funk einer der wichtigsten Faktoren. Die Reichweite von UKW ist auf den Sichtbereich beschränkt. Das bedeutet, dass zwischen dem Sender und dem Empfänger ‚eigentlich‘ eine ungehinderte Sichtverbindung bestehen muss, damit ein Kontakt hergestellt werden kann. Die Funkverbindung wird schwächer oder sogar ‚eigentlich‘ unmöglich, wenn sich einer der Teilnehmer hinter einen Hindernis oder hinter einem Berg oder großen Gebäude befindet. Eigentlich…
Auf dieser Seite wollen wir Ihnen die Möglichkeiten des UKW-Funkbetriebs aufzeigen, wie Sie doch über den (Sicht-)Horizont hinaus Kontakt zu anderen Funkern herstellen können und welche Bedeutung die Wahl der richtigen UKW-Antenne hat.
Die Frequenzbereiche (UKW-Bänder)
Den größten Anteil am Funkbetrieb tragen die klassischen UKW-Bänder 2 m und 70 cm. Das 6- und 4-m-Band und vor allem das 23-cm-Band sind schon eher etwas für Spezialisten. Der allgemein als „UKW“ bezeichnete Frequenzbereich ist unterteilt in den VHF-Bereich von 30 MHz bis 300 MHz und den UHF-Bereich von 300 MHz bis 3 GHz. Innerhalb dieser Grenzen liegen insgesamt vier Amateurfunkbänder:
Die wichtigsten Bänder auf UKW sind im unteren Bereich zu finden (von 110 bis ca. 450 MHz). Konkret sind das die Bänder mit ungefähr 2 m und 70 cm Wellenlänge. Das betrifft sowohl den Amateurfunk als auch See- und Flugfunk und auch die BOS-Dienste. Natürlich gibt es noch andere Frequenzbänder die pauschal mit „UKW“ bezeichnet werden und die in anderen Bereich (Mobiltelefon, Wifi, Radar usw.) eine sehr große Rolle spielen. Diese Bänder werden wir hier allerdings nicht betrachten.
Einsatzbereiche für UKW-Antennen
Hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten unterscheidet man nach Mobilfunk, also die ortungebundene Funkstation, entweder im Auto auf einem Boot oder Flugzeug oder auch einfach nur das Handfunkgerät; und Stationärer Einsatz, also der Betrieb von zuhause aus mit einer ortsfest aufgebauten Station.
Mobilfunk, also die ortungebundene Funkstation, entweder im Auto auf einem Boot oder Flugzeug oder auch einfach nur das Handfunkgerät.
Stationärer Einsatz, also der Betrieb von zuhause aus mit einer ortsfest aufgebauten Station.
Unterscheidungsmerkmale verschiedener UKW-Antennen
Die meisten UKW-Antennentypen lassen sich in Rund- und Richtstraher einteilen. Rundstrahler sind Antennen, die die Energie in alle Richtungen gleichmäßig abgeben. Richtstrahler sind Antennen, die eine mehr oder minder starke Richtwirkung haben, also die Energie nur in eine Richtung bündeln.
Weiterhin unterscheidet man nach vertikale oder horizontale Polarisation. Die Anwendungsfälle Feststations-, Portabel- oder Mobilbetrieb, sowie der oder die jeweils nutzbare/n Frequenzbereich/e sind weitere Unterscheidungsmerkmale.
Wesentliche Eigenschaften von UKW-Rundstrahlern
Antennen mit einem annähernd kreisförmigen Richtdiagramm in der Horizontalebene werden als Rundstrahler bezeichnet. Vertikal polarisierte Rundstrahler sind im kommerziellen Bereich, wie beispielsweise im BOS-Funk, bei stationären und bei beweglichen Funkstellen weit verbreitet. Auch im Amateurfunk ist im UKW-Bereich die Vertikalpolarisation üblich. Sämtliche FM-Relaisfunkstellen des Amateurfunks arbeiten mit vertikal polarisierten, rundstrahlenden Antennen. Rundstrahler werden neben den Monoband-Ausführungen auch als Zwei- oder Dreiband-Antennen für 2 m, 70 cm und 23 cm angeboten.
Unterschiede gibt es in der Einspeisung bei Rundstrahlern
- In seiner einfachsten Form ist ein vertikal polarisierter Rundstrahler eine ʎ/4-Antenne oder eine Groundplane-Antenne für den stationären Betrieb. Als so genanntes „ʎ/4-Stäbchen“ werden Viertelwellenstrahler häufig im Mobilbetrieb eingesetzt. Die Karosserie des Fahrzeugs bildet das notwendige Gegengewicht.
- Zur Gruppe der Halbwellenstrahler gehören die Sperrtopf-, die J-Antenne, sowie der über die Halbwelle hinaus verlängerte ʎ-5/8-Strahler. Vertikale Halbwellenstrahler sind meisten endgespeist und erzeugen eine flachere Abstrahlung und bereits einen leichten Gewinn.
- Lediglich der Koaxialdipol ist, wenn auch nicht auf den ersten Blick ersichtlich, elektrisch mittengespeist.
- Zu guter Letzt zählt die Familie der kurzen Wendelantennen an den Handfunkgeräten auch zu den vertikalen Rundstrahlern.
Ordnet man zwei oder mehr vertikale Rundstrahler gestockt übereinander an, erhält man eine kollineare Antenne. „Kollinear“ bedeutet „in einer geraden Linie angeordnet“. Alle Einzelstrahler sind über Phasenleitungen gleichphasig erregt und müssen in einem bestimmten Stockungsabstand angeordnet sein. Mit der Anzahl der gestockten Strahler steigt der Gewinn und verkleinert sich der vertikale Erhebungswinkel, d. h. die Abstrahlung wird flacher. Diese Bauform erfordert eine große Standrohrlänge und ist auch im Amateurfunk, häufiger jedoch im kommerziellen Bereich anzutreffen. Die beliebten Diamond „X-nn“ Antennen sind so konstruiert.
Wesentliche Eigenschaften von UKW-Richtantennen
Eine Richtantenne besteht aus mindestens zwei Elementen, dem Strahler und einem in der gleichen Ebene zugeordneten passiven, strahlungsgekoppelten Element, dem Reflektor. Auf dem auch Boomrohr genannten Träger der Antennenelemente können in Strahlrichtung vor dem Strahler weitere Elemente, die so genannten Direktoren angeordnet werden. Mit der Erhöhung ihrer Anzahl erhöht sich der Vorwärtsgewinn der Antenne und der Öffnungswinkel wird kleiner.
Je nach horizontaler oder vertikaler Montage am Standrohr sind Richt-Antennen horizontal oder vertikal polarisiert. Das Strahlungsdiagramm aller Richtantennen besteht aus einer großen Vorwärtskeule und einer möglichst kleinen Rückwärtskeule. Deren Kenndaten sind der (Vorwärts)-Gewinn und die Rückdämpfung. Bei der Bewertung von Antennen ist zwischen dem isotropen Strahler (dBi) (theoretischer Kugelstrahler) und dem Gewinn über Dipol (dBd) zu unterscheiden. Die Gewinnangaben in den technischen Daten zu den UKW-Antennen beziehen sich stets auf den isotropen Strahler. Die Gewinnangabe ein- und derselben Antenne in dBd, also über den Dipol als Vergleichsantenne, ist immer um 2,15 dB geringer. Das muss beim Vergleich von Antennendaten unbedingt berücksichtigt werden! Ein weiteres Kriterium ist der horizontale und der vertikale Öffnungswinkel. Logarithmisch-periodische Richtantennen lassen sich immer dann mit gutem Erfolg einsetzen, wenn sehr große lückenlose Frequenzbereiche bei nahezu gleichbleibenden Antenneneigenschaften über den gesamten Arbeitsbereich und mehrere Amateurfunkbänder gefordert werden. Zu Gunsten der Breitbandigkeit erreichen sie jedoch nicht die hohen Gewinne von Yagi-Antennen.
Yagi-Antennen
Nicht ohne Grund ist die Yagi-Antenne in Kurz- oder Langausführung im VHF- und UHF-Bereich des Amateurfunks die am häufigsten eingesetzte Richtantenne. Sie ist unter geringem Materialaufwand einfach und kostengünstig herzustellen. Damit ist sie auch für den Selbstbau gut geeignet. Weitere Vorteile sind ihre geringe Windlast und die günstige Lage des Schwerpunktes bei drehbarer Anordnung auf einem Rotor. Je nach Konzept und Anzahl der Elemente erreicht eine einzelne Yagi-Antenne einen Vorwärtsgewinn von zirka 5 dBd bis maximal 16 dBd. Darüber hinaus ist eine weitere Verlängerung des Antennenträgers und das Hinzufügen weiterer parasitärer Elemente nicht mehr sinnvoll, weil der Gewinn mit zunehmender Antennenlänge und Elementanzahl nicht linear, sondern nur noch in einer immer flacher werdenden Kurve ansteigt. Bei zirka 5 m Antennenlänge ist die Grenze der mechanischen Machbarkeit und Stabilität erreicht. Eine weitere Erhöhung des Gewinns ist dann in der Praxis nur noch durch eine Gruppenbildung möglich. Sonderformen sind Kreuzyagis, Richtantennen mit Elementen in quadratischer Schleifenform und zirkular polarisierte Richtantennen.
KENNGRÖßEN
Welche Antenne wofür?
Vertikale Rundstrahler werden bevorzugt für den FM-Sprechfunk – direkt oder via Relais – eingesetzt. In lokalen Runden mit Teilnehmern an unterschiedlichen, in alle Himmelsrichtungen verteilten Standorten, ist ein Richtstrahler selbstredend nicht so gut geeignet. In diesem Fall benötigt man einen zusätzlichen Rundstrahler. Die größeren Rundstrahler mit etwas mehr Gewinn eignen sich auch dazu, sich bei guten Bedingungen vorab im SSB-Bereich einen Überblick über die Bandbelegung zu verschaffen, um anschließend zur Verbindungsaufnahme auf eine horizontal polarisierte Richtantenne umzuschalten.
Auch wenn man bei sehr guten Ausbreitungsbedingungen mit einem Rundstrahler in SSB Erfolge erzielen kann, für eine regelmäßige Teilnahme am DX-Betrieb ist eine leistungsfähige, mittels Rotor drehbare Yagi-Antenne unentbehrlich. Bei Kreuzyagis ist die Polarisationsebene zwischen vertikal und horizontal umschaltbar. Im FM-Funk ist die vertikale Polarisation, für SSB, CW und andere Betriebsarten die horizontale Polarisation üblich. Darüber hinaus gibt es noch sog. Helix-Antennen, das sind Richtantennen mit zirkularer (d. h. drehender) Polarisation, die im Satellitenfunk eingesetzt werden. Auf den Punkt gebracht: Für den Lokalfunk geht es auch mit Indoor-Antennen, für ernsthaftes DX müssen die Antennen outdoor, möglichst hoch und frei „an die frische Luft“.
Mobilfunk
Natürlich gibt es darüber hinaus spezielle Anwendungsfälle, wie zum Beispiel der Betrieb über den Mond als passiver Reflektor (EME), oder Meteorscatter oder Satellitenbetrieb. Alle diese Einsatzbereiche finden nahezu ausschließlich auf UKW statt, in den meisten Fällen mit Richtantennen. Im Gegensatz zu terrestrischem Funk wird hier oft eine zirkulare Polarisation angewendet. Auf höheren Frequenzen (so ab 13cm, 2.4 GHz) werden oft Parabolspiegel als Richtantenne verwendet, weil hier die Größe dieser Bauform handhabbar wird.
Troposcatter
Satellitenfunk
Meteorscatter
Erde-Mond-Erde
Flugfunk
Seefunk
Wie wichtig ist die Wahl des Koaxialkabels für UKW-Antennen?
Zu einer guten Antennenanlage im UKW-Bereich gehört letztendlich auch ein höherwertiges Koaxialkabel mit niedrigen Dämpfungswerten. Ein paar Meter RG-58 mit PL-Steckern, das kann man für den Betrieb über die nächst gelegene FM-Relaisfunkstelle noch durchgehen lassen. Größere Längen dieses Kabels und herkömmliche PL-Stecker würden den Gewinn einer guten Antenne wieder zunichtemachen. Dann sind dämpfungsarme Kabel, sowie Stecker und Buchsen in N- oder BNC-Norm in guter Qualität, definitiv die bessere Wahl. Der Wert der Kabeldämpfung wird bezogen auf 100 m angegeben. Die Dämpfung der individuell eingesetzten Kabellänge lässt sich ganz einfach ermitteln, indem man den für das Kabel angegebenen dB-Wert durch 100 dividiert und mit der individuellen Kabellänge multipliziert. Der Anschluss des Koaxialkabels an die Antenne muss zugentlastet und witterungsgeschützt, mit einem zum Kabeldurchmesser passenden Stecker und der zur Anschlussbuchse zugehörigen Norm ausgeführt werden.
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Benötigt man für den UKW-Betrieb unbedingt einen Rotor?
Eine 4el-Yagi wird man vielleicht noch, fest ausgerichtet zum nächsten FM-Relais montieren. Längere Yagis und andere Richtantennenformen benötigen jedoch einen Rotor, um ihre Richtwirkung effektiv einsetzen zu können. Je nach Antennengröße, Windlast und Gewicht hält der Markt jeweils geeignete Exemplare, vom kleinen Rotor für Yagis im TV-Antennen-Format bis hin zu schwerem Gerät zum Drehen großer Gruppenantennen, bereit. Für den Betrieb über erdumlaufende Satelliten und für EME sind Elevations-/Azimutal-Systeme erforderlich. Sie bestehen aus der Kombination zweier Rotoren und können eine Antenne sowohl horizontal 360° im Azimuth als auch vertikal 90° in der Elevation ausrichten.
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Was benötigt man für den UKW-Empfang?
Nur Empfang, was brauche ich da? Das kommt darauf an: Möchte man nur das am nächsten gelegene FM-Relais abhören, genügt meisten bereits eine im Haus montierte Fenster-Quad, eine kurze Mobilantenne auf der Fensterbank oder eine HB9CV auf dem Dachboden.
Für den Empfang entfernter FM- oder SSB-Stationen bis zu DX bei guten Bedingungen ist wenigstens ein guter Rundstrahler auf dem Hausdach oder freistehend auf einem Rohrmast zu empfehlen.
Wer möglichst alle Bänder im VHF- und UHF-Bereich empfangen möchte, sollte eine Discone-Antenne wählen. Sie ist mit ihrer großen Bandbreite und vertikal polarisiert, die ideale Antenne für den Rundum-Empfang.
Der UKW-Mobilfunk wird hauptsächlich über die zahlreichen FM-Relais im 2-m- und 70-cm-Band sowie auch auf Direktfrequenzen abgewickelt. Zunehmend gewinnen hier auch die neuen Betriebsarten des digitalen Sprechfunks an Bedeutung. Das sog. „ʎ/4-Stäbchen“ ist etwas „aus der Mode“ gekommen. Da es die Karosserie als Gegengewicht benötigt, kommt dafür nur die direkte Montage in Dachmitte in Frage. Das ist HF-technisch gesehen zwar der optimale Montageort, abgesehen von einem Altfahrzeug wird jedoch kaum jemand dafür die Bohrmaschine ansetzen wollen. Für eine VHF/UHF-Mobilfunkantenne gibt es aktuell mit den Antennenformen ʎ/2 und ʎ-5/8 reversible Montagemöglichkeiten wie der Magnetfuß, die Fensterklemme, die Dachgepäckträger-, Reeling- oder Kofferraumklemme, sowie die Klebeantenne zum Aufkleben auf der Innenseite von Front- oder Heckscheibe.
Die Reflexion an und in der Troposphäre ist der übliche und häufigste Ausbreitungsweg für Überreichweiten im UKW-Bereich. Die länger anhaltenden Reflexionen ermöglichen vollständige Verbindungen in allen Betriebsarten, bei entsprechenden Ausbreitungsbedingungen oftmals auch mit kleinen Sendeleistungen und kleiner Antenne. Und das bis zu 700 km!
Der Amateurfunkbetrieb über Satelliten, insbesondere aktuell über den geostationären QO-100, ist mit relativ geringem Aufwand möglich. Durch den geostationären, also am Himmel feststehenden Satelliten, ist eine Nachführung der Antenne, wie zum Beispiel beim zuvorgehenden OSCAR-100, der die Erde in einer Umlaufbahn umkreiste, nicht erforderlich. Damit ist der QO-100 in seiner Ausleuchtungszone ständig zu erreichen.
Der Transponder des Satelliten überträgt ein 250 kHz breites Frequenzfenster, innerhalb dem viele Stationen gleichzeitig in unterschiedlichen Betriebsarten wie SSB, CW oder schmalbandigen Digimodes, miteinander in Verbindung treten können. Der Uplink liegt bei 2,4 GHz, der Downlink erfolgt im 10-GHz-Band. Dafür sind bereits einige Watt Sendeleistung und ein Satellitenspiegel von einem Meter Durchmesser völlig ausreichend. Für den Selbstbau sind zahlreiche Module verfügbar - und auch wenn dahinter eine komplexe Technik steckt, ist dahingegen der finanzielle Aufwand erstaunlich gering, um über QO-100 QRV zu werden.
Entlang der Leuchtspur von in die Erdatmosphäre eintretenden Meteoriten bildet sich eine schmale Zone ionisierter Gase, an denen UKW-Signale reflektiert werden. Dieser Vorgang findet in einer Höhe von 80 bis 120 Kilometern statt und ermöglicht Verbindungsreichweiten von über 2000 Kilometern. Diese als Meteorscatter genannten Reflexionen werden im Amateurfunk im VHF- und UHF-Bereich auf den Amateurfunkbändern 50, 145 und 435 MHz, vorwiegend zu den festen Terminen der jährlichen Meteoritenschauer, für sporadische Verbindungen genutzt. Da die Ionisation in der Regel nur sehr kurz ist, wird mit Highspeed-Telegrafie eine spezielle Betriebsart und Betriebstechnik angewandt. Für ein ausreichendes Signal sind eine Richtantenne und höhere Sendeleistung erforderlich.
Der Mond kann als passiver Reflektor für Funkverbindungen zwischen zwei weit entfernten Punkten auf der Erde benutzt werden. Die hohe Freiraumdämpfung von weit über 200 dB und das geringe Reflexionsvermögen durch die raue, zerklüftete Oberfläche des Mondes, sowie die durchschnittlich 770.000 Kilometer, die das Signal durchlaufen muss, erfordern einen sehr großen Antennenaufwand. Große Gruppen aus Langyagi-Antennen und eine Nachführung der Antenne (siehe unter Rotoren: Elevations-/Azimutal-Systeme) sind deshalb erforderlich. Eine Vierer-Gruppe Langyagis und 400 W Sendeleistung sind im 70-cm-Band als Mindestausrüstung anzusehen.
Deshalb kommen nur Frequenzen im UKW-Bereich in Frage, um den erforderlichen Antennengewinn realisieren zu können. Das Funksignal benötigt für die rund 770.000 Kilometer zum Mond und zurück eine Laufzeit von zirka 2,5 Sekunden. EME-Betrieb findet in den Amateurfunkbändern auf 144, 432, 1296 MHz und 10 GHz statt. Im 2-m-und 70-cm-Band werden meistens Gruppen von Lang-Yagi-Antennen eingesetzt. Mit einer Sendeleistung von etwa 750 W kann man die eigenen Echos vom Mond mit vier Lang-Yagis von je 5 m Boom-Länge und 2 x 2 übereinander gestockt, in Telegrafie gerade so eben über dem Rauschen empfangen. Auf den höheren Frequenzen ab 1296 MHz werden Parabolspiegel eingesetzt, welche mit 35 dB und mehr Gewinn, sichere EME-Verbindungen ermöglichen.
Auch Flugzeuge kommunizieren meist auf UKW. Nur über den Ozeanen und sehr dünn besiedelten Regionen der Erde wird auch Kurzwelle verwendet. Der klassische AM-Sprechfunk ist für die Steuerung und Navigation durch Fluglotsen immer noch weltweiter Standard. Darüber hinaus finden automatisierte Modes wie z.B. ACARS (Nachrichtenaustausch) und ADS-B (Positionsdaten) auch auf UKW statt.
Obwohl Mobiltelefone in der maritimen Welt weitgehend Einzug gehalten haben, ist der UKW-Funk nach wie vor das wichtigste Kommunikationsmittel an Bord eines Schiffes. Das wichtigste Element des gesamten Funksystems wiederum ist wahrscheinlich die Antenne.
In der Berufsschifffahrt wird der UKW-Funk sowohl für den Funkverkehr an Bord als auch für den Funkverkehr mit Bezirksfunkstellen, Verkehrsleitzentralen, dem Schiffssteuerungsfunkdienst, Lotsen, Häfen und Schleusen sowie für den Funkverkehr mit anderen Schiffen in dicht besiedelten Verkehrsgebieten genutzt. Der Grund dafür ist die kurze Reichweite des UKW-Seefunks.
In der Sportschifffahrt wird der UKW-Seefunk auch als Notsender, als Quelle für meteorologische und nautische Warnmeldungen, als Kommunikationsmittel mit Bezirksfunkstellen, Häfen und Schleusen sowie für soziale Kontakte genutzt.
Darüber hinaus verfügen Martime-Funkgeräte über zusätzliche Funktionen, wie integriertes GPS oder AIS. In einigen Fällen muss eine zusätzliche Antenne installiert werden. In anderen wird die Funkantenne den Dienst unterstützen.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Leistung des Funksystems an Bord durch eine suboptimale Antennenverbindung oder ein Kabel vom Sender zur Antenne erheblich reduziert wird.
Mobilfunk
Der UKW-Mobilfunk auf 2 m und 70 cm findet wg. der Ausbreitung der Funkwellen „auf Sicht“ fast ausschließlich über zahlreiche Relaisstationen statt. Die Betriebsart Echolink und die inzwischen zahlreich verlinkten Relaisstationen, vergrößern den Einzugsbereich erheblich. Damit ist der UKW-Funk längst nicht mehr lokal oder auf das eigene Land beschränkt, sondern ermöglicht sogar über Europa hinaus eine weltweite Kontaktaufnahme. Des Weiteren ergänzen zunehmend die neuen digitalen Betriebsarten, wie C4FM, DMR und D-STAR die Kommunikationsmöglichkeiten. Im Mobilfunk wird fast ausschließlich vertikale Antennen-Polarisation verwendet.
Feststationsbetrieb
Der Betrieb einer Feststation mit ausreichend hoch und frei aufgebauten Richtantennen ermöglicht die Teilnahme am DX-Geschehen auf den UKW-Bändern.
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FM-Funk
Der Lokalfunk über FM-Relais und Direktfrequenzen erfordert weniger Aufwand und ist bereits mit Indoor- oder Balkonantennen möglich. Der relaisfunk und der meiste FM-Funkverkehr wird mit vertikal polarisierten Antennen abgewickelt.
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Terrestrischer DX-Betrieb
Lediglich das Erreichen weit entfernter Stationen erfordert den Einsatz von Richtantennen. Die Teilnahme an den UKW-Contesten belebt den Funkbetrieb auf den Direktfrequenzen, meist in SSB und CW.
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Besondere Einsatzbereiche wie EME, Satellitenfunk usw.
Neben dem FM-Funk und dem DX-Betrieb in SSB gibt es noch einige weitere, äußerst interessante Spielwiesen auf UKW. Als Beispiele seien hier der Betrieb über den Mond als Reflektor genannt, oder auch der Betrieb über niedrig fliegende Satelliten. Hier werden fast ausschließlich Richtantennen verwendet, teils sehr große. Die Polarisation richtet sich nach der Situation, oft wird zirkulare Polarisation verwendet.
Hier die wichtigsten, praxisbezogenen Antennen-Kenngrößen, die bei UKW-Antennen in der Auflistung der technischen Daten üblich sind:
Der Gewinn im Vergleich zu einem isotropen Kugelstrahler
Der Gewinn im Vergleich zu einem Dipol
Der Gewinn im Vergleich zu einem isotropen Kugelstrahler
Impedanz am Fuß- bzw. Speisepunkt der Antenne
Der Gewinn im Vergleich zu einem isotropen Kugelstrahler
Wird üblicherweise als der Frequenzbereich angegeben, indem das SWV bei oder unter 2:1 liegt.
Nicht jeder Wert lässt sich beliebig optimieren. Ein hoher Gewinn bedingt eine große Bauform (Länge bei Yagis), eine Optimierung des Gewinns geht meist zu Ungunsten des FB-Ratio und der Bandbreite usw. Man muss also gucken, welcher Wert einem am wichtigsten ist.
