Gestockte Yagi-Antennen für VHF und UHF

Dieser Beitrag orientiert sich primär an den Ansprüchen solcher UKW-Amateure, die für den terrestrischen DX-Betrieb und Sonderbetriebsarten wie EME und MS eine größere, leistungsfähige Gruppen-Antenne benötigen. Wenn Sie als Newcomer bereits erste Erfahrungen im UKW-Funk gesammelt haben, können Sie vorerst auch mit nur zwei vertikal gestockten 7-Element-Yagis gute Ergebnisse erziehlen.

Was bringt es, UKW-Antennen vertikal oder horizontal bzw. vertikal und horizontal in einer Gruppe zu stocken? Das Stocken wird als Methode angewendet, um mehr Antennengewinn in eine bevorzugte Richtung zu erzielen. Lassen wir zu dieser Frage Martin Steyer, DK7ZB, zu Wort kommen. Er hat bereits Ende der 90er-Jahre einen gut verständlichen Beitrag zu diesem Thema veröffentlicht [1]. Lesen Sie in der bearbeiteten Fassung, welche Möglichkeiten es gibt, den Gewinn einer Antennenanlage durch Stocken zu vergrößern und welcher Aufwand dazu erforderlich ist.

Hier finden Sie den Artikel von Martin Steyer, DK7ZB, welcher uns mit freundlicher Unterstützung durch die Fachzeitschrift "Funkamateur" zur Verfügung gestellt wurde:

Quellenhinweis:

[1] Steyer, M., DK7ZB: Stocken von UKW-Yagi-Antennen, FUNKAMATEUR 46 (1997), H. 5, S. 602-605

Vom Standard zu den Herausforderungen

Unter den Funkamteuren ist die 16-Element-Gruppenantenne zum Standard geworden. Sie ist die am häufigsten aufgebaute und verwendete Richtantenne im 2-m-Band. Gruppenantennen mit 12 bzw. 24, 32 oder gar 48 Elementen kommen nur selten zum Einsatz. Mit wachsender Anzahl der Elemente wird das Verhältnis des materiellen Aufwandes zur Leistung immer ungünstiger und auch die mechanischen Probleme nehmen zu. Größere Gruppenantennen haben eine hohe Windlast und stellen hohe Anforderungen an die Tragfähigkeit von Antennenmast, Standrohr, Tragegerüst und Rotor. Bei der praktischen Umsetzung tauchen vor allem folgende Fragen auf: Welches ist der richtige Stockungsabstand und wie erfolgt die richtige Zusammenschaltung der einzelnen Antennen?

Das Dilemma der Stockungsabstände

Die Frage nach dem richtigen Stockungsabstand kann man nicht so ohne Weiteres beantworten. Der richtige Stockungsabstand kann nur im Einzelfall und für definierte Anwendungen ermittelt werden. Grundsätzlich ergeben sich, ob bei zwei Antennen oder einer großen Gruppenantenne, zwei unterschiedliche Grenzfälle. Für einen maximal möglichen Stockungsgewinn von etwa 3 dB wird der dazu erforderliche Abstand relativ groß. Des Weiteren bilden sich im Vergleich zu einer einzelnen Yagi-Antenne zunehmende Nebenzipfel und Nullstellen im vertikalen Richtdiagramm aus. Zudem verkompliziert ein großer Stockungsabstand auch die mechanische Ausführung. Ein deutlich kleinerer Abstand bewirkt zwar eine optimale Unterdrückung der Nebenkeulen, leider geht dann der maximal erreichbare Gewinn auf 1,5 bis 1,8 dB zurück. Am Beispiel zweier, vertikal gestockter 7-Element-Yagis für das 2-m-Band wird das Dilemma mit den unterschiedlichen Stockungsabständen in drei Fallbeispielen deutlich. Die Yagis haben je eine Boomlänge von 3,0 m und einen Gewinn von 10,5 dBd.

Fall 1:

• Stockungsabstand: 3,12 m
• Stockungsgewinn: 13,9 dBd
• Nebenkeulen: +/- 30 Grad um Hauptstrahlrichtung
• unterdrückte Nebenkeulen: -8 dB

Fall 2:

• Stockungsabstand: 2,46 m
• Stockungsgewinn: 13,5 dBd
• Dämpfung Nebenzipfel >12,5 dB

Fall 3:

• Stockungsabstand 1,14 m
• Stockungsgewinn: 12,0 dBd
• Dämpfung Nebenzipfel: -40 dB

Wenn man diese drei Fallbeispiele vergleicht, stellt sich die Frage, ob sich der ganze Aufwand für diesen marginalen Unterschied im Gewinn lohnt.

Mechanik und Physik im Antennenbau

Allein aus mechanischen Gründen ist man geneigt, dem vertikalen Zusammenschalten den Vorzug zu geben. So sind beispielsweise vier Antennen übereinander in der Praxis weitaus besser als vier Antennen in einem H-Kreuz, dessen mechanische Probleme schnell so groß werden können, dass man diese Konstruktionsform bereits bei Antennenlängen von 1,5 ʎ nicht mehr realisieren kann. Zu der komplizierten Konstruktion des H-Kreuzes kann das hohe Flächenträgheitsmoment hinzukommen. Hier ein kurzer Ausflug in die Physik: Das Flächenträgheitsmoment verhält sich während der Drehbewegung zum Drehmoment wie die Masse zur Kraft der linearen Drehbewegung. Das Flächenträgheitsmoment steigt mit dem Abstand der in eine Drehbewegung zu bringenden Masse vom Drehpunkt bzw. der Drehachse. Somit haben (auch symmetrisch) außermittig angebrachte Antennen ein viel größeres Flächenträgheitsmoment als vertikal gestockte Antennen, deren Schwerpunkt mit dem Drehpunkt zusammenfällt. Das hört sich erst einmal kompliziert an, ein handfestes Beispiel aus der Praxis macht es anschaulicher:

Haben Sie einmal versucht, während eines Fielddays eine größere Yagi-Gruppe in H-Konfiguration von Hand zu drehen? Dann werden Sie wissen, dass das im Gegensatz zu einer Gruppe aus übereinander gestockten Antennen, ein kräftezehrender Job ist. Bei der ausladenden Konstruktion einer H-Gruppe dauert es deutlich länger, die Masse in Bewegung zu bringen, um schnell auf Änderungen in der Antennenausrichtung zu reagieren. Auf den Rotor wirken beim Beschleunigen und Bremsen wesentlich größere Torsionskräfte (Verdrehung in Längsrichtung) ein. Folglich muss auch der Rotor „eine Nummer größer“ ausgelegt sein. Das alles sind Gründe, die für eine ausschließlich vertikale Stockung sprechen.

Warum vertikale Stockung die beste Wahl ist

• Vertikale Stockung bringt eine breitere horizontale Richtkeule und dafür ein schmaleres vertikales Diagramm.
• Horizontale Stockung bringt eine größere vertikale Richtkeule und dafür ein schmaleres horizontales Diagramm.

Koaxialkabel vs. Zweidrahtleitung

In den meisten Fällen erfolgt die Anpassung auf UKW mithilfe von Viertelwellen-Transformationsgliedern. Hier soll nur auf die koaxiale Technik eingegangen werden, obwohl es beim Zusammenschalten sehr großer Gruppen mit langen Antennen nicht unbedingt ratsam ist, als Verbindungsleitungen Koaxialkabel zu verwenden. Sie können in ihrer Gesamtheit schnell die Länge von mehreren Metern mit entsprechender Zusatzdämpfung erreichen. Zudem sind dämpfungsarme Kabel schwer und bringen einen nicht unerheblichen Massezuwachs mit sich. Aus diesen Gründen verwenden Spezialisten in großen EME-Anlagen selbst gebaute Zweidrahtleitungen, die wesentlich leichter und dämpfungsärmer sind. Man muss sich dabei allerdings bei Feuchtigkeit auf ein Ansteigen des SWV einstellen und bei Vereisung oder Raureif geht gar nichts mehr.

Die Technologie der effizienten Leistungsverteilung

Koaxiale Anpasstöpfe, auch als 3-dB-Koppler oder -3-dB-Splitter bezeichnet, teilen unter Beibehaltung der Impedanz die zugeführte Leistung je zur Hälfte (50%) auf zwei Antennen auf. Sie nutzen die Tatsache, dass der Wellenwiderstand koaxialer Leitungen vom Verhältnis des Durchmessers vom Innen- und Außenleiter abhängig ist. Auch die Eigenschaften des Dielektrikums, hier Luft, spielen eine Rolle. Im Grunde ist dabei die Querschnittsform der Leiter beliebig, deshalb darf der Querschnitt des Außenleiters auch bei rundem Innenleiter quadratisch sein. Das hat den Vorteil, dass man so bequem Koaxial-Flanschbuchsen anschrauben kann, was bei Rundleitern nicht so ohne Weiteres möglich ist. Das Verhältnis von D/d, Außendurchmesser (D) zu Innendurchmesser (d), bestimmt den Wellenwiderstand Z der Anordnung.

Von industriellen Vierfachverteilern zu DIY-Koaxiallösungen

Industriell hergestellte, für das 70 cm oder das 23 cm Band dimensionierte Vierfachverteiler weisen recht handliche Abmessungen auf. In der Regel dürfte man für Zweier- oder Vierergruppen im 2 m und 70 cm Band aber eher Koaxialkabel verwenden, die zu einer recht einfachen Mechanik führen. Auch DK7ZB zieht, zumindest für 144 MHz, wegen der unhandlichen Länge von Rohrkonstruktionen, die Kabelanpassung vor. Ein wenig Mathematik und handelsübliche Kabelnormen machen es möglich, im Selbstbau äußerst preisgünstige Lösungen zu verwirklichen.

Vertikales Stocken von zwei Antennen

Am Verbindungspunkt muss an jeder der beiden von den Antennen herangeführten Leitungen eine Impedanz von 100 Ω vorliegen, damit bei Parallelschaltung die für das ableitende Koaxialkabel notwendige Impedanz von 50 Ω entsteht. Dazu errechnet sich der Wellenwiderstand des Transformationskabels nach der Beziehung $Z=\sqrt{Za*Ze}$ zu 70,7 Ω.

Ein Wellenwiderstand von 70 Ω ergibt also eine perfekte Anpassung. Es ist jedoch inzwischen schwierig, solche aktuell nicht mehr gefertigten Koaxialkabel zu beschaffen. Nimmt man ein geringfügig höheres SWV von 1,13 in Kauf, so ist es ohne Weiteres möglich, auch 75-Ω-Kabel zu verwenden. Die Länge muss ein ungeradzahliges Vielfaches von ʎ/4 sein, damit die Transformationsbedingung erfüllt wird. Zusätzlich gilt es, den Verkürzungsfaktor zu berücksichtigen, der je nach Dielektrikum unterschiedlich ausfällt. Bei Voll-Polyethylenkabeln ist V = 0,667, bei Kabeln mit hohem Luftanteil (H500, H100, Aircom u.ä.) liegt er höher, meist zwischen 0,78 und 0,85. Die Angaben des Herstellers sind also zu beachten. Aus diesen Gründen wird man in der Praxis je nach Stockungsabstand Kabellängen von 5 ʎ/4, 7 ʎ/4 oder 9 ʎ/4 einsetzen.

Für die Verschaltung ist es wichtig, dass man die Anschlussleitungen möglichst kurz hält und bei der Längenberechnung die Abschirmung (mit der Abschirmlänge eventuell eingesetzter Stecker) berücksichtigt. Die nutzbare Bandbreite geht auf jeden Fall über die Grenzen des 2 m bzw. 70 cm Bandes hinaus, sodass eine Dimensionierung für Bandmitte völlig ausreichend ist.

Präzise Verkabelung und sorgfältige Mechanik

Ein weiterer wichtiger Punkt verdient noch Beachtung: Die Anordnung der Antennen muss so erfolgen, dass alle Strahlerelemente gleichphasig erregt werden. Das bedeutet, dass Gammaleitungen, Innenleiter von Halbwellenbalun-Kabeln und Koaxialkabel für die DK7ZB-Speisung bei allen Antennen auf derselben Seite (und jeweils unten) liegen müssen. Für das 2-m-Band lohnen sich Anpasstöpfe nicht, wenn man saubere Lötverbindungen bei den Anpasskabeln hinbekommt. Für 70 cm dürften Kabeltransformationsglieder geringfügig höhere, aber noch tragbare Zusatzverluste aufweisen. Auf 23 cm sind ausschließlich koaxiale Anpasstöpfe zu empfehlen.

Grundsätzlich liegen die theoretischen Werte für den Gewinn immer höher, als man sie letztendlich wirklich erzielt, denn Kabel, Stecker und Verbindungsleitungen mit Lötstellen bringen immer unvermeidbare Verluste mit sich. Ihnen sollte man deshalb besondere Aufmerksamkeit widmen. Bei der Mechanik der Verbindungsstellen an den Rohren eines H-Kreuzes lassen sich durch den Selbstbau hohe Ausgaben vermeiden. Nach der Endmontage sollte ein zusätzlicher Korrosionsschutz durch mehrmaliges Einsprühen mit Kunststoffspray erfolgen.

Extrem-Beispiel: EME-Antenne bei DL7APV

Gruppenantenne aus 128 x 11-Element-Yagis für 432 MHz. Öffnungswinkel horizontal 1,8°, vertikal 3,8°, Gewinn 33,6 dBd

www.dl7apv.de

Foto: Bernd Wilde, DL7APV (†)

Yagis für höchste Ansprüche

Zuerst einmal müssen Sie sich Gedanken machen, aus welchen Yagi-Antennen Sie Ihre Gruppenantenne aufbauen wollen. WiMo-Yagis nach DK7ZB basieren auf einer kompromisslosen elektrischen und mechanischen Technik und kommen aus eigener Fertigung „Made in Germany“. Die Designgrundlagen dieser Yagis sind ein höchstmöglicher Gewinn bei hoher Bandbreite und guter Nebenzipfel- und Rückdämpfung. Die Yagis sind auf ein optimales Stromprofil hin konstruiert. Daraus resultiert eine minimal erforderliche Elementanzahl, denn der Antennengewinn hängt zunächst von der Antennenlänge, nicht von der Elementzahl ab!

Um Skineffektverluste zu vermeiden, werden ausschließlich Elemente mit 8 mm Durchmesser aus einer hochleitfähigen Aluminium-Legierung verwendet. Das ist ein guter Kompromiss zwischen minimalen elektrischen Verlusten und der möglichen Windlast. Mit Elementen aus Stahl würde man mehr als 0,5 dB Gewinn durch schlechtere Leitfähigkeit verlieren. Die Elementbefestigung erfolgt langzeitstabil mit UV-festen Element-Halterungen aus Polyamid, die auch nach Jahren keine Veränderung der elektrischen Daten zeigen. Die direkte Montage auf dem Boomrohr mit metallischen Halteklammern geht mit einer Oxidation an den Kontaktstellen einher und führt zu einer schleichenden Veränderung der Antennendaten. Das strahlende Element einer solchen Yagi ist immer ein Faltdipol mit einem Teflon-Balun, in einem wetterfesten, kalt verschweißten, zusätzlich ausgeschäumten Dipolkasten. Der Anschluss erfolgt über N-Buchsen.

Leichtbau trifft High-Performance

Flexa-Yagis werden seit über 30 Jahren vom RS-Ingenieurbüro in Deutschland entwickelt und gefertigt. Beim Produktdesign dieser Yagi-Antennen geht man einen etwas anderen Weg. Das Optimierungsprinzip nach DL6WU erlaubt hervorragende Daten für Gewinn, Diagramm, Anpassung, Bandbreite und geringen Verlusten, indem es extrem hohe Elementströme vermeidet. Durch die Verwendung von dünnen Elementen aus Edelstahl zeichnen sich Flexa-Yagis durch ein besonders geringes Gewicht aus. Das wiederum würde für einen Einsatz in Gruppenantennen sprechen. Der Balun ist als Halbwellen-Umwegleitung aus einem Teflon-Koaxialkabel außenliegend montiert.

Natürlich ist die Produktvielfalt am Markt entsprechend groß und weitere Yagi-Antennen werden unter den Marken EAntenna, InnovAntennas, YU1CF Yagis und I0JXX Yagis angeboten.

Nahezu verlustfreie Impedanzanpassung

Mit einem sogenannten koaxialen Anpasstopf oder auch Power-Splitter (-3dB-Splitter) können zwei oder vier gleiche Antennen verbunden werden. Der Anpasstopf übernimmt die nahezu verlustfreie Transformation des Wellenwiderstandes von den 12,5 Ω oder 25 Ω der parallel geschalteten Antennen auf die erforderlichen 50 Ω. Oberhalb von 70 cm sollte man auf jeden Fall Anpasstöpfe für diese Aufgabe einsetzen. Im 2 m und 70 cm Band kann man auch mit Phasenleitungen arbeiten. Aus einem umfangreichen Sortiment an Anpasstöpfen und fertig konfektionierten Phasenleitungen können Sie für alle Amateurfunkbänder (VHF, UHF, SHF) und einer maximalen Sendeleistung von 2000 W, das passende Zubehör aussuchen.

Antennensteuerung für große Gruppenantennen

Für den herkömmlichen, terrestrischen Amateurfunk benötigen Sie einen Azimutal-Rotor, mit dem sich 360° in der Horizontalen abdecken lassen. Für besondere Betriebsarten wie EME, MS und Aurora wird ein zusätzlicher Elevationsrotor benötigt, um die Antenne auch in der Vertikalen bis zu 90° ausrichten zu können. Insbesondere wenn man eine große Gruppenantenne bewegen möchte, sind Tragkraft, Dreh- und Biegemoment eines Antennenrotors wichtige Kriterien. Nicht nur, dass der Rotor selbst ein „größeres Kaliber“ sein muss, auch ohne ein Oberlager wir es kaum gehen. Nur mit einem zusätzlichen Oberlager lassen sich die seitlichen Kräfte auffangen. Damit steigt der mechanische Aufwand und zum Oberlager werden zusätzliche Bauteile erforderlich: ein Standrohr oder bereits ein kleinerer Gittermast, sowie eine Plattform für das Oberlager. Zu diesen Aspekten finden Sie weitere Informationen in unserem „Antennenrotoren-Guide“.

Essentielle Montagematerialien für Gruppenantennen

Die Aufzählung aus dem Sortiment Montagematerial erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Hier das wichtigste „Kleinmaterial“, welches wohl bei jeder Konstruktion einer Gruppenantenne gebraucht wird:

Kreuzschellen und Kreuzplatten, Halteböcke, U-Bügel, Doppelschellen, Rohrschellen, Riegel (Gegenschellen), Standrohrschellen, Abspannschellen, Alurohre, Stahlrohre, GFK-Rohre, Mastkappen, Masthalter, Mastfüße und Mastfußschellen, Halbschalen und Einspannhülsen für GFK-Rohre, sowie Elementhalter aus Kunststoff für runde Boomrohre oder rechteckige Profile. Von den Metallwaren ist vieles davon in den Ausführungen „Verzinkt“ oder „Edelstahl“ erhältlich.

Jetzt planen und umsetzen

Wenn Ihre Planungen zum Aufbau einer Gruppenantenne ausgereift und der Entschluss zur Umsetzung dieses umfangreichen Antennenbau-Projektes gefallen ist – dann lassen Sie sich beraten! Das WiMo-Team hat für Ihre Wünsche und Vorstellungen ein offenes Ohr. Wir wünschen Ihnen viel Erfolg beim Antennenbau!

Juli 2024, Alfred Klüß, DF2BC