Homebrew, 1/4 verlängerte portabel Antenne, Uli-DL2LTO

Verlängerter λ/4 Strahler

Projekt:Verlängerter λ/4 Strahler

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Einleitende Worte

Nach dem Motto, man nehme eine Rolle Draht, zwei Abspannleinen, zwei Isolatoren und einen 500 pF Drekondensator und baue in fünf Minuten eine Portabelantenne. Alles sollte in der Bastelkiste zu finden sein, einfacher gehts wohl kaum.
Gesehen und ausprobiert wurde diese Antenne in Thalbürgel zum QRP-Treffen. Helmut, DL2AVH demonstrierte ein QSO mit seinem 3 Volt Transceiver und dieser verlängerten λ/4 Antenne.
Für portabel Betrieb ist es nicht nur eine Behelfsantenne. Mit QRP habe ich immer gute Rapporte erhalten.
Die Leistungsfähigkeit dieser Antenne hängt aber sehr stark von den lokalen Erdverhältnissen ab.

Anpassungsverhältnisse

Der niedrige Fußpunktwiderstand einer λ/4 Antenne wird durch eine Strahlerverlängerungd erhöht. Das Spannungsminimum am Einspeisepunkt wird verlassen und rückt in einen Bereich erhöhter Spannung. Da der Strom nun etwas zurückgeht und die Spannung ansteigt, erhöht sich der Eingangswiderstand, Mischform aus Strom und Spannungsspeisung.
Ist der Strahler zu kurz, hat er einen kapazitiven Blindanteil, ist er zu lang hat er einen induktiven Blinanteil. Eine Verlängerungsspule kompensiert die kapazitive und ein Kondensator die induktive Blindkomponente.
Diesen kann ich nun durch einen 'Trick' auf fast 50 Ω bringen, indem ich den Strahler erst mal etwas über λ/4 verlängere. So schön, so gut. Aber was ist jetzt mit der Resonanz des Strahlers? Durch Messen am Speisepunkt kann ich feststellen, dass sich ein induktivier Blindwiderstand eingestellt hat. Nun gut. Den muss ich kompensieren, in dem ein Kondensator in Reihe geschaltet wird. Diese Kompensation ist fast verlustfrei und nicht selektiv!.
Eine perfekte Kompensation dieses induktieven Blindanteils erreicht man durch einen im Speisepunkt zwischengeschalteten 500 pF Drehkondensator. Es genügt dabei schon ein herkömmlicher Rundfunk-Drehkondensator, der keine besondere Spannungsfestigkeit haben muss. Er sorgt dafür, dass die Antenne nun wieder elektrisch verkürzt und die Resonanz des Systems sogar exakt auf der gewünschten Frequenz hergestellt wird.
Ein Dreko gestattet somit großzügige Korrekturen.
Der Dreko braucht nur geringe Spannungsfestigkeit aufweisen. Aber Achtung, auf gute Kontaktgabe schauen, denn es fließen ja erhöhte Ströme! Aber bei QRP ist das ja nicht das Problem.

Muss eigentlich eine Antenne resonant sein?
Ein einfaches L-Glied bestehend aus C und L wird zur Anpassung genutzt und hat sehr geringe Verluste. Es kann so berechnen werden, dass eine beliebige komplexe Antennenimpedanz auf 50 Ω reell angepasst werden kann, man also ein SWR von 1 bekommt. Damit wird aber NICHT die Antenne in Resonanz gebracht sondern NUR die Impedanz auf reelle 50 Ω angepasst. Also Antenne auf Resonanz bringen und mit L-Tuner Impedanz auf 50 Ω abstimmen, [SWR 1:1]
DL4ZAO schrieb mal sinngemäß im Forum darüber:
Eine Antenne muss nicht resonant sein, damit sie 'maximal' strahlt und die gesamte von ihr aufgenommene Energie in den Raum abstrahlt. Ist die Antenne nicht resonant, ist ihr Fußpunktwiderstand nicht reell, sondern komplex. Besteht also aus einem realen ohmschen Anteil und einem imaginären induktiven oder kapazitiven Anteil.
Wenn die Eingangsimpedanz der Antenne nicht mit dem Wellenwiderstand der Speiseleitung übereinstimmt, dann transformiert die Leitung die komplexe Impedanz der Antenne in Abhängigkeit von der Länge der Leitung und ihrem Wellenwiderstand.
Die Transformation erfolgt nach den Regeln der Leitungsgleichung, und kann grafisch im Smith Diagramm anschaulich dargestellt werden. Am senderseitigen Ende der Leitung erscheint also der transformierte Wert der Fußpunktimpedanz der Antenne. Nur die 'sieht' der Sender. Damit der Sender seine gesamte Leistung an die transformierte Impedanz abgeben kann, stimmt man mit einem Antennen-Tuner den imaginären Anteil der Impedanz durch einen gleich großen aber mit entgegengesetztem Vorzeichen behafteten Blindwiderstand weg und transformiert den ohmschen Anteil auf die vom Hersteller des Senders spezifizierte Impedanz. In der Regel sind das heute 50 Ω. Man nennt das konjugiert komplexe Anpassung. Ein Antennentuner 'tunt' also mitnichten die Antenne, sondern sorgt lediglich für die Anpassung des Senderausgangs auf die transformierte Impedanz am Leitungseingang.

Skizzierter Aufbau in Form einer L-Antennenabspannung.

Skizzierter Aufbau in Form einer Antennenabspannung mit Hilfsmast.

Die Anordnung der ausliegenden Radials üben geringen Einfluß auf die Resonz und Anpassung aus. Der Erdeinfluss bei portable Betrieb ist daher sehr verschieden. Ein Minimum von drei oder vier Radials sollte jedoch nach Möglichkeit nicht unterschritten werden, da sonst die Erdverluste der Antenne zu hoch werden. Vier Radials reichen aus. Erdradials oder elevatet Radials in 1 bis 2m Höhe, möglichst gleich lang und entgegengerichtet. Radials werden meistens auf den Erdboden gelegt und sollten in Richtung der bevorzugten Abstrahlrichtung verlegt sein. Siehe auch

hier.
Diese Antenne in Form einer "verlängerte Groundplane" läßt sich recht gut abstimmen. Es sind keine weiteren Anpassmittel erforderlich.
Zur Groborientierung einige Angaben für den Strahlerabgleich. Die angegeben Längenangaben sind Richtwerte und beziehen sich auf den CW Teil des Bandes. Immer Reserve einplanen!

Band	Strahlerlänge [λ x 0,28]	Radiallänge	Drehkondensator

10m	2,95 m	2,6 m	100 pF

12m	3,35 m	2,9 m	110 pF

15m	3,96 m	3,5 m	130 pF

17m	4,62 m	4,0 m	140 pF

20m	5,93 m	5,2 m	150 pF

30m	8,26 m	7,2 m	200 pF

40m	11,86 m	10,4 m	250 pF

80m	23,55 m	20,7 m	500 pF

160m	45,90 m	40,3 m	700 pF

Misst du eine zu hohe Resonanzfrequenz, dann ist der Strahler zu kurz und muss verlängert werden. Andersherum ist der Strahler zu lang, wenn du eine zu tiefe Resonanzfrequenz misst, also verkürzen.
Aber ACHTUNG beim Kürzen. Bitte nichts abschneiden. Wenn zu lang dann erst mal nur umlegen. Denn "WiederRanschneiden" geht nicht.
Merke, immer ca. 5% Reserve der Strahlerlänge einplanen.

Band		Strahlerlänge, für 100 kHz Frequenzänderung

10m		10 mm

12m		15 mm

15m		20 mm

17m		30 mm

20m		40 mm

30m		80 mm

40m		150 mm

80m		500 mm

160m		2000 mm

Die Abspannhöhe sollte zwischen 8 und 10m liegen, höher ist natürlich besser, aber nicht immer zu realisieren. Das Gelände sollte möglichst frei sein, wenn möglich nicht im Walddickicht aufbauen. Den Einspeisepunkt nicht auf den Erdboden legen, sondern etwas erhöht, Antenne strahlt im Strombauch. Das Koaxkabel kann beliebig lang sein.
Durch Variieren mit den Zusatzkapazitäten und Dreko auf minimales SWR bzw. Resonanz abstimmen. Es gibt ein deutliches SWR Minimum. Eleganter geht das mit einem Antennenanalysator. Letzteren hat man natürlich nicht im Rucksack.
Ich benutze diese Antenne als Einbandantenne.
Auf Flohmärkten kann man fast immer größerer Längen billige Schaltlitze oder LFK ergattern. Daraus können einfach für die benutzten Bänder Strahlerlängen konfektioniert werden. Durch schnelles wechseln des Strahlers ist man dann auf verschiedenen Bändern qrv.

Messaufbau

Der verlängerte λ/4 Strahler mit dem Radialsystem wurde ohne Anpassglied gemessen. Die Werte sind akzeptabel, gar nicht so schlecht. Jetzt muss nur noch die Resonaz auf 7 MHz gezogen und der Blindwiderstand kompensiert werden. Der Strahler ist hier bei 6,35 MHz resonant. Das sind ca. 700 KHz zu tief. Diese Differenz muss mein Kondensator wegstimmen.
Die folgenden Diagramme zeigen den Verlauf meiner Optimierungen auf.
Auf Diagramm klicken, dann wird im separaten Fenster das Diagramm gross angezeigt.

Stehwellenverhältnis, Wirkwiderstand/Blindwiderstand, Scheinwiderstand/Phasenwinkel und Smith-Diagramm.
Dargestellt werden die Messwerte, ohne Anpassglied auf der Frequenz 7,034 MHz. Der 'nackte' Strahler hat eine Resonanz, die ca. 700 KHz zu tief liegt. Im folgenden wurde auf diese Resonanzfrequenz getriggert.

Stehwellenverhältnis, Wirkwiderstand/Blindwiderstand, Scheinwiderstand/Phasenwinkel und Smith-Diagramm.
Dargestellt werden die Messwerte, ohne Anpassglied auf der resonanten Frequenz, die unter 7 MHz, bei ca 6,3 MHz liegt.

Der verlängerte λ/4 Strahler mit dem Radialsystem und Anpassglied gemessen. Die Werte sehen sehr gut aus. Die Antenne ist abgstimmt und für Portabelbetrieb optimal. Die folgen Diagramme zeigen das auch recht anschaulich.
Das Stehwellenverhältnis wurde auf fast 1,0 optimiert. Ich konnte es für 7,036 MHz auf 1,07 einstellen. Der Einfluß der Bodenverhältnisse mit den Radials ist in den Messwerten zu spüren.
Auf Diagramm klicken, dann wird im separaten Fenster das Diagramm gross angezeigt.

Stehwellenverhältnis, Wirkwiderstand/Blindwiderstand, Scheinwiderstand/Phasenwinkel und Smith-Diagramm.
Dargestellt werden die Messwerte, mit Anpassglied auf der Frequenz 7,034 MHz.

Schaltung

Schaltungsskizze. Der 2,2 MΩ Widerstand soll lediglich vor möglichen statischen Aufladungen schützen.

Layout der Lochrasterplatine zur Orientierung.

Hinweise zum Bau

Matrixübersicht des Drehkodierschalters.
Mit dem Drehkodierschalter kann ich 10 Schalterstellungen belegen.
Es lassen sich mit diesen Werten Kapazitäten von ca. 15 pF bis 1040 pF einstellen. Diese Werte sind für die Praxis ausreichend, können natürlich individuell variiert werden.

Da der Dreko einen Variationsbreich von ca. 15 pF bis 220 pF ausweist lassen sich mit den zusätzlichen parallelschalten von Kondensatoren folgende Kapazitätsbereiche einstellen:

Position		Wertebereich

0		15 pF bis 220 pF

1		115 pF bis 335 pF

2		215 pF bis 435 pF

3		315 pF bis 535 pF

4		455 pF bis 675 pF

5		555 pF bis 775 pF

6		655 pF bis 875 pF

7		755 pF bis 975 pF

8		815 pF bis 1035 pF

9		915 pF bis 1135 pF

Blindwiderstand Xc = 1 / [6,28 * Frequenz * Kapazität]
Woher bekomme ich nun aber den Blindwiderstand?
Es gibt Erfahrungswerte über idealer Erde. Mit den ausgelegten Radials können diese Angaben als Anhaltswerte genutzt werden. Hier mal einige unverbindliche Richtwerte:

λ	Realteil	Imaginärteil

0,10	5	-560	kapazitiver Blindanteil

0,20	22	-125	kapazitiver Blindanteil

0,28	51	+083	induktiver Blindanteil

0,30	75	+180	induktiver Blindanteil

0,40	330	+660	induktiver Blindanteil

0,50	2200	-775	kapazitiver Blindanteil

0,60	150	-580	kapazitiver Blindanteil

0,70	48	-130	kapazitiver Blindanteil

0,80	90	+184	induktiver Blindanteil

0,90	318	+595	induktiver Blindanteil

1,00	2000	+200	induktiver Blindanteil

Die Strahlerlänge von 0,27 bzw. 0,28 λ bedarf der Aufmerksamkeit. Der Realteil des Strahlungswiderstands bewegt sich um die 50 Ω. Der Imaginärteil von +80 bis +85 als induktiver Blindanteil, kann durch einen entsprechenden Kondesator kompensiert werden. Und genau das mache ich hier.

Details zur Konstruktion

Der fertiger Tuner mit variabler Zuschaltung der SMD Kondensatoren und des variablen Drekondensators. Links die BNC Buchse zum TRX und rechts die beiden Steckerbuchsen. Schwarz für Masse bzw. Radials und rot für den Strahler.
Die Bauteilebemessung ist auf QRP Betrieb ausgerichtet!

Lötseite, Anpassglied fertig aufgebaut ...

Lochrasterplatine von der Lötseite. Gut zu erkennen die SMD Kondensatoren, die direkt unter dem Drehkodierschalter gelötet wurden.

Oben die Strahlerlitze mit Verbindungsstift zum Tuner. Darunter die gebündelten Radialdrähte, ebenfalls mit Verbindungsstift zum Tuner.

Einfachere Form des Isolator, der zwischen Strahler und Abspannung gebracht wird.

Bewährte "K" Form des Isolator, der zwischen Strahler und Abspannung gebracht wird.

Antenne aufgewickelt auf 'K' Isolator ...

Gesamter Strahler, aufgewickelt auf den "K" Isolator.

"K" Spreizer und Isolierspanner für den Strahler. Die Abspannung links wird an einem Hering befestigt. Der Strahleranschluss zum TRX wird in dem "K" Schenkel zugspannungsfrei abgeleitet.

QRP TRX "HEGAU" mit dem Tuner im Outdooreinsatz.