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C-Pole Antenne return
C-Pole Antenne ...
Projekt:  C-Pole Antenne
Kontakt: DL2LTO
 
Einleitende Worte:
Viele Funkamateure, die Spaß am portablen Funkbetrieb haben, suchen immer nach neuen Antennen Systemen, die leicht, gut zu transportieren, einfach aufzubauen und nicht zu vergessen besonders leistungsfähig sind.
Fast alle Vertikalantennen werden durch die Leitfähigkeit des Untergrunds und die Verlegung von Radials in ihrer Funktionalität beeinflußt. Die hier vorgestellte Antenne ist ein Halbwellen Vertikaldipol reduzierter Größe, braucht keine Radials, funktioniert an jedem QTH und ist besonders DX tauglich. Es ist nur eine Monobandantenne!
Brain, KF2YN veröffentlichte imQST Magazine 2004 eine solche Antenne. Sie ist vertikal, klein, leicht, tragbar, effektiv, einfach zu speisen und benötigt kein Gegengewicht!
 
Kurzbeschreibung:
Die Verkürzung einer Antenne mittels kapazitiver Belastung ist eine beliebte Art bei einem Vertikalstrahler. Die mechanische Länge eines Strahlers verringert sich gegenüber der elektrisch wirksamen Länge, wenn das Ende des Strahlers kapazitiv belastet wird. Handelt es sich um einen Dipol, dessen ein Ende stärker kapazitiv belastet wird als das andere wird die Gesamtlänge kürzer und der elektrische Mittelpunkt verschiebt sich gegenüber dem geometrischen Mittelpunkt.
Die Verkürzung mittels kapazitiver Belastung bringt bedeutend weniger Verluste als das Einfügen von Verlängerungsspulen.
Rothammel schreibt dazu sinngemäß:
Solange die Grösse der Endkapazität in bestimmten Grenzen bleibt, kann eine kapazitiv belastete Antenne keineswegs als Kompromisslösung betrachtet werden. Solche Antennen haben durch die konstante Stromverteilung sogar einen grösseren Strahlungswiderstand als unbelastete Vertikalantennen gleicher Länge und damit auch einen besseren Wirkungsgrad.
C-Pole in seiner elektrischen Entstehung
Ein Dipol, den man senkrecht aufbaut, wird immer am erdnahen Ende stärker kapazitiv belastet sein als am erdfernen Ende. Daraus resultiert, dass die gesamte Länge eines Vertikaldipols geringer ist und das der Einspeisepunkt nicht in der geometrischen Mitte, sondern tiefer anzuordnen ist.
Soweit also noch nichts dramatisches. Vielleicht nur etwas, dessen uns nicht so ganz bewusst war. Das Problem bei solchen vertikalen Dipolen ist nun, dass es sehr schwierig ist die Speiseleitung so anzubringen, dass das ganze Gebilde nicht gestört wird. Optimal wäre es, wenn die Speiseleitung horizontal im 90° Winkel von der Antenne weg führen würde. Das ist aber mechanisch sehr schwierig zu realisieren.
Die besondere Idee von Brain, KF2YN war nun, diesen Dipol so zu falten, dass der Speisepunkt in einen gut erreichbaren bzw. gut zu speisenden Teil des Dipols gelangt. Man muss sich einen λ/2 Dipol vorstellen, der C förmig gefaltet und vertikal aufgehängt wird. Daher auch der Name C-Pole.
Im Ergebniss kann ich sagen, dass die C-Pole Antenne einfach aufzubauen und abzugleichen ist. In der Praxis verhält sich der C-Pole empfangsmäßig extrem gutmütig.
 
Entstehung der C-Pole Antenne:
Entstehung der C-Pole Antenne
A:   Ausgangspunkt ist ein vertikaler Dipol mit λ/2. Dieser hat aber einen sehr ungünstigen Einspeisepunkt
B:   Dieser vertikale Dipol wurde gefaltetet und hat eine Aufbaulänge von nur noch ungefähr λ/4. Durch das Falten verringert sich die Fußpunktimpedanz auf ca. 30 Ω. Der ungünstige Einspeisepunkt ist noch vorhanden.
C:   Der vertikale Dipol hat einen nicht mittigen Einspeisepunkt, der jetzt dicht über Grund angebracht ist. Dieser Einspeisepunkt ist viel günstiger als zuvor. Die dadurch entstandene Unsymmetrie erfordert eine Mantelwellensperre, wenn direkt mit Koaxkabel gespeist wird.
 
Einstellung der Resonazfrequenz und des Einspeisepunktes:
Beim Experimentieren ergaben sich zwei Probleme, die aber zu lösen sind. Zum einen ist der Widerstand am Einspeisepunkt zu gering und der Einspeisepunkt selbst liegt an einer sehr ungünstigen Stelle.
Der Resonanzabgleich einer solchen Antenne ist einfach. Den 50 Ω Abgreifpunkt für die Speiseleitung zu finden dagegen etwas schwieriger. Aber Peter DL2FI hat eine sehr einfach Methode beschrieben, diesen 50 Ω Abgreifpunkt zu finden.
Um die Resonanzfrequenz des Dipols ermittel zu können, muß erst mal ein Speisekabel angeschlossen werden. Peter koppelt induktiv im unteren waagerechten Antennenstrahler das Speisekabel ein.
Skizze der SpeiseleitungsankopplungNimm einen Ferritringkern, z.B. FT82-43, und fädele den Draht des Strahlers 4 mal oben durch diesen Ringkern. Durch den gleichen Ringkern wird ein Draht viermal gefädelt, der mit seinen Enden an die Seele und den Mantel des Koaxkabels gelötet wird. Damit schaffst du eine induktive Einkopplung zum Dipol. Allerdings hat der so zufällig fixierte Speisepunkt eine völlig unbekannte Impedanz. Das stört aber erst mal nicht und wird nach dem Ausmessen der Resonanzfrequenz korrigiert.
Mit einem Antennenanalyzer oder einer Antennenrauschbrücke ermittelst du erst mal die Resonanzfrequenz, die sich mit der aufgebauten Antennenlänge ergibt. Dabei wirst du feststellen, dass der Strahler auf einer zu tiefen Frequenz resonant ist. Auch das SWR wird hoch sein. Das hat aber einen simplen Grund, denn die Antenne ist jetzt viel zu lang, da wir sie mit dem Abmaßen eines unbelasteten Dipols zugeschnitten haben. Die kapazitive Belastung durch den nahen Bodenbereich blieb in der Rechnung fast unberücksichtigt.
Das muss jetzt korrigiert werden. Um auf die gewünschte Resonanzfrequenz zu kommen, werden die beiden Enden des Dipols so lange nach hinten weg gefaltet, bis sich die gewünsche Resonanzfrequenz einstellt. Man kann später auch abschnippeln. Aber Achtung, anschnippeln geht sehr schlecht, Hi.
induktive Ankopplung von Koaxkabel an den Strahler
Hast du die Resonanzfrequenz, so muss nur noch der richtige Speisepunkt gefunden werden. Das geschieht einfach, in dem unter wiederholter Messung des Fußpunktwiderstandes der Ferritringkern auf dem Antennendraht verschoben wird. Dazu die Windungen etwas lockern. An irgendeiner Stelle auf dem waagerechten Teil findest du den idealen Speisepunkt, der genau dem Wellenwiderstand des Kabels entspricht. Diese Einspeisungsvariante mit dem verschiebbaren Ringkern zur Anpassung an die Kabelimpedanz ist genial.
Klappt es im ersten Durchgang nicht sofort, so muss die Antenne insgesamt in ihrer Geometrie etwas geändert werden. Aber nicht die Drahtlänge!
Man holt entweder das untere Ende der Antenne noch weiter runter, kann dadurch also mit dem Ferritring weiter an das Dipolende, wird also hochohmiger. Oder man schiebt das untere Ende weiter nach oben, kommt mit der Koppelwindung weiter zur Dipolmitte und wird somit niederohmiger.
Wie man die Strahlerwicklungen durch den Ringkern ankoppelt, lose oder fester, wirkt sich geringfügig auf die Anpassung aus und ist zu vernachlässigen.
Ringkern mit Koaxankoppelwicklungen
Die vier [oder auch 3] Windungen der Koaxankopplung werden eng und straff durch den Ringkern gewickelt. Dann die beiden Enden mit dem Koaxkabel verlöten. Ein Ende an die Seele, das andere an die Schirmumg.
Die beiden Lötstellen dürfen sich nicht berühren!! Desshalb isolieren und anschließend einschrumpfen. Damit wird auch die Festigkeit der Verbindung erhöht.
 
Einfacher Kalkulator für eine C-Pole Antenne:
C-Pol Antenne, Berechnungsmatrix
DerOnline C-Pole Calkulator, bereitgestellt vom 'Sangamon Valley Radio Club' ist eine große Hilfe für die Festlegung der mechanischen Abmessungen der Antenne.
Trage deine gewünschte Betriebsfrequenz in die Frequenzbox ein, wähle die Maßeinheit und klicke auf den Button ‚Calculate Lengths‘. Im Ergebnis bekommst du die daraus resultierenden berechneten Längen mit dem entsprechenden Buchstabensegment angezeigt. Mit diesen Maßen schneidest du den Antennendraht zu.
Bei induktiver Ankopplung wird die Länge F und G mit in der Gesamtlänge berücksichtigt und bei der Resonzbestimmung entsprechend korrigiert.
Wer sich mal einen schnellen Überblick von der Größe der C-Pol Antenne auf den verschiedenen Bändern machen möchte, bekommt hier ein Kurzübersicht.
C-Pole berechnete Antennengrößen für 80m Abmaße für C-Pole Antenne 80m C-Pole berechnete Antennengrößen für 40m Abmaße für C-Pole Antenne 40m
C-Pole berechnete Antennengrößen für 30m Abmaße für C-Pole Antenne 30m C-Pole berechnete Antennengrößen für 20m Abmaße für C-Pole Antenne 20m
C-Pole berechnete Antennengrößen für 17m Abmaße für C-Pole Antenne 17m C-Pole berechnete Antennengrößen für 15m Abmaße für C-Pole Antenne 15m
C-Pole berechnete Antennengrößen für 12m Abmaße für C-Pole Antenne 12m C-Pole berechnete Antennengrößen für 10m Abmaße für C-Pole Antenne 10m
 
Details meiner Konstruktion:
Endkappenbefestigung
Die beiden Querverstrebungen der C-Pole Antenne werden aus einem nicht leitenden GFK Rohr mit 8 mm Durchmesser realisiert.
Das Antennenelement wird aus dünnem PVC ummantelten Draht hergestellt. Die Drahtstärke und die Isolierung haben nur einen geringen Einfluß auf die Elementlängen. Dünner Draht hat etwas höhere Verluste als dicker Draht und kann sich auf die Gleichtaktunterdrückung am Einspeisepunkt auswirken. Verwendest du einen unisolierten Draht so ergibt sich ein anderer Verkürzungsfaktor und die Maße müssen etwas verlängert werden. Ich verwendete 1 bis 1,5 mm Litzendraht.
Insgesamt beträgt die Drahtlänge ca. 1/2 der Wellenlänge. Der Speisepunkt befindet sich ca. 25% von einem Ende eines elektrisch aus der Mitte gespeisten Dipols und ist experimentell zu ermitteln.
Die beiden Abgleichdrahtenden am Isolator von 10 bis 5 cm werden für die Feinabstimmung benötigt.
Das eine Drahtende zum Feintunig auf bestes SWR, das andere Ende zum Feintunig der Resonanz.
Die rote Markierung links ist nur dazu da, das 'C' in seiner praxistauglichen Variante schnell wieder aufspannen zu können. Eine reine Orientierungshilfe.
Befestigung der Spreizerstäbe auf einer Acrylplatte
Befestigung der Spreizerstäbe mit Kabelbinder auf dem Acrylstreifen. Zur besseren Haftung wurde an den Stellen, wo die Kabelbinder greifen ein Schrupfschlauch gelegt.
Abstandhalter der beiden Dipolenden
Der Abstandshalter beider Dipolenden wurde aus einem Stück Plaste gefertigt. Entweder schaut man mal im Baumarkt oder im Haushalt nach so einem 'Abfallstück'. Es muss gut isolieren! Wie die Drahtenden gefädelt wurden ist gut zu erkennen. Somit ist eine leichte Verschiebung der Enden jederzeit möglich.
Acrylplattenbefestigung am GFK Mast
Der Acrylstreifen mit montiertem Spreizerstab wird dann am GFK Mast mit zwei kräftigeren Kabelbindern montiert. Für den normalen Portabelbetrieb ist das ausreichend. Bei Festinstallation sollte man auf mehr Stabilität achten und den wechselnden Witterungseinfluss berücksichtigen.
 
Montagevorschlag:
Die Abmessungen der vorgestellten C-Pole Antenne ist für das 20m Band, 14,1 MHz bemessen. Die Montage wie ich sie hier benutze ist sehr einfach. Die Zubehörteile gibt es in einschlägigen Bastlerläden.
Der obere und untere Spreizer sind GFK-Rohre mit einem Durchmesser von 8 mm, die es zu Längen von 1m bis 2 m zu kaufen gibt. Verwende KEINE Kohlefasermaterialien, da diese leitend sind!
Der GFK Mast, der die Antennenkonstruktion trägt, ist ein Spieth Mast, bei dem die oberen 2 Elemente nicht genutzt werden. Die verbleibenden 8 m reichen für das 20m Band aus. Der Abstandhalter der beiden Dipolenden wurden aus einem Stück nicht leitendem Plastik gefertigt. Die Befestigung der beiden Spreizer am GFK-Mast sind aus Acryl. Das Material läßt sich leicht verarbeiten und ist sehr leicht. Mit Kabelbindern, 2,5 x 100 oder 120 wurden die Teile fixiert. Der Draht des Strahlers wird entsprechend der Maßvorgaben zugeschnitten. Bitte ca. einen Meter länger belassen, also reichlich zuschneiden. Diese zusätzliche Länge sorgt für eine sichere Einstellung der Resonanzfrequenz und des SWR.
Über die beiden oberen und unteren Spreizer wird an den Enden eine sogenannte Splittkappe aus Gummi geschoben. Darüber wird später der Antennendraht gespannt. Die obere Drahtverspannung kann auch durch den oberen Spreizer geführt werden. Das fand ich aber nicht so gut.
Der untere Spreizer befindet sich ca. 1 bis 1,5 m über den Erdboden.
Nun kann die Resonanzfrequenz und das SWR getestet werden.
Mit einer Stehleiter ist der Abstandshalter mit den herunterhängenden Strahlerenden vom Boden gut zu erreichen. Mit dem vektoriellen Analysator von Norbert, DL1SNG gestaltet sich der Abgleich sehr einfach. Man ist immer über das aktuelle Geschehen auf dem Strahler informiert. Auch das Finden des optimalen Einspeisepunktes wird zum Vergnügen.
Es ist unwahrscheinlich, dass du es genau gleich beim ersten Mal hinbekommst. Mit den angegebenen Maßen solltest du aber dem prakischen Erfolgserlebnis sehr nahe sein.
Wenn die Resonanzfrequenz Frequenz unterhalb ist, die Antenne senken, den Draht oberhalb vom Abstandhalter aufdrehen und etwas kürzen. Ist die Frequenz oberhalb, ist der selbe Draht etwas zu verlängern. Dann erneut messen.
Rinkern Mantelwellensperre von HB9MTN Wenn man nicht die induktive Anpassung wählt, ist das Koaxkabel über eine Mantelwellensperre zu leiten.
Beachte aber auch, dass die Mantelwellensperre geringen Einfluß auf Resonanzfrequenz haben könnte. Eine Induktivität von ca. 25 mH verschiebt die Resonanzfrequenz auf 14 MHz um ca. 200 kHz nach oben. Man sollte es erst mal ausprobieren und wenn notwendig, die Drahtlägen nachjustieren.
Bewährt hat sich eine 1:1 Strom-Balun mit 2 x 7 Windungen RG-178 Teflon auf Amidon FT-240/61. Das bringt einen zusätzlichen Verlust von etwa 0,5 dB auf allen Bändern in den Kabelweg ein.
Alternativ kann auch ein Koax-Balun mit ca. 60 Windungen RG-58 auf ein 48 mm Plasterohr gewickelt werden.
Der Verlust ist etwas größer, so um die 0,7 bis 0,9 dB, je nach Band.
Koax Mantelwellensperre von HB9MTN
C-Pole, obere  Ansicht
Der obere Spreizer hängt in ca. 6,1 m über dem Erdboden. Links ist der isolierte Abstandshalter der beiden Dipolenden mit den beiden 'Trimmerkabelenden' gut zu erkennen.
C-Pole, untere  Ansicht
Der untere Spreizer befindet sich ca. 1,5m vom Erdboden. Hier erfolgt die induktive Ankopplung des Koaxkabels. Die Abspannung des 6,5m langen GFK Mastes erfolgt unterhalb von 2m.
GFK Mast Abspannung
Links der Abspannteller mit den 3 Abspannseilen. Die Seilspanner, rechts zu sehen, haben sich in dieser Form bestens bewährt.
Teile der C-Pole Antenne
Das sind alle Teile der C-Pole Antenne. Die Mastfußunterlage hat sich in der Outdoorpraxis bewährt, da der Mast eine bessere Standfestigkeit gegen seitliches verrutschen, besonders bei felsigem Untergrund, hat. Die gesamte Antenne passt nach meiner Erfahrung in jeden Rucksack und ist somit Portabeltauglich.
 
Abgleichdiagramme:
Abstimmung mit dem vektoriellen Netzwerktester
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 14,122 MHz.
Nachdem die Messungen abgeschlossen waren, habe ich die Drahtlängen der einzelnen "Segmente" mal gemessen. Die Längen sind:
A - 435 cm, B - 83 cm [obere Spreizerlänge], C - 170 cm, E - 243 cm, B' - 99 cm [unterer Spreizerlänge + Länge der Ringkernwindungen], ein "Abstimmstummel" 5 cm, der andere 8 cm. In der Summe also 1043 cm.
HB9MTN veröffentlichteweitere Infos zur C-Pole Antenne.