Dipol - Amateurfunk-Station DK1IO

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Dipol

Antennen

Wenn wir eine Funkstation auf das notwendigste reduzieren, bleiben Sender, Empfänger und Antenne.
Die Antenne ist dabei das mechanisch minimalistischste Element, einfach nur ein Stück Draht.
Für mich persönlich jedoch stellen die Antenne und die dahinter steckende Theorie das komplexeste Thema der Funktechnik dar.
Trotzdem kommen sowohl Praktiker als auch Theoretiker hier zu ihrem Erfolgserlebnis.

Der Dipol und wie er funktioniert

Das Diagramm der Spannungs- und Stromverteilung auf einem λ/2-Dipol ist hinlänglich bekannt.
An den Enden fließt kein Strom, dafür hat die Spannung dort ihre Maxima mit gegensätzlicher Polarität.
In der Mitte hat die Spannung ihren Nulldurchgang, der Strom hat dort sein Maximum.


           


Die Länge λ/2 entspricht einem Winkel von 180°, also ist die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom 90°.
Das bedeutet, dass keine Leistung aufgenommen wird. Diese Tatsache wird bestätigt durch das die Antenne umgebende Nahfeld.
Die Energie ist dort abwechselnd im elektrischen und im magnetischen Feld gespeichert.
Für eine Wirkleistung wäre jedoch das gleichzeitige Vorhandensein beider Komponenten erforderlich.
Wir können das Fehlen der Wirkleistung ganz einfach beweisen. Wenn wir das obige Diagramm benutzen, um nach der Formel P = U * I die Leistung qualitativ abzuschätzen, dann wird die Leistung links vom Nulldurchgang der Spannung positiv sein und rechts davon negativ.
Eine positive Leistung bedeutet Leistungsaufnahme bzw. Verbrauch, eine negative Leistung ist Leistungsabgabe. Über alles gesehen ist die Leistung also Null.
Aus der Praxis wissen wir aber, dass eine der Antenne zugeführte Leistung auch abgestrahlt wird.
Wie lässt sich dieser Gegensatz erklären?
Nun, des Rätsels Lösung liegt im Fernfeld. Hier haben die Feldlinien den Bezug zu ihrem Ursprung, der Antenne, verloren und breiten sich in den Raum aus.
Nach Maxwell umgeben sich nicht nur Leiter, sondern auch zeitlich sich ändernde elektrische Feldlinien mit einem magnetischen Feld.
Umgekehrt umgeben sich auch magnetische Wechselfeldlinien mit einem elektrischen Feld.
Im Fernfeld existieren also beide Felder immer gleichzeitig, es wird demzufolge eine Wirkleistung transportiert.
Für die Antenne als Schwingkreis ist die Strahlungsleistung eine Verlustleistung, für die Antenne als Strahler stellt sie die Nutzleistung dar.
Aber unabhängig davon, ob Verlust oder Nutzen, diese Leistung ist die vom Sender zugeführte Leistung.
Und da jede elektrische Leistung auch mit einem Widerstand in Zusammnehang steht ( P = U² / R bzw.
P = I² * R), herrscht am Speisepunkt der Antenne ein Widerstand, der bei Resonanz ein reiner Wirkwiderstand ist.
Dieser Widerstand lässt sich über Spannungs- bzw. Strommessungen ermitteln.
Die Grundlagenforscher haben sich aber schon vor langer Zeit dieses Themas angenommen und berechnet, dass der Strahlungswiderstand eines Dipols im freien Raum 73,2
Ω beträgt.
Praktisch realisierbare Antennen liegen, bedingt durch die Erdbodennähe, bei 50
Ω bis 60 Ω Speisepunktwiderstand.
Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich auf einen in der Mitte gespeisten Dipol. Doch wie verhält er sich bei Speisung außerhalb der Mitte?

Der außermittig gespeiste Dipol
Diese Antenne wird im Englischen als OCF bezeichnet ( OCF = off center fed). Die einzige Änderung gegenüber dem mittengespeisten Dipol ist der größere Speisepunkwiderstand.
Bedingt durch eine höhere Spannung und einen geringeren Strom muss nach dem Ohmschen Gesetz R = U / I der Widerstand ansteigen. Auch hier handelt es sich um einen reinen Wirkwiderstand, denn die Frage, ob Wirk- oder Scheinwiderstand hängt nicht vom Ort des Speisepunktes ab, sondern ob der Dipol auf Grund der Länge resonant ist. Und Resonanz heißt, dass die Summe der Blindwiderstände Null ist.
Unter den außermittig gespeisten Dipolen hat eine Antennenform eine besondere Bedeutung: die

Windom-Antenne

Während der mittengespeiste Dipol nur auf einem Band nutzbar ist, ist die Windom eine Multibandantenne. Wenn die Antenne für 80m bemessen wird, ist sie auch auf 40m, 20m und 10m nutzbar.
Warum das so ist, soll das folgende Bild verdeutlichen.



Hier sind die Stromkurven für 4 Bänder mit ihren Beträgen dargestellt. Wie man sieht, gibt es außer den Enden zwei Punkte, an denen sich alle 4 Kurven schneiden. Das bedeutet, dass in diesen Punkten für alle Bänder gleiche Widerstandsverhältnisse herrschen.
Wie oben bereits erwähnt ist der Widerstand hier eheblich größer als in der Mitte.
Die urpsrüngliche Windom hatte eine Eindraht-Speiseleitung, diese Speisung ist heute unüblich.
Große Bedeutung hat sie mit den Bezeichnungen FD3 (3 Bänder) und FD4 (4Bänder) erlangt.
In diesen Bauformen wird die Speisung über einen Balun (BalUn = Balanced to Unbalanced = Symmetrisch zu Unsymmetrisch) vorgenommen.
Dieser Balun übernimmt neben der Symmetrierung auch die Widerstandstransformation. Das Speisekabel ist ein beliebig langes Koaxkabel.
Wenn ein Sender eine ungenügende Oberwellenunterdrückung besitzt, werden diese Oberwellen natürlich mit abgestrahlt, denn die Antenne ist ja auch dafür angepasst. Das hat der FD4 die Bezeichnung "Oberwellenschleuder" eingebracht. Aber wie gesagt, nicht die Antenne ist für Oberwellen verantwortlich, sondern der Sender. Mi
t den modernen Transceivern sollte das kein Thema mehr sein.
Wird der Speisepunkt immer weiter Richtung Antennenende verlagert, gelangen wir schließlich zum Ende selbst. Auch für diesen Fall gibt es Antennenformen, die es zu einiger Popularität gebracht haben.

Zeppelin-Antenne (Zepp)

Diese Antenne hat ihren Namen von den Luftschiffen, zu deren Ausrüstung sie gehörte. Das folgende Bild soll die Entstehung der Antenne aus einer Ganzwellenantenne verdeutlichen.




Da diese Antenne eine Schleppantenne war, war der Strahler nicht horizontal abgewinkelt, sondern eine geradlinige Fortsetzung des linken Leiters der Parallelldrahtleitung.
Aus praktischen Gründen wird im Amateurfunk auf Kurzwelle die horizontale Version verwendet.
Die vertikale Variante hat im VHF-Bereich als J-Antenne eine gewisse Bedeutung.
Die
λ/4-Speiseleitung endet im Strombauch, so dass dort ein niederohmiger Anschluss vorhanden ist.
Wird die Antenne in Oberwellen erregt, ist der Speisepunkt hochohmig.
Eine Matchbox muss diese Extreme beherrschen.
Wie Messungen ergeben haben, ist der Strom in den beiden Drähten der Parallelleitung nicht ganz symmetrisch. Das ist auch nicht verwunderlich, denn die Leistung für die Antenne muss ja irgend woher kommen.
Wenn der Strom im Speisepunkt Null wäre, dann wäre auch die Leistung Null.
Wenn wir für den Strahler einen Speisepunktwiderstand von 2500
Ω annehmen, dann ergibt sich nach der Formel P = I²*R bei 100 W Sendeleistung ein Strom von 0,2 A.

Eine Schwester des Zepp ist die

Fuchs-Antenne

Bei dieser Antenne wird die
λ/4-Leitung durch einen Parallelschwingkreis ersetzt. Elektrisch ändert sich dadurch nichts, die Kopplung ist auch hier hochohmig.
In der englischsprachigen Welt wird diese Antenne als End Fed Half Wave (EFHW) bezeichnet.




Soll die Antenne auf mehreren Bändern betrieben werden, muss der Schwingkreis (Fuchskreis) abstimmbar gemacht werden.
Die Trafokopplung kann durch eine Autotrafokopplung ersetzt werden.
Es hat endlose Diskussionen darüber gegeben, ob diese Antenne ein Gegengewicht braucht. Ja, braucht sie, aber nicht immer ist das Vorhandensein offensichtlich. Bei einer Autotrafokopplung wird das Gegengewicht in Form des Außenleiters des Koax-Speisekabels hausfrei mitgeliefert. Eine eingehende Untersuchung von AA5TB zeigt die Notwendigkeit eines Gegengewichts sehr einleuchtend. Kurz gesagt, der Strom, der in die Halbwellenantenne fließt, muss auch in das Gegengewicht fließen. Da esi sich nur um einen Bruchteil des Maximalstroms handelt, braucht es auch nicht
λ/4 lang zu sein, sondern 0,05 λ genügen.
Einer der Tests von Steve auf 20m ist besonders interessant. Er hat Antenne und Gegengewicht entfernt und statt dessen einen 4,7 K
Ω Widerstand parallel zum Schwingkreis geschaltet. Dann wurde der Kreis solange abgestimmt, bis der angeschlossene Antennenanalysator einen reinen Wirkwiderstand von 50 Ω anzeigte.
Dann wurde der Widerstand entfernt, Antenne und 1m Gegengewicht angeschlossen und durch Längenänderung an der Antenne die gleichen Verhältnisse hergestellt wie mit dem Widerstand, ohne den Schwingkreis zu verändern.
Nach Entfernen des Gegengewichts arbeitete das Gebilde nicht mehr, der Strahler wurde nicht mehr mit Energie gespeist; bei keiner Einstellung konnte Anpassung hergestellt werden. Ein eindrucksvoller Beweis für die Notwendigkeit eines, wenn auch kurzen, Gegengewichts.

Strahlungsdiagramm des λ/2-Dipols

Das folgende Bild zeigt die Abstrahlcharakteristik eines λ/2-Dipols für 6m in 10m Höhe, den ich mit EZNEC simuliert habe. Da meine Antennen nicht im freien Raum existieren, sondern in Erdbodennähe, habe ich als "Ground Type" die Option "Real - High Accuracy" gewählt.



Die Spannungs- und Stromverteilung auf dem Strahler ist unabhängig vom Speisepunkt immer gleich. Wie wir gleich sehen werden, ist das bei Antennen, die länger als
λ/2 sind, durchaus nicht so.

Spannungs- und Stromverteilung sowie Strahlungsdiagramm von Antennen > λ/2

Nehmen wir als Beispiel eine Antenne mit den Abmessungen einer Wellenlänge, also zwei Hälften mit jeweils
λ/2.
Wir speisen die Antenne im linken Strombauch.
Im folgenden Bild sieht man die Spannungs- und Stromverteilung auf dem Strahler.


Zuerst müssen wir uns an einige Konventionen halten:
         Spannungen oberhalb der Nulllinie sind positiv, unterhalb negativ
         der Strom fließt von Plus nach Minus
         Strom oberhalb der Nulllinie fließt von links nach rechts, unterhalb umgekehrt
         die Ströme in Zweidraht-Speiseleitungen fließen entgegengesetzt

In obigem Diagramm sehen wir, dass die Ströme in beiden Antennenhälften entgegengesetzt fließen. Das hat Auswirkungen auf die Abstrahlcharakteristik, wie wir in folgendem Bild sehen.



Die Leistung wird jetzt in vier Keulen abgestrahlt. Die leichte Unsymmetrie liegt an der nicht antennensymmetrischen Speisung links von der Mitte. Der Antennengewinn ist trotz der Aufspaltung angestiegen.
Als nächstes speisen wir die Antenne in der Mitte. Zum Anschluss der Speiseleitung muss der Antennenleiter aufgetrennt werden. Dadurch ändert sich die Spannungs- und Stromverteilung, wie das nächste Bild zeigt.



Die beiden Ströme fließen jetzt in gleiche Richtung mit gravierender Auswirkung auf das Strahlungsdiagramm im nächsten Bild.



Die beiden Strahlungskeulen haben sich verschlankt, der Antennengewinn ist weiter angestiegen.
Das Fazit: mit der Variation des Speisepunktes auf dem Antennenleiter kann das Strahlungdiagramm erheblich beeinflusst werden.
Wer Wert auf Rundumstrahlung legt, wird sich für die Speisung im Strombauch mit der resultierenden Aufspaltung entscheiden. Die Endspeisung führt übrigens zum selben Ergebnis.
Wer Wert auf höchsten Antennengewinn legt, wird die Mittenspeisung wählen.

 
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