Phased Array - Amateurfunk-Station DK1IO

Vor einiger Zeit habe ich mich mit diesem Antennentyp beschäftigt. Dabei handelt es sich um Antennen, bei denen zwei oder mehr Elemente gespeist werden.
Mein Ziel war eine horizontale Zweielementantenne, gedacht für die höheren Kurzwellenbänder.

Bidirektionale Antenne
Ich habe die Antenne zuerst mit EZNEC simuliert. Dabei habe ich aber gleich die später zur Realisierung geplanten Längen genommen.
Die Elemente sind 6,4m lang, der Elementabstand beträgt 3,0m, die Aufbauhöhe ist 10m. Als Ground Type wurde Free Space gewählt.
Weiter wurde von jedem Element eine Speiseleitung von 1,5m Länge zur Antennenmitte geführt und parallel geschaltet. Dort liegt der Speisepunkt.
Die Speiseleitung wude mit 50 Ohm und Verkürzungsfaktor 0,66 gewählt.
Hier die Ergebnisse:

Bild 1: Speisung beider Elemente mit gleicher Phase


Das ist nun kein umwerfendes Ergebnis, Gewinn kleiner als beim Dipol, allerdings sind die Elemente ja auch erheblich verkürzt.
Wenn die Elemente mit unterschiedlichen Phasen gespeist werden, sieht die Sache schon anders aus. Das einfachste ist die Speisung mit 180° Phasendifferenz.
Dazu brauchen nur die Anschlüsse der Speiseleitung bei einem Element vertauscht zu werden.
In EZNEC wird dazu bei einem der Speisekabel bei "Rev/Norm" die Option "R" gewählt.

Bild 2:


Das Ergebnis sieht dann so aus:

Bild 3: Speisung mit 180° Phasendifferenz


Wie wir sehen, ist der Gewinn um nahezu 3dB angestiegen, und das nur durch Vertauschen der Anschlüsse.
Um einen Eindruck vom Unterschied zwischen dem Freiraumdiagramm und der Charakteristik mit Bodenrelexionen zu vermitteln, habe ich auch mit Ground Type 'Real/High Accuracy' simuliert.
Das Ergebnis sieht so aus:

Bild 4:


Der Unterschied ist schon bemerkenswert. Inwieweit die Bodenrelexionen am eigenen QTH zum Tragen kommen, mag jeder selbst entscheiden.
Mich jedenfalls hat das überzeugt. Ich habe die bidirektionale Antenne mit den o. g. Abmessungen gebaut und lange damit gearbeitet.
Für den Mehrbandbetrieb ist ein Tuner unerlässlich. Ich habe die beiden Speisekabel bis zum Tuner heruntergeführt und mit einem T-Adapter an den Koaxausgang angeschlossen. Damit konnte auf allen Bändern Anpassung hergestellt werden
Unterhalb von 20m ist jedoch bei der gewählten Elementlänge nicht viel zu erwarten. Auf den höheren Bändern steigt der Gewinn aber noch an. Ein lohnenswertes Betätigungsfeld.

Unidirektionale Antenne
Nun aber weiter zur unidirektionalen Antenne. Ich habe damit keine praktischen Erfahrungen, was jetzt folgt, sind die Ergebnisse der Simulation und eigener Überlegungen.
Die Simulation ist einfach: die Elemente werden getrennt gespeist, eines  mit 0°, beim anderen Element wird der Phasenwinkel so lange verändert, bis maximaler Gewinn ODER maximale Richtwirkung erreicht sind. Beides fällt nämlich nicht zusammen.

Bild 5:

Bei 135° Phasendifferenz ist ein guter Kompromiss zwischen Gewinn und Vor/Rück-Verhältnis erreicht.

Bild 6:


Auch hier zur Vervollständigung das Diagramm mit Bodeneinflüssen:

Bild 7:


Das Ergebnis kann sich durchaus sehen lassen.

Wenn man sich weitergehende Gedanken macht, wie die erforderliche Phasendifferenz praktisch zu erreichen ist, stößt man selbst bei der Simulation auf Probleme.
Man stellt fest, dass das nur in der Nähe der Resonanz möglich ist. Und auf 20m liegt die Resonanz bei 6,4m Elementlänge weit entfernt.
Eine Möglichkeit ist. die beiden Speisekabel zu verlängern, bis Resonanz vorliegt. Das ist dann der Fall, wenn der Imaginärteil der Quellimpedanz nahe 0 Ohm liegt.
Das Problem dabei ist, dass die damit festgestellte Länge nicht unbedingt mit der von den örtlichen Gegebenheiten erforderlichen Länge übereinstimmt.
Hier bei mir sind ca. 6m Kabel zwischen Tuner und Antenne notwendig. Die mit der eben genannten Methode ermittelte Länge ist aber nur 3,36m.
Klar, man kann ein Lambda/2-Stück anfügen, hat dann aber überschüssiges Kabel unterzubringen.
Für die weitere Simulation habe ich einen anderen Weg gewählt. Ich habe mir die Impedanzen der beiden Quellen bei 6m Kabellänge angeschaut.
Im folgenden Bild ist das dargestellt:

Bild 8:


Der Blindanteil ist also in beiden Quellimpedanzen +117 Ohm. Um diesen Blindanteil zu kompensieren, wird den beiden Speisepunkten je eine 'Load' von -117 Ohm parallelgeschaltet. Und voila, wir haben Resonanz.
Um nun die Phasendifferenz einzustellen werden wechselseitig die Loads verändert, eine vergrößert, die andere verkleinert, und danach aufs Richtdiagramm geschaut.
Wenn das Optimum an Gewinn bzw. Vor/Rück-Verhältnis angezeigt wird, haben wir das Ziel erreicht. Die Werte der Loads sind dann -118,5 Ohm und -117,7 Ohm.
Hier noch das entsprechende Diagramm (mit Bodeneinflüssen).

Bild 9:


Wie wird die Antenne nun im praktischen Betrieb auf maximalen Gewinn abgestimmt? Mit zufälligen Signalen auf dem Band wird es schwierig.
Das beste dürft sein, einen befreundeten OM zu bitten, ein Signal in die Luft zu stellen, die Antenne mit der Rückseite in die Richtung zu stellen und das Signal mit den beiden Kondensatoren auf Minimum bzw. Null zu bringen.
Ich wünsche gutes Gelingen.