Die Antenne- Schnittstelle zur Ionosphäre

Ulrich Gerlach

Die Antenne: Schnittstelle zur Ionosph채re

Vortrag f체r M05 am 25. M채rz 2011

DF4EU

M05 1

Die Antenne: Schnittstelle zur Ionosphäre Inhaltsübersicht 1. Einführung 2. Übertragungssystem 3. Ionosphäre 4. Antenne 5. Fazit 6. Literaturverzeichnis Anhang

1. Zusammenfassung Dieser Vortrag soll dem besseren Verständnis des Zusammenspiels von Ionosphäre und Antenne dienen. Dabei wird auf die Übertragungswege in der Ionosphäre und auf die Anpassung der Antennen mit ihren hierfür wichtigen Parametern eingegangen. Es geht aber nicht um die Auswahl oder Berechnung einer Antenne. Die beste Antenne für alle Fälle gibt es sowieso nicht!

Prinzip muss immer sein, mit den gegebenen Möglichkeiten möglichst hohe Feldstärkewerte zu erzeugen.

Es ist wichtig, den Bereich der auf dem Übertragungsweg auftretenden Erhebungswinkel zu kennen. Die Antenne im System muss möglichst gleichmäßig die Signale innerhalb dieser Bereiche erfassen. Dabei sind maximaler Gewinn und Erhebungswinkel nicht entscheidend, vielmehr kommt es darauf an, dass das Richtdiagramm im gewünschten Erhebungswinkelbereich keine tiefen Nullstellen aufweist. Nur so lässt sich sicherstellen, dass DX- Kontakte stabil gearbeitet werden können.

Deshalb wird hier zum einen auf die Geometrie des Übertragungsweges eingegangen und zum anderen werden die relevanten Antennenparameter behandelt. Vorausgesetzt wird in jedem Falle, dass die Energiebilanz der Übertragung ausreichend ist und die richtigen Frequenzen unterhalb der MUF gewählt werden.

Hingewiesen wird auf das Literaturverzeichnis, insbesondere auf das Buch von Jürgen A. Weigl, [Lit. 3] , in dem alle angesprochenen Aspekte in größter Ausführlichkeit behandelt werden.

2. Übertragungssystem Definition:

Übertragungssysteme sind technische Systeme, die eine Übertragung, Verteilung und Vermittlung von Nachrichten oder Informationen ermöglichen.

Das allgemeine technische Ziel der Übertragungstechnik ist, eine möglichst große Informationsmenge über eine möglichst weite Strecke möglichst schnell und möglichst fehlerfrei zu übermitteln.

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Übertragungssysteme bestehen in der Regel aus Nachrichtenquelle, Nachrichtensenke und Übertragungsstrecke. Auf dem Übertragungswege können Störungen auftreten.

Bild 1: Punkt-zu-Punkt Übertragung als einfaches Beispiel eines Übertragungssystems Ausgehend von einer Nachrichtenquelle wird die zu übertragende Nachricht aufbereitet und an die Übertragungswege angepasst. Das Signal der Quelle muss dem Übertragungsmedium angepasst werden. Die Aufgabe der Antenne ist dabei die Umwandlung der leitungsgebundenen in eine Raumwelle und umgekehrt.

Nach Durchlaufen des Übertragungsweges muss die Nachricht empfangsseitig wieder aufbereitet und möglichst unverfälscht an die Nachrichtensenke übergeben werden.

Bild 2: Funktechnische Übertragungsstrecke Die Ionosphärenschichten sind durch die natürlichen Prozesse vorgegeben, die Antennen sind in ihren entsprechenden Parametern daran anzupassen. Zu bedenken ist, dass die Ionosphärenschichten ständigem Wechsel unterworfen sind. Es werden jedoch keine Hinweise für die konkrete Wahl der am besten geeigneten Antenne gegeben.

3

3. Ionosphäre Hier ist keine komplette Darstellung sämtlicher Eigenschaften der Ionosphäre vorgesehen, nur insoweit wie für das Verständnis des angesprochenen Themas erforderlich.

Bild 3: Ionosphärenschichten [Lit. 6]; (F2 bei Nacht entspricht F).

Bild 4: Ausbreitung Raumwelle Bodenwelle [Lit. 6] Die Reflektionen in der Ionosphäre treten normalerweise in Höhen von 100 km (E-Schicht) bis 400 km auf (F-Schicht). [Lit. 2] 4

Bild 5: Reflektion an der Ionosphärenschicht, Erhebungswinkel α, Einfallswinkel φ, [Lit. 6] Der einfallende Strahl wird nicht unabhängig von seinem Einfallswinkel φ reflektiert. Denn welche Frequenzen in der Ionosphäre reflektiert werden können, hängt ganz wesentlich vom Einfallswinkel auf die Reflexionsschicht ab.

Bild 6: Strahlengang in der Ionosphäre [Lit. 6] Ein senkrecht auf die Reflexionsschicht der Ionosphäre einfallender Strahl kann nur bis zu einer bestimmten oberen Frequenz, der sogenannten kritischen Frequenz, F crit reflektiert werden. Weist die senkrecht eintretende Welle ein höhere Frequenz auf, so wird diese nicht mehr reflektiert sondern durchdringt die Ionosphäre und geht damit ungenutzt in den freien Raum.

Für Strahlung, die nicht senkrecht sondern unter einem flacheren Winkel in die Ionosphäre eintritt, ist eine Reflexion auch oberhalb der Grenzfrequenz möglich. Die gerade noch 5

reflektierte Frequenz ist umso höher, je flacher das Signal auf die Ionosphäre trifft. Dieser Zusammenhang wird durch das so genannte Sekansgesetz für die MUF beschrieben.

Sekansgesetz MUF=Fcrit•sec φ, sec φ = 1/sin φ MUF= maximum usable frequency Die höchste MUF tritt bei niedrigen Erhebungswinkeln und größten Entfernungen auf.

Oberhalb der MUF vergrößert sich schnell die Übertragungsdämpfung.

Hinweis: Niedrige Erhebungswinkel sind günstig für DX. Bei Verringerung des Erhebungswinkels α verringert sich auch der Einfallswinkel φ .

Nach unten wird die Übertragungsfrequenz durch die D- Schicht begrenzt, die sich in einer Höhe von ca. 70 km tagsüber zwischen Boden und reflektierende E- oder F- Schicht befindet und von Frequenzen unterhalb 3-5 MHz nicht durchdrungen werden kann. Frequenzen oberhalb 5 MHz bleiben von der D-Schicht unbeeinflusst.

Mehrwegeausbreitung

Bild 7: Schema von Mehrfachreflektionen / Mehrwegeausbreitung [Lit. 6] Bezeichnung der Ausbreitungswege erfolgt nach der Schicht und der Anzahl der Sprünge an dieser Schicht. z.B. wird der Weg mit 1 Reflektion an der F-Schicht mit 1F-Mode bezeichnet, bei zwei Sprüngen mit 2F Mode usw.. Allg. gilt nF bzw. für Reflektionen an der E-Schicht nE. Es sind auch Ausbreitungswege über verschiedene Schichten möglich. Die Bezeichnung erfolgt entsprechend. Z.B. 2E+F (in der Mitte des Bildes) Es sieht so aus, als ob Wege mit 2 Sprüngen flachere Erhebungswinkel als Wege mit 3 Sprüngen aufweisen. Das muss nicht unbedingt so sein. Die Ausbreitungserscheinungen in der Ionosphäre sind sehr kompliziert.

Beispiele für Mehrwegeausbreitung Bild 7 unter Ausnützung von E- und F-Schicht. Manchmal nur an E, manchmal nur an F oder zwischen E und F. 6

Bild 8: Beispiel für Mehrwegeausbreitung [Lit. 4] Numerische Auswertung Es soll die mögliche Länge des Funkweges bestimmt werden. Die verwendeten Sendeund Empfangsantennen werden zunächst nicht berücksichtigt, allein die Geometrie entscheidet. (D.h., wir gehen davon aus, dass die Energiebilanz für die Übertragung grundsätzlich funktioniert).

Bei vorgegebener Höhe der Reflexionsschicht entscheidet der Erhebungswinkel, welche Entfernung überbrückt wird. Bild 6 zeigt dies schematisch. Ein steil nach oben gestrahltes Signal kommt reflektiert in relativ kurzer Entfernung vom Ausgangspunkt wieder zur Erde zurück. Wird hingegen das Signal flach abgestrahlt kann eine deutlich größere Entfernung überbrückt werden.

Bestimmung mit Diagramm

Bild 9: Bestimmung der Länge der Funkstrecke in Abhängigkeit von Erhebungswinkel und Höhe der Ionosphärenschicht. [Lit. 5] Z.B. bei gleichbleibender Entfernung von 2000 km kann man abhängig von der Schichthöhe unterschiedliche Erhebungswinkel ermitteln. (TOA= Take Off Angle = Erhebungswinkel).

Die Ionosphäre bestimmt den Erhebungswinkel und nicht die Sendeantenne!

Für geringere Entfernungen (=Europaverkehr auf den niedrigen Bändern) wird Steilstrah7

lung angestrebt. Für den DX- Verkehr wiederum wollen wir eine möglichst flache Abstrahlung, um mit wenigen Reflexionssprüngen (im Englischen „Hops") unser Zielgebiet zu erreichen. Denn jede Reflexion vermindert die Feldstärke. (Sie erzeugt Verluste durch längere Wege in den Schichten).

Werte aus dem Diagramm Bild 9 ablesen Schichthöhe (km)

600

500

400

300

200

Erhebungswinkel (°)

25

19

17

12

5

Bild 10: Tabelle Abhängigkeit Schichthöhe - Erhebungswinkel für 2000 km Programm skytrig von G4FGQ Dieses Programm stellt eine einfache Möglichkeit zur Bestimmung der überbrückbaren Entfernungen abhängig vom Erhebungswinkel dar.

Bei der Anwendung gelten folgende Annahmen: Für die Ionosphäre werden durchschnittliche Eigenschaften angesetzt.

Die Hauptverluste bei der Übertragung treten durch Streckendämpfung auf (=Abstandsgesetz, dieses beschreibt die Abnahme der Leistung in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger, gilt so auch im Freiraum).

Weitere Verluste entstehen durch Bodenabsorption und Reflektionsverluste bei kleinen Erhebungswinkeln anwachsen. In der Atmosphäre selbst sind unter normalen Umständen die Verluste nur gering.

Sende und Empfangsantennen sind Dipole,50 Ohm System.

Exakte Berechnung siehe auch [Lit. 2]

Bild 11: Programmoberfläche von Skytrig nach G4FGQ [Lit.1]

8

Winkel φ (°)

1

3

5

7

10

12

14

16

18

20

Schichthöhe(km)

131

173

217

261

329

377

425

475

527

581

Feldst. (µV/m)

2,69

7,25

11,69

16,06

22,01

21,67

21,36

21,01

20,62

20,21

Streckendfg.(dB)

122,9

122,9

123

123,1

123,3

123,4

123,5

123,7

123,8

124

Bild 12:Tabelle Berechnung von Streckendämpfung und Feldstärke mit Programm skytrig, Betriebsfrequenz: 14 MHz, Sendeleistung 100 W. Winkel > ca. 10 Grad erfordern zu große Schichthöhen, diese stellen nur Rechenwerte dar Mit zunehmendem Erhebungswinkel ist nur eine geringfügige Erhöhung der Verluste festzustellen. Auch die Empfangsfeldstärke schwankt trotzt starker Winkelvariation nur minimal.

Gute Übereinstimmung mit Diagramm festzustellen: z. B für 300 km Schichthöhe und Erhebungswinkel 12° ergeben sich 1981 km statt 2000 km, (bei 121,9 dB Verluste, Feldstärke von 25,94 μV/m).

Untersuchungen wurden durchgeführt, um zu bestimmen, welche Abstrahlwinkel in praktischen Betrieb tatsächlich auftreten. Eine genaue Vorhersage, dass an einem bestimmten Tag zu einer bestimmten Zeit ein bestimmter Abstrahlwinkel optimale Ergebnisse erzielt, ist aber leider nicht möglich. (einfach zu viele Parameter).

Das einzige was wir heute feststellen können ist, dass bestimmte Abstrahlwinkel mit einer bestimmten Häufigkeit (Wahrscheinlichkeit) bei der Kurzwellenausbreitung beteiligt sind.

Das Bild 12 zeigt solche Simulationsergebnisse für das offene 80 Meter Band. Dargestellt ist wie oft (Summenhäufigkeit) ein bestimmter Elevationswinkel bei vorgegebenen Funkwegen (von Deutschland nach Ozeanien, Südamerika und USA) auftritt.

Bild 12: Darstellung der Summenhäufigkeit des Erhebungswinkels für das offene 80mBand.USA unterste Kurve [Lit. 3] Für USA: Bei 24° wird die Summenhäufigkeit 100%, d.h. nur Winkel <24° tragen zur Ausbreitung bei, Winkel >24° bringen nichts mehr. Andererseits sind Elevationswinkel unterhalb 1° auch nicht mehr beteiligt. Winkel von ≤ 8° tragen zu 50 % zur Ausbreitung bei.

Solche Kurven kann man für jede Übertragungsstrecke und jedes Band erstellen und die entsprechenden Erhebungswinkel daraus entnehmen. Siehe Bild 13. Ausführlich in 9

Weigl,S.32 ff, [Lit. 3]. So erhält man eine Übersicht über die relevanten Erhebungswinkel, die überhaupt auf den Bändern auftreten können.

Für bestimmte Übertragungsstrecken sind also bestimmte Winkelbereiche einzuhalten, z.B. dargestellt für das 20m-Band in Tabelle Bild 13.

Funkstrecke

Winkelbereich (°)

Winkel (°) bei 50 %

DL - Südafrika

0 – 18

6

DL - Südasien

0 – 14

4

DL - Japan

0 – 13

5

DL - Ozeanien

0–9

2

DL - Südamerika

0 – 14

4

DL - USA

0 – 22

8

Bild 13: Tabelle Erhebungswinkelbereiche für bestimmte Funkstrecken im 20m-Band Will man allerdings alle Teile der Erde gut erreichen, so wird man immer Kompromisse eingehen müssen. Eine Möglichkeit hierzu ist, eine Gewichtung der Funkstrecken nach ihrer Häufigkeit im Kontest vorzunehmen. Nach dieser Methode ist die Tabelle für alle KWBänder von Weigl [Lit. 3], Bild 14 erstellt worden.

Band

Winkelbereich (°)

Winkel (°) bei 50 %

80

0 – 21

9

40

0 – 22

7

30

0 – 22

5

20

0 – 20

6

17

0 – 20

5

15

0 – 24

5

12

0 – 20

5

10

0 – 20

6

Bild 14: Tabelle Erhebungswinkel von Signalen für eine Gewichtung der Funkstrecken laut der Zahl der DX-Verbindungen in SSB- Contests. Vom minimalen Winkel, über welchem die Signale zu 99% der Zeit kommen bis zum maximalen Winkel, unter welchem die Signale 99% der Zeit ankommen. Winkel, über welchem die Signale zu mehr als 50% der Zeit ankommen.

Aus solchen statistischen Daten können wir Schlussfolgerungen für das vertikale Strahlungsdiagramm der Antenne ziehen. Wichtig ist, dass die eingesetzte Antennenanlage im jeweiligen Band den vollen Bereich der Elevationswinkel möglichst gleichmäßig abdecken kann.

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4. Antennen

Im vorangehenden Kapitel haben wir viel über die Funkwege in der Ionosphäre gelernt.

Jetzt geht es darum, für diese Gegebenheiten die passenden Antennenparameter zu diskutieren und Hinweise für die Wahl der geeigneten Antenne zu geben. Besonders geht es dabei um die Frage: Dipol (Yagi) oder Vertikalantenne?

Wir haben uns besonders mit dem Erhebungswinkel (TOA) beschäftigt. Ein kleiner Erhebungswinkel ist gut für DX, ein großer für den Nahbereich. Für sich genommen hat der Erhebungswinkel aber keine Bedeutung.

Gegenüberstellung Dipol -Vertikalantenne Bekannt ist, dass eine Vertikalantenne gut für DX wegen ihrer kleinen Erhebungswinkel ist und eine in geringer Höhe aufgehängter Dipol mit seinem größeren Erhebungswinkel besser für den Nahbereich.

Beispiel horizontaler Dipol

Bild 15: Dipol in Höhe von λ/3 [Lit. 7]

Dieser Dipol befindet sich in einer Höhe von λ/3. Das Gewinnmaximum von 6,66 dBi tritt beim Erhebungswinkel von 54° auf. Bei 15 Grad betragt der Gewinn nur noch -0,42 dBi. Unter alleiniger Berücksichtigung des Erhebungswinkel würde diese Antenne für DX ungeeignet erscheinen.

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Beispiel Vertikalantenne

Bild 16: Vertikalantenne mit 16 Radials [Lit. 7] Die Vertikalantenne mit 16 Radials hat ihr Gewinnmaximum von 2,21 dBi bei 19°, bei einem Erhebungswinkel von15°, der für DX gut geeignet ist, sind es immer noch 2,1 dBi. Vergleich dieser Werte mit dem Dipol von Bild 15: Die Vertikalantenne hat bei 15 Grad einen um 1,7dB höheren Gewinn als der Dipol. .

Beim Erhebungswinkel von 19° (=Gewinnmaximum der Vertikalantenne, 2,21 dBi) hat der Dipol mit ca. 1,7 dBi sogar weniger Gewinn als die Vertikalantenne. Das Gewinnmaximum des Dipols liegt bei für DX unnützen 54°.

Für Nahverbindungen ist deshalb die Vertikalantenne im Vergleich zum Dipol nicht so gut geeignet. Das Ergebnis bedeutet aber nicht, dass der Dipol ungeeignet für Fernverbindungen ist, oder vielleicht sogar manchmal besser als die Vertikalantenne. Schon kleine Veränderungen im Standort, der Ausbreitung oder des Aufbaus können große Auswirkungen zeigen. Sicher ist nur, dass die Vertikalantenne nicht so gut für Ausbreitung über große Erhebungswinkel geeignet ist.

Der Erhebungswinkel alleine sagt also nicht alles über die Eignung einer Antenne für DX aus.

Wichtig ist nur, dass die erzeugte Sende- oder Empfangsfeldstärke im gesamten in teressierenden horizontalen und vertikalen Winkelbereich maximale Werte erreicht.

Maxima und Nullstellen außerhalb der gewünschten Winkelbereiche sind vollkommen uninteressant. Es kommt nur auf maximale Feldstärke im Zielbereich an!

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Weiteres Beispiel zur Abstimmung der Funkstrecke an die Antenne

Bild 17: Prozentuale Häufigkeit des Erhebungswinkels in Abhängigkeit vom Erhebungswinkel, zusammen mit der vertikalen Richtcharakteristik typischer KW- Antennen. Graph gilt für 20 Meter. Anm.: Die prozentuale Häufigkeit des Erhebungswinkels ist nicht die Summenhäufigkeit! [Lit. 5] Je nach dem augenblicklichen Zustand der Ionosphäre werden unterschiedliche Winkel benötigt. Um all diese Fälle gut abzudecken, wünschen wir uns Antennen, deren vertikales Strahlungsdiagramm sich auf den notwendigen Winkelbereich konzentriert. Im Bild 17 wäre die gestockte Antenne am besten geeignet. Sie erfasst den Winkelbereich am besten.

Alle Antennen im Bild 17 weisen eine starke Winkelabhängigkeit auf. Sie zeigen Gewinnschwankungen von ca. 20 dB (und mehr). Die Signale werden bei bestimmten Erhebungswinkeln stark geschwächt, insbesondere in den Bereichen um Nullstellen. Bei zeitlichen Schwankungen des Erhebungswinkel (entsprechend Schwankungen der Schichthöhe) wird sich das als Schwund bemerkbar machen.

Innerhalb der brauchbaren Erhebungswinkelbereiche sollten sich keine Nullstellen oder tiefe Einbrüche der Strahlungscharakteristik befinden. Das gilt so natürlich auch für die horizontale Strahlungscharakteristik. Die Nullstellen verursachen die Probleme durch Signalverlust, nicht der Gewinn oder der Erhebungswinkel.

Beispiel einer gestockten 6m-Antennenanlage Die einzelnen Ebenen dieser gestockten Antennenanlage sind wie üblich gleichphasig erregt. Es kommt eine sehr aufgefächerte Charakteristik zustande. Eine Winkelvariation von nur 2 bis 4° kann das Signal um 20 dB abschwächen. Dies wird durch die schmalen Hauptkeulen und tiefen Einbrüche im Richtdiagramm hervorgerufen. Das ist kein durch den Erhebungswinkel verursachtes Problem! Wenn der Erhebungswinkel nur 1-2 ° variiert, kann das Signal von ausgezeichnet bis unlesbar schwanken!

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Bild 18: Gestockte 6m- Antenne von W8JI [Lit. 7] Abhilfe: Um die tiefen Nullstellen zu mindern, kann man zwischen den gestockten Antennen mit der Höhe zunehmend phasenverschoben speisen. Z.B. von Ebene zu Ebene jeweils 30° nacheilend mehr.

Bild 19: Gestockte 6m- Antenne von W8JI wie in Bild 18, in gleicher mittlerer Höhe, jedoch mit progressiver Phasenverschiebung [Lit. 7] Das Bild 19 zeigt, dass das Richtdiagramm nicht mehr so stark mit dem Erhebungswinkel variiert. Die Phasenverschiebung beträgt jeweils 30°. Mit diesem Richtdiagramm hätte man ein deutlich stabileres Signal. Die Signalschwankungen aufgrund der Erhebungswinkeländerungen sind viel geringer.

5. Fazit Die Ausführungen zeigen, dass es sinnvoll und nötig ist, die Antenne so auszuwählen, dass die Antenneneigenschaften an die Erfordernisse der Ionosphäre angepasst sind. Es 14

kommt nicht so sehr auf hohen Gewinn oder niedrige Erhebungswinkel an, sondern die Strahlungscharakteristik muss so ausgebildet sein, dass der interessierende Winkelbereich möglichst gleichmäßig erfasst wird. Nur so können antennenbedingte Signalschwankungen vermieden werden.

Mögliche Parameter bei der Auswahl der Antenne: Art: Dipol, Stabantenne Polarisation: horizontal - vertikal Wahl des Aufbauortes: Hanglage, Ufer, Küste, Vegetation (Topografie, Bodeneigenschaften) Höhenvariation Radials: Anzahl, im Boden oder erhöht (elevated) Stockung: progressiv gespeiste Ebenen

6. Literatur [1] Skywave Trigonometry R.J. Edwards G4FGQ www.smeter.net/Propagation/skytrig.php [2] Geometry and operative aspects of the simple modes of ionospheric propagation EA4FSI-28T1 - Technical Articles www.ipellejero.es/hf/propagacion/iono-geo/english.html [3] Umgebungseinflüsse auf Antennen Jürgen A. Weigl, OE5CWL Verlag für Technik und Handwerk [4] Ionosphere Properties and Behaviors – Part 3 Marcel H. De Canck ON5AU www.antennex.com/prop/prop0806/prop0806.pdf [5] The ARRL Antenna Book 20th Edition Chapter 23; Radio Wave Propagation p.23-28 bis p.23-33 [6] Wellenausbreitung Fred Tinner HB9AAQ USKA Rheintal www.hb9gr.ch/Vortrag/1108/Ausbreitungsbedingungen_B.pdf [7] The Myth of Takeoff Angle Tom Rauch W8JI www.w8ji.com, www.eham.net/articles/23758 [8] Üübertragungssysteme. Ergänzende Materialien zur Vorlesung und Übungsaufgaben Prof. Dr. Jürgen Franz http://et.fh-duesseldorf.de/c_personen/a_professoren/franz/a_lehr/uesysskriptneu.pdf 15

Anhang Beispiel zur Auffüllung der Nullstellen im Richtdiagramm Das Verfahren wird mittels Programms MMANA-GAL [Lit. 9, s.u.] demonstriert. Dieses arbeitet ähnlich wie EZNEC oder 4nec2, ist jedoch frei im Internet verfügbar.

Im Ordner „open antenna files“ ist unter „HF beams“ ein 3- Element-Beam für das 20mBand vorgegeben (3EL20.MAA). Diese Antenne hat in 25m Höhe über realem Boden aufgebaut unter einem Erhebungswinkel von 11,7º einen Gewinn von 13,24 dBi. Es gibt eine zweite Keule mit einem Maximum bei 38,0º mit 11,0 dBi, dazwischen liegt bei 24,0º ein ausgeprägtes Minimum mit -4.4 dBi. Es sollen nun 4 dieser Antennen vertikal gestockt werden, um den Gewinn noch zu steigern. Da das MMANA- Programm im Bereich Stocken nur gleichphasige Erregung vorsieht, werden die Koordinaten der Vierergruppe manuell eingegeben. Diese Viergruppe ist als Datei 4x3EL20.MMA im Ordner abgespeichert. Siehe Bild 20 und 21.

Bild 20: Eingabe der Geometrie für die Gruppe 4x3Elemente, gestockt in λ/2

Bild 21: Ansicht der Gruppe 4x3Elemente, gestockt in λ/2 16

Unter „Geometrie“ kann nun der Phasenwinkel für die 4 Ebenen getrennt eingestellt werden.

1) Für gleichphasige Speisung ist Phase 0 für alle 4 Ebenen einzugeben. (Siehe 4x3EL20_0.maa). Das Fernfelddiagramm (siehe 4x3EL20_0.mab) zeigt eine starke Auffächerung. Im wichtigen unteren Winkelbereich bis ca. 25º liegen Maxima bei 6,7º mit 18,26 dBi und 20º mit 8,9 dBi. Nullstellen finden sich bei 15º mit – 8,6 dBi und 29º mit -25,5 dBi. Im praktischen Betrieb wird diese starke Auffächerung bei Schwankungen der Schichthöhe und damit des Erhebungswinkels am Empfangsort wahrscheinlich häufig zu Signalverlust führen.

2) Für progressive Speisung ist z.B. die Phase in Schritten von 30º einzugeben. (Siehe 4x3EL20_30.maa). Die Auffächerung des Fernfelddiagrammes (siehe 4x3EL20_30.mab) ist deutlich ausgeglichener. Das unterste Maximum liegt bei 6,7º mit 16,7 dBi, ein weiteres Maximum findet sich bei 18º mit 10,5 dBi. Das Minimum dazwischen liegt bei 14º mit 9,6 dBi, also 18,4 dB über der entsprechenden Nullstelle bei gleichphasiger Speisung.

Voreilende oder nacheilende Phasenwinkel bringen nahezu identische Ergebnisse.

Ein direkter Vergleich der Diagramme ist im Menüpunkt „Vergleich“ möglich. Nach Laden einer ersten Dateien .maa können weitere .mab hinzugefügt werden. Ergebnisse sind in Bild 22 dargestellt.

Bild 22: Vergleich der Vierergruppe bei gleichphasiger (rot) und progressiver (blau) Speisung

Wie die Aufbauhöhe den untersten Erhebungswinkel beeinflusst, lässt sich bei sonst gleichen Daten durch die Variation der Höhe anschaulich machen. Wird z.B. für progressive Speisung lt. Punkt 2 die Höhe von 25 m auf 10 m reduziert, so vergrößert sich der Winkel von 6,7º auf 9,1º, d.h., mit zunehmender Höhe verringert sich der unterste Erhebungswinkel. Ergebnisse sind in Bild 23 dargestellt.

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Bild 23: Vergleich der Vierergruppe mit progressiver Speisung bei Variation der Höhe.

Höhe 25 m (blau), Höhe 10 m (rot) Das Richtdiagramm der niedrigeren Antenne ist wegen seiner geringeren Auffächerung sogar noch günstiger, allerdings bei höherem minimalen Erhebungswinkel. Dies kann für bestimmte Funkstrecken jedoch durchaus von Vorteil sein. (z.B. DL- USA im 20m- Band, siehe Tabelle Bild 13).

[Lit.] MMANA-GAL v.1.1.0.10 1999-2006, JE3HHT e.a.

Macoto Mori

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