Groundplane

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Inhaltsverzeichnis

Vertikalstrahler

Ein Vertikalstrahler ist zunächst nichts anderes, als ein vertikal aufgestellter Dipol, der rundum HF abstrahlt. Hier gibt es nun zwei zu unterscheidende Varianten:

- Gegen Erde erregte Antennen

- Groundplane

Gegen Erde (Masse) erregte Antennen

Man nehme einen 1/2-Lambda-Dipol und stelle ihn senkrecht und denke sich den unteren Teil im Erdboden. Es bleibt die obere Hälfte übrig. Die Erde würde den zweiten Teil des Dipols gespiegelt wiedergeben.

Bild:Antenne_1_4_Lambda_gegenErde_StromSpannungsVerlauf.jpg

Man spricht nun von einer gegen Erde erregten Antenne oder Monopol. Der Strom und Spannungsverlauf ist somit entscheidend von den Erdbodenverhältnissen abhängig. Die Erdverhältnisse müssen somit sehr günstig sein, um die verbliebene 1/4-Lambda-Antenne gut funktionieren zu lassen. Eine elektrische Verlängerung ist durch eine Spule möglich. Die Verlängerungsspule sollte im Strombauch positioniert sein, damit der größte Strom die größte Verlängerungswirkung verursachen kann. Die Güte der Spule ist hierbei hoch anzusetzen, damit der Gesamtwiderstand der Antenne nicht zu stark beeinflusst wird. Eine Verkürzung erfolgt durch kapazitive Maßnahmen, wie z.B. die Dachkapazität. Hier wird am oberen Ende der Antenne quasi ein "Dach" aufgesetzt. Dies führt zu einer elektrischen Verkürzung. Das Einfügen eines Kondensators führt ebenfalls zu einer elektrischen Verkürzung.

Bemerkenswert ist noch, dass sich am Speisepunkt das Strommaximum befindet. Da nur dann ein großer Strom fließt, wenn der Innenwiderstand des Verbrauchers minimal ist (->Das Ohmsche Gesetz), muss eine endgespeiste Antenne mit einer hohen Spannung angeregt werden. Daher benötigt man für endgespeiste Antennen Transformatoren, die die entsprechenden Spannungen erzeugen.

Bei einer GroundPlane ist dies naturgemäß nicht nötig.

Groundplane

Die im Abschnitt "Gegen Erde (Masse) erregte Antennen" besprochenen Erdverhältnisse werden meistens mit einem künstlichen Erdnetz verbessert. Dieses Erdnetz sollte aus sehr vielen Drähten mit einer Wellenlänge von 1/4-Lambda bestehen. Besser sind viele kleine (zu kurze) Drähte anstelle eines passenden Drahtes. Diese Drähte bezeichnet man als Radials oder Gegengewichte. Die Ausrichtung und Dimensionierung beeinflussen die Abstrahleigenschaften des Vertikalstrahlers. Der Winkel zwischen Radials und Strahler beeinflusst ebenfalls den Speisepunkt. Er ist meistens niederohmig, die Impedanz liegt bei ca. 30-50 Ohm. Der Erdboden wird durch die Radials nachgebildet. In größeren Höhen ist dies schließlich nicht anders machbar. Besonders im VHF- und UHF-Bereich werden oft vertikale Strahler in Groundplaneausführung eingesetzt. Durch die Rundstrahlcharakteristik und die vertikale Polarisation ist eine Verbindung zwischen Mobil-/Portabel- und Feststationen gut möglich. Im Strahlungsdiagramm zeigt sich die annähernd runde Strahlungscharakteristik (siehe Bild rechts).


Groundplane (GP) horizontales Strahlungsdiagramm einer GP

GPs werden häufig im VHF/UHF-Bereich bei Funkverbindungen zu Mobilstationen verwendet. Die Polarisation ist bei Sichtverbindung zwischen Sende- und Empfangsantenne stets gleich zu halten. Die Übertragungsverluste wären sonst zu hoch. Eine Reichweitenminderung wäre die Folge. Im Kurzwellenbereich ist dies anders, da die Ausbreitung meistens nicht per Bodenwelle erfolgt und das Signal während der Reflektionen mehrmals seine Polarisation ändert.

Strahlerlänge und Strahlungsdiagramm

Der Strahler einer Groundplane-Antenne muss nicht zwingend λ/4 lang sein. Bei λ/4 ist diese Antenne nur am leichtesten an übliche Koaxkabel und Sender anzuschließen.

Da diese Antennenform seit den 1920er Jahren die wichtigste Antennenform für Mittelwellensender ist, gab es hierzu schon viel Forschungsarbeit. Eine Kurzübersicht:

  • Der längste sinnvolle Strahler ist 5/8 λ lang. Grundsätzlich ist das die Strahlerlänge mit dem höchsten Gewinn, weshalb früher z.B. viele Mobilantennen für 2 m so lang waren (Federfuß als Anpassglied). Das Problem ist nur, dass dieses Gewinnmaximum bei einem relativ hohen Erhebungswinkel (etwa 18°) auftritt, was bei UKW wenig hilfreich ist.
  • Der höchste Gewinn in der Horizontalen wird bei einer Strahlerlänge von 190° (etwas mehr als λ/2 = 180°) erzielt. Allerdings ist diese Strahlerlänge relativ schwer anzupassen, weil die Impedanz recht hoch ist.
  • λ/2 hat den Vorteil, dass der Antennenstrom im Speisepunkt minimal ist, siehe Langdrahtantenne. Im kommerziellen Betrieb, mit den zugehörigen hohen Sendeleistungen, ist diese Strahlerlänge wegen der hohen Spannungen schwer zu beherrschen.
  • < λ/2 ... > λ/4: Der Steilstrahlungsanteil nimmt immer mehr zu. In diesem Bereich arbeiten viele Amateurfunkantennen, wenn sie per Matchbox auf mehreren Bändern verwendet werden.
  • λ/4: Die bequemste Form der Groundplane, von der Anpassung her gesehen.
  • < λ/4: Wie bei jeder kleinen Antenne sinkt der Strahlungswiderstand und steigen die Verluste, vorzugsweise in den Anpassgliedern (Verlängerungsspulen). Oberhalb von 40m werden die meisten Groundplanes so betrieben, weil Antennenhöhen über 10 m in den meisten Gemeinden eine Baugenehmigung erfordern. Trotzdem kann der Betrieb einer solchen Groundplane auf 40m oder 80m sinnvoll sein, weil sie immer noch flacher strahlen als ein Dipol in geringer Höhe über dem Boden.

Radials

Die Theorie der Groundplane geht von einer Masseebene als Spiegel für die andere, nicht vorhandene Hälfte eines Dipols aus. Die wird sich nur selten verwirklichen lassen, etwa mit einem Blechdach.

Die übliche Form der Masseebene ist eine möglichst große Anzahl von Radials, also Drähten vom Fußpunkt der Antenne in möglichst viele Richtungen. Dabei gibt es zwei unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten:

  • Die Radials werden oberhalb der Erde gespannt und am Ende isoliert aufgehängt. Solche Radials müssen möglichst genau auf die Sendefrequenz abgestimmt werden, dafür reichen etwa 4 Stück in die vier Himmelsrichtungen für einen akzeptablen Wirkungsgrand und eine leidlich gleichmäßige Rundumstrahlung. Allerdings braucht man so einen Radial-Satz für jedes Band, auf dem man die Groundplane betreiben möchte. Bei einer Antenne für 20/18/15/12/10 m sind das bereits 20 Radials. Diese Bauform ist typisch für Groundplane-Antennen auf dem Dach.
  • Die Radials werden auf die Erde gelegt oder ein paar cm in die Erde vergraben. Für einen leidlich guten Antennenwirkungsgrad sollten das möglichst viele Radials sein, allerdings ist die Länge nicht mehr so kritisch. Die typische Mittelwellenstation in den USA benutzt 128 Radials. Beispielsweise der Mittelwellensender Mühlacker des SWR hat 196 Radials, die jeweils λ/4 lang sind.

Groundplane-Antenne "leise" machen

Groundplane-Antennen stehen im Ruf, empfangsseitig ziemlich "laut" zu sein, sich also reichlich Störsignale einzufangen. Das kann mehrere Gründe haben:

  • Durch die flache Abstrahlcharakteristik, die für vertikal polarisierte Antennen typisch ist, "sieht" eine Groundplane-Antenne mehr Störquellen in der näheren Umgebung als die meisten horizontal polarisierten Antennen mit ihren höheren Erhebungswinkeln.
  • Als unsymmetrische Antenne ist eine Groundplane auf ein "Gegengewicht" angewiesen. Das muss den Antennenstrom liefern, den der Strahler aufnimmt. Durch einen Balun oder eine Mantelwellendrossel muss sichergestellt werden, dass das Ableitungskabel nicht mehr Teil der Antenne ist. Sonst wird die ganze Ableitung zum Teil der Antenne.
  • Wenn eine Groundplane auf dem Dach aufgebaut wird, muss das Gegengewicht auch die Störungen von unten abschirmen. Das häufig verwendete eine Radial pro Band kann das sicher nicht leisten. Vier Radials pro Band bilden schon bei einer Dreiband-Groundplane einen ziemlichen Drahtverhau auf dem Dach.

Fragenkatalog

Klasse E:

  • TH 111
  • TH 202

Klasse A:

  • TH 138
  • TH 139
  • TH 203
  • TH 222
  • TH 223
  • TH 224
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