Neue Superantennen

Von Mathias Czaya - DC 5 AG -

Schaut man sich die Entwicklung der CB-Antennen im Laufe der letzten drei Jahrzehnte an, so wird man kaum Neues entdecken. Gewiß, die Hersteller und die Namen der Antennen wechseln, jedoch kann man die gängigen Antennen auf einfache Grundformen reduzieren, wie z.B. Groundplane, Halbwellen und 5/8 Antennen.

Wenn man den Wunsch hat, eine Feststationsantenne aufzustellen, kann man über die Jahrzehnte eine deutliche Verschlechterung feststellen.

Da die meisten Funker nicht Eigentümer eines Hauses sind, folgt die Notwendigkeit, einen Vermieter oder eine Wohnungsbaugesellschaft um Erlaubnis fragen müssen. Diese Erlaubnis kann mit dem Hinweis auf die"Schönheit des Hauses" verweigert werden. Auch sind die Hürden bei Dachmontage recht hoch. Da gibt es finanzielle Hürden, weil dieAntennen sturmsicher und blitzsicher nach den VDE-Vorschriften zu montieren sind. Die Einhaltung der Vorschriften hat dann der Mieter nachzuweisen, zum Beispiel durch eine Abnahmebescheinigung von einem Meisterbetrieb, wobei dann weitere Kosten entstehen. Ferner kann die Antennenerlaubnis vom Abschluß einer Haftpflichtversicherung abhängig gemacht werden. Einige Wohnungsbaugesellschaften verlangen vor Ausführung der Montage eine saftige Kaution in der Größenordnung 5000 DM, um mögliche Folgeschäden daraus bezahlen zu können.

Da auch die Anzahl der Gebäude mit Flachdach zugenommen hat, kann man nicht immer als zweitbeste Lösung auf einen Dachboden ausweichen, weil der Dachboden dann nicht mehr vorhanden ist. Daher bleibt den Funkern meist nur die Verwendung einer Balkon- oder Zimmerantenne übrig.

Balkonantennen haben aber auch Nachteile. Da die Antennenhöhe der Aufstellungsortes geringer ist und eine Abschattung durch das eigene Gebäude sowie auch durch Nachbargebäude auftritt, reduziert sich die Reichweite durchschnittlich auf die Hälfte bis ein Viertel.

Um den Mangel des schlechteren Aufstellungsortes auszugleichen, müssen gewinnbringende Antennen her.

Da der zur Verfügung stehende Platz auf einem Balkon begrenzt ist, verbietet sich die Anwendung von drehbaren Richtantennen im 11m Band. An eine Richtantenne kann man daher nur im 2m oder 70cm Band denken. Außerdem ist eine Richtantenne optisch recht auffällig, wenn sie viel Platz einnimmt.

Im 2m Band und 70cm Band gibt es gestockte 5/8 Antennen mit etwa 210 cm Länge und 6dB/ 8dB Gewinn.

Was soll dagegen der CB-Funker nehmen"

Eine einfache 5/8 Antenne ist ca. 680 cm lang. Will man zwei 5/8 Antennen stocken, würde die Gesamtlänge schon ca.13 m betragen. Da wirft Fragen nach der Stabilität und der Windlast auf. Auch wäre die Antenne mehr als auffällig.

Überragt die Antenne die Dachkante, müßte auch sie blitzschutzsicher ein. Die Kosten wären sicher extrem hoch und die Hausmitbewohner würden vielleicht beim Hauswirt vorstellig werden, da die Antenne an den Balkonen anderer Hausbewohner vorbei gen Himmel strebt. Wer hat es schon gern, wenn ein Antennenstrahler aus den Geranien schaut" Ein weiteres elektrisches Problem kommt noch hinzu, da bei gestockten Antennen mit der Anzahl der Stockungen die Bandbreite

abnimmt. Die einfache 5/8 Antenne hat schon Mühe, eine brauchbare Stehwelle über alle 80 Kanäle zu halten.

Da die Industrie aus diesen Gründen nichts geeignetes für das 11m und schon garnicht für das 4m Band produziert, habe ich einen neuen Antennentyp entwickelt, der die oben erwähnten Nachteile nicht hat und auf allen Balkonen Platz finden könnte.

Wenn man die Reichweite verdoppeln will, sind aus technischer Sicht drei Wege denkbar:

1. Vervierfachung der Sendeleistung

2. Verdopplung der Empfindlichkeit der Empfängers

3. Vervierfachung der von der Antenne abgegebenen Empfangsenergie.

Zu 1.

Der CB-Funker muß leider mit den vorgegebenen 4 Watt Sendeleistung auskommen.

Der Scannerfreund hat keinerlei Sendeleistung zur Verfügung, daher scheidet für ihn dieser Weg aus.

Der Amateurfunker kann unter Beachtung der Obergrenzen der Sendeleistung und der Personenschutzverfügung diesen Weg beschreiten.

Zu 2.

Die Steigerung der Empfindlichkeit des Empfängers kann mit sorgfältig konstruierten Empfangsvorstärkern durchaus erreicht werden. Es sei aber hier angemerkt, daß die billigen käuflich erwerbbaren Empfangsvorverstärker nicht auf die Merkmale extreme Rauschfreiheit sowie Übersteuerungsfestigkeit bei Außerbandsignalen konstruiert sind.

Eine gewisse Grenze stellt das allgemeine QRM um Häuser herum dar, welches sich mit Uhrzeit in der Stärke ändert, weil die meisten Leute ihre Computer und Fernseher nachts abschalten.

Zu 3.

Hier sehe ich die einfachste und billigste Möglichkeit, den Empfang zu verbessern, egal auf welchem Band.

Das Prinzip der neuen Antennen ist eigentlich sehr einfach.

Stellen Sie sich vor, auf einem Parkplatz stehen vier Autos mit CB-Funk. Jeder Empfänger hört die gerade sendende Station Karlchen, die etwa 10 km weit weg steht, mit genau S9 ( entsprechend 50 Mikrovolt Antennenspannung ). Karlchen sendet mit 4 Watt an der Hochantenne in FM.

Wenn Karlchen nun die Modulationsart auf AM wechselt, schaltet sein Gerät auf 1 Watt herunter. Alle vier CB-Autos hören dann die Station Karlchen mit S 8 ( entsprechend 25 Mikrovolt Antennenspannung ).

Was müssen die CB-Autos tun, um Karlchen wieder mit S9 zu hören"

Richtig, sie müssen ihre vier Teilenergien ( Empfangsenergie, die von der Antenne an den Empfänger abgegeben wird ) zusammenschließen (addieren).

Wir brauchen daher statt einer Antenne vier Antennen, um eine S-Stufe besser zu empfangen. Das entspricht einer Verdopplung der Empfangsreichweite. Will man zwei S-Stufen Gewinn, entsprechend einer vierfachen Reichweite, darf man 16 Antennen kombinieren.

Bei der Zusammenschaltung von zwei Antennen gibt es allerdings nur ein halbe S-Stufe entsprechend einer Erhöhung der Reichweite um 50% .

Daher habe ich eine Kombinationsbox für 2, 4 und 16 Antennen entwickelt, die in Lage ist, die Einzelleistungen der Antennen zu addieren.

Im ersten Anlauf habe ich eine Antenne für das 4 Meter Band entwickelt, da es für diesen Bereich für Scanner keine gewinnbringende Rundstrahlantennen gibt. Die Strahler sind etwa 1m und die Radials sind 88 cm lang. Da in diesem Bereich mit festen Relaisstandorten gearbeitet wird, ist die Verdopplung der Reichweite anhand der empfangenen Stationen recht einfach nachzuvollziehen. Man braucht nur einen Scanner mit geeichtem S-Meter. Kombiniert man die Antenne mit einem extrem rauscharmen Vorverstärker und schmalster Bandbreite, kann man die Scanner dazu bringen, Signale unter 0,1uV durch Öffnen der Rauschsperre auch bei hoher Scangeschwindigkeit wiederzugeben.

Das dürfte derzeit die technische Grenze des Machbaren sein, soweit man die Antennenseite betrachtet.

Im zweiten Anlauf habe ich zwei 11 Meter Antennen kombiniert. Das waren der Einfachheit halber zwei gleiche Magnetfußantennen, die ich auf eine Heizung dicht nebeneinander gestellt habe. Im Test habe ich mir die S-Werte von anderen Stationen geben lassen und auch die empfangenen S-Werte notiert. Alle S-Werte lagen deutlich höher, wobei meine Gegenstationen in unterschiedlicher Himmelrichtung lagen. Da aber die S-Meter der Gegenstationen nicht geeicht waren und vermutlich keine sinnvolle Skalenlinearität aufwiesen, habe sehr unterschiedliche Zuwachsraten von einem halben S-Wert ( der Theorie entsprechend ) bis hin zu zwei S-Werten bekommen. Ob diese Rapporte an der fehlenden Skalenlinearität oder auch an einer gewissen Verzerrung des Strahlendiagramms bei Verwendung von zwei Antennen liegt, habe ich nicht näher untersucht. Da müßten noch weitere Messungen im freien Felde folgen.

Wichtig scheint zu sein, daß die Antennen sehr dicht beieinander stehen müssen, um Amplitudenfehler und Phasenfehler zu vermeiden, da sonst bei der Addition 1 bis 2 dB fehlen könnten.

Stellt man die Antennen im Abstand von 1 -2 Metern auf, kann man eine deutliche Richtwirkung feststellen. Ob das im Einzelfall gut ist, müßte man im konkreten Fall entscheiden. Interessant ist die Möglichkeit, gezielt Störsender oder Störquellen wie z.B. Computer in der Störwirkung abschwächen ( ausblenden ) zu können.

Ein beachtlicher Vorteil dieser Antennenanordnung liegt darin, daß auch bei 16 Antennen die Bandbreite im Vergleich zu einer einzelnen Antenne nicht abnimmt.

Die Bauhöhen der gesamten Anordnung ist noch recht gut für Zimmer oder Balkonmontage geeignet. Typische Höhen sind etwa 3 Met er für die CB-Funk Version, 1 Meter für das 4 Meter Band empfangsseitig, 54cm für das FreeNet 149 MHz.

Falls jemandem aufgefallen ist, daß die Antennenlängen keine Resonanzlängen darstellen, dann gratuliere ich Ihnen für Ihre gute Beobachtungsgabe. Der Grund für die Längen liegt in der Normierung auf den 50 Ohm Wert für die Antenneneingange der Kombibox begründet.

Alle Eingänge und der Ausgang müssen wegen der Leistungsanpassung auf einen definierten Wert ( im Muster 50 Ohm der Einfachheit halber ) gebracht werden. Andere Ohmsche Werte wären auch denkbar, z.B. bei der Kombination von 5/8 Antennen mit 75 Ohm.

Veröffentlichung honorarfrei - Belegexemplar erbeten

Für Anregungen und Gedankenaustausch ist der Autor dankbar.

Mathias Czaya 0551- 79 66 67 geschrieben im März 1999

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Die Technik

Möchte man die Reichweite eines CB Funk Gerätes steigern, gibt es im wesentlichen zwei Möglichkeiten.

Eine Variante ist durch neuere Bestimmungen (Allgemeingenehmigung) verwehrt, nämlich die Leistung zu erhöhen, wobei die vierfache Leistung die doppelte Reichweite ergibt. Würden alle CB Funker statt mit den erlaubten 4 Watt (ERP) mit 16 Watt (ERP) senden dürfen, hätten sie die doppelte Reichweite.

Da dieser Weg leider juristisch verbaut ist, habe ich bereits 1995 die ersten Versuchsmodelle gebaut, wobei es sendemässig keinen Gewinn gibt, wohl aber auf der Empfangsseite.

Leider stösst der bekannte Weg, nämlich für das Senden einen Dipol zu nehmen (ohne Gewinn) und für den Empfang eine zweite, richtig gewinnbringende Richtantenne auf ein gewisses Misstrauen der Behörden. Die glauben dem CB-Funker halt nicht, dass er die Yagi Antenne nur für Empfangszwecke nutzt.

Da viele CB Funker zur Miete wohnen, macht das Aufstellen grosser Antennen einige Schwierigkeiten, zumal der Hausbesitzer gefragt werden will und wahlweise die Genehmigung zum Aufstellen sowohl verweigern kann oder kostspielige Auflagen machen kann (Montage durch Fachbetrieb, Antennenversicherung für etwaige Haftpflichtschäden usw.).

Verwendet man Balkonantennen notgedrungenerweise, hat man als Folge wesentlich geringere Reichweiten. Begründen kann man die schlechte Reichweite mit niedriger Anbringungshöhe gegenüber einer Dachantenne, fehlender Rundumstrahlung durch Abschattung des eigenen Hauses sowie benachbarter Häuser sowie der niedrigere Wirkungsgrad von verkürzten Antennen. Leider addieren sich die Verluste.

Abhilfe schafft eine Antenne, die einen ordentlichen Empfangsgewinn hat, aber halt keinen Sendegewinn. Wenn alle CB-Funker eine gewinnbringende Empfangsantenne verwenden würden, kann man getrost auf höhere Leistung verzichten. Ausserdem kann man sich aussuchen, ob man 1, 2 oder 3 S-Stufen Gewinn haben möchte.

Die Technik:

Das Herzstück ist ein Leistungsaddierer.

Der addiert die Einzelleistungen der angeschlossenen Antennen, wobei es unerheblich ist, welcher Antennentyp bevorzugt wird.

Bekannt sind Addierer schon seit Jahrzehnten. Beispiele gibt es aus der Messtechnik, wo 2 Signale von 2 Mess-Sendern zusammengeführt werden, um Zweitonmessungen an Empfängern und Sendern zu machen.

Auch im Amateurfunk sind sie beschrieben, zum Beispiel im ARRL Handbook ( das ist der amerikanische Amateurfunkerverband ) oder beim deutschen Amateurfunkverband DARC. (http://www.darc.de/distrikte/c/adder.pdf)

Addierer enthalten passive Bauelemente, beispielweise Spulen, HF-Trafos und Kondensatoren. Dabei sind Ein- und Ausgänge vertauschbar.

Je nach Anwendungszweck nennt man sie im englischen Combiner (Addierer) oder Splitter (Leistungsteiler).

Man kann beispielsweise 2 Empfänger an eine Antenne anschliessen, wobei je nach Bauweise jeder dieser Empfänger die Hälfte ( -3dB) oder ein Viertel (-6dB) der Antennenleistung bekommt.

Ein kommerzielles Beispiel, wo 2 Handys an eine Antenne angeschlossen werden können, findet man unter http://www.funkwerkdabendorf.de/oem/combiner.htm.de.

Combiner, die breitbandig wirken, beispielsweise 1-50 MHz, sowie für zahlreiche andere Frequenzbereiche werden von erstaunlich vielen Firmen hergestellt.

Eine Übersicht mit vielen bekannten Herstellern gibt es unter http://www.e-meca.com/rf-directional-coupler/3-dB-hybrid-coupler.htm .

Eine Version für das 80m Amateurband gibt es unter http://htc.ch/images/80mcombiner_6_HB9AFR.pdf .

Eine Besonderheit gibt es bei breitbandigen Splittern und Combinern, nämlich dass sie einen unerwünschten Verlust von zusätzlichen 3dB haben.

Brauchbar für das Zusammenführen von Empfangssignalen sind aber nur verlustfreie Wilkinson Combiner.

Die gibt es in mehreren Ausführungen, man kann sie aus Koaxialkabeln zusammenbauen, wobei die elektrisch gesehen Viertelwellen-Längen verwendet werden, oder man nimmt Bauelemente wie Spulen und Kondensatoren zuzüglich eines Ausgleichswiderstandes für mögliche Fehlanpassung.

Ein Beispiel, wie man 2 gleiche Antennen kombiniert oder splittet, findet sich mit Schaltplan und Computerberechnung der Bauteile unter http://my.athenet.net/~multiplx/cgi-bin/wilk.cgi .

Das kann man auch mit vier Antennen machen, ein kommerzielles Fertigprodukt für das 70cm Band Modell b0201 gibt es unter http:/www.procom-dk.com/combiner/ .

In meinen Baumustern habe ich den 50 Ohm Wert für die Antennen und Koaxkabel gewählt. Das ist aber kein besonderes Muss, für höheren Frequenzen würde ich auf 75 Ohm gehen, zumal sich da mittengespeiste Dipole als Antennenbauform geradezu anbieten. Allerdings muss man dann die Bauteilewerte "zu Fuss" errechnen.

Wenn man keine Lust auf Spulen wickeln im Nano-Henry Bereich hat, kann man auch Koaxialkabel nehmen. Bei der Version mit 50 Ohm Ein- und Ausgangsimpedanz wird theoretisch ein 70,7 Ohm Kabel für die 2 Eingänge - Version gebraucht, da könnte man auch ein 75 Ohm Kabel nehmen, und für die Version mit den 4 Eingängen braucht es ein 100 Ohm Kabel, da könnte man das 95 Ohm Kabel (RG-180) nehmen.

Eine gewisse Schwierigkeit bei verkürzten Antennenstrahlern besteht darin, dass sie von Hause aus niedrige Impedanzwerte haben, aber nicht genau 50 Ohm. Wer nicht weiss, wie man Antennenstrahler auf den 50 Ohm Wert trimmt, könnte für Testzwecke auch 2 fertige (gleiche) Halbwellen nehmen, die dann sehr dicht nebeneinander stehen müssen, um Phasenfehler sowie mögliche Amplitudenfehler zu vermeiden. Das ist im CB-Funk Bereich kein Problem, auf 2m oder 70cn sieht es wesentlich schlechter aus, weil da Zentimeter Abstände der Antennen untereinander plötzlich eine Rolle spielen, vor allem, wenn man viele Antennen auf engem Raum unterbringen möchte.

Die Kabellänge sollten der Einfachheit halber gleich sein, um zusätzliche Phasenfehler zu vermeiden.

Ziemlich einfach sind die Versionen mit 2 oder 4 Eingängen und Koaxkabel herzustellen.

Dazu nimmt man sich ein Kästchen, um die Antennenbuchsen montieren zu können. Bei der Version mit den 2 Eingängen verbindet man innerhalb des Kästchen

je eine Eingangsbuchse mit einem 75 Ohm Kabel mit der Ausgangsbuchse. Die mechanische Länge des 75 Ohm Kabel errechnet sich aus

Gesamtlänge = Viertelwellenlänge x Verkürzungsfaktor des Kabels

Für normale PE Kabel (Fernsehkabel) ist der Verkürzungsfaktor 0,66, legt man Wert auf besonders kleine Bauweise, kann man auch zu dem besonders dünnen RG-179 Kabel greifen, das lässt sich gut aufwickeln.

Da RG-179 aber ein FEP Kabel ist, hat es einen anderen Verkürzungsfaktor 0,7 ( siehe Internetseite bei bedea ).

Was der genaue Wert für die Viertelwellen in cm ist, hängt von der Wahl der Frequenz ab. Combiner sind bezüglich der Bandbreite unkritisch, da sie Abweichungen von 15 % tolerieren, ohne grosse Fehler zu machen.

Beispiel für 11m und PVC-Kabel:

Mechanische Gesamtlänge = 270 (cm) x 0,66 = 178,2 (cm)

Im Zweifelsfall oder bei unbekannten Kabelsorten schlagen ich vor, die Interseite des Herstellers zu besuchen und nach Angaben über den Verkürzungsfaktor zu suchen, z.B. bei http://www.bedea.com .

Die Viertelwellen-Länge macht im Wesentlichen zwei Dinge. Einmal schiebt sie die Phase um 90 Grad, zum anderen transformiert sie den Wellenwiderstand des Eingangs auf einen neuen Wert.

Macht die Vorgabe, dass der Ausgang ebenfalls 50 Ohm haben soll, was ja sehr praktisch ist, dann muss jede dieser beiden Transformationsleitungen für sich betrachtet auf 100 Ohm transformieren, weil die anschliessende Parallelschaltung an der Ausgangsbuchse den Wert

Ausgangswiderstand = 100 : 2 = 50 (Ohm)

ergibt.

Nur ist die Wurzel aus 5000 (50 x 100) leider 70,7 Ohm und nicht 75 Ohm.

Da mir kein Hersteller bekannt ist, der ein Kabel mit dem Wellenwiderstand 70,7 Ohm anbietet, nehmen wir den nächst möglichen Wert 75 Ohm.

Der Fehler hieraus lässt sich sehr einfach berechnen zu

Ausgangsimpdedanz des Einzelkabel = 75 x 75 : 50 = 112,5 Ohm,

was bei Parallelschaltung zweier Kabel 56,25 Ohm ergibt. Das heisst, das der Stehwellenfehler SWR = 56,25 : 50 = 1,125 systembedingt ist und wegen des geringen Wertes hinnehmbar ist.

Übrigens sei hier angemerkt, dass sich Kabelhersteller eine gewisse Toleranz für die Impedanzwerte der Kabel genehmigen. Bei 75 Ohm Kabel ist das zahlenmässig plus / minus 3 Ohm. Das Ergebnis kann daher im Einzelfall besser sein, weil 70,7 Ohm gebraucht wird und 72 Ohm im Lieferzustand noch möglich

sind, oder aber etwas schlechter, falls das Kabel zufällig 78 Ohm haben sollte.

Bei der Version mit den Einzelbauteilen gibt es diesen kleinen Fehler nicht, das ist zweifellos ein Vorzug. Dafür gibt es aber Bauteiletoleranzen bei den Kondensatoren und bei der Abgleichmessung selbstgewickelter Spulen. Da bitte ich, eine Toleranz von 1-2 Prozent anzustreben. Ein sauberes Arbeiten macht sich wohltuend bemerkbar, wenn man die Version mit den 4 Eingängen baut.

Da macht man aus 4 Eingängen mit zwei Modulen nach der Bauweise "lumped Wilkinson Combiner/Splitter" zwei Ausgänge, die dann von einem dritten Modul zu einem Ausgang zusammen gefasst werden.

Bei der Version mit den zwei Eingängen lötet man noch einen 100 Ohm Widerstand an die Innenleiter der Eingänge, der dient zum Ausgleich für kleine Toleranzen. Wenn an den Eingangsbuchsen die gleichen Antennenspannungen vorhanden sind, liegt auch an jedem Ende des Widerstandes die gleiche Spannung, was zur Folge hat, dass da kein Strom fliesst.

Der Widerstand benimmt sich daher so, als wäre er nicht vorhanden. Sollte es zu einer Unterbrechung in einer der beiden Antennenleitungen kommen, nimmt er die halbe Leistung auf. Der Combiner ist dann nicht "tot", sondern funktioniert trotzdem weiter, wenn auch mit Abstrichen.

Wenn man das Gerät fertig gebaut hat, macht man normalerweise eine Funktionskontrolle. Die ist sehr einfach. Man gibt auf den Ausgang die 4 Watt vom CB-Funkgerät, wobei die beiden Antenneneingänge mit einem 50 Ohm Widerstand abgeschlossen werden. An jedem der beiden Eingänge liegt dann 2 Watt, was mit einem Wattmeter leicht nachprüfbar ist.

Bei der Version mit den 4 Eingängen liegt dann entsprechend je 1 Watt an jeder Antennenbuchse der 4 Eingänge. Etwaigen Unsymmetrien oder Bastelfehlern in den einzelnen Zweigen kann man so auf die Schliche kommen.

Wie man aus den inzwischen neu erschienenen Internetseiten ersehen kann, gibt es zahlreiche Anbieter für die kommerziellen Bereiche.

Nur die CB-Funker hat man leider vergessen. Daher hilft derzeit leider nur der Selbstbau für die uns interessierenden Bereiche.

Lit.:

1. Norm Dye and Helge Granberg, RF Transistors, Electronics World, 1994, August, p.694

2. Joseph Carr, RF Hybrid Coupler, Electronic World, 1999, January p. 41

3. Joseph Carr, Power Splitters, Electronics World, 1999, January p. 45

Einen Nachdruck dieser Aufsätze kann man sich bei http://www.softcopy.co.uk gegen Gebühr bestellen.

Veröffentlichung honorarfrei - Belegexemplar erbeten