Konstruktionsprizipien für UKW-Hochgewin-Yagis Speisetechnik der Yagis Yagis konstruieren mit de Programm "YA" DK7ZB-Yagis und Selbsterkärung Kurze 50MHz-Yagis
5-El.-2m-Yagi 28 Ohm 5+6-El.-2m-Yagis 50 Ohm 8-Ele.-2m-Yagi 28-Ohm 70cm-Yagis Vorträge Weinheim

5-und 6-Element-Yagis für universellen Einsatz auf dem 2-m-Band

Die hier vorgestellten Varianten von 5- und 6-Element-Yagis wurden für verschiedene Einsatzzwecke entwickelt. Sie eignen sich für den stationären Einsatz ebenso gut wie für eine Leichbauweise zum Portabeleinsatz. In verschiedenen Ausführungen für SSB und FM sowie speziellen Versionen zum Stocken sollte für jede Anwendung eine geeignete Yagi dabei sein. Besonderer Wert wurde auf die Nachbausicherheit gelegt, damit auch Anfänger im Antennenbau zu Erfolgserlebnissen kommen können.

Ausgangspunkt für die Konstruktion waren Antennen, die schon in verschiedenen Veröffentlichungen vorgestellt wurden [1-4] und auf der UKW-Tagung in Weinheim 2007 beim Konstruktionswettbewerb mit einem Preis ausgezeichnet wurde. Diese wurden auf Längen von 1,40 m und 2,50 m zugeschnitten und neu berechnet. Die kürzere Yagi passt so mit komplettem Boom in eine handelsübliche Angeltasche zum Transport, die längere wird in zwei Stücke geteilt und muss zum Aufbau zusammengesetzt werden.  

Die physikalischen Grundlagen

Bei Langyagis sind die Konstruktionsprinzipien seit den wegweisenden Entwicklungsschritten von Günter Hoch, DL6WU, klar und wurden seitdem nur unwesentlich verbessert [5, 6]. Im Gegensatz dazu gibt es bei kürzeren Yagis bis zu einer Boomlänge von 1 l eine Fülle verschiedener, sich sehr stark unterscheidende Bauvorschläge und kommerziell gefertigte Antennen. Alle mit EZNEC [7] geprüften Yagis erwiesen sich dabei als verbesserungsbedürftig, wohl weil sie aus umgerechneten Fernsehantennen abgeleitet wurden oder völlig veraltete Konstruktionen darstellen. In vielen Fällen sind zu viele Elemente mit zu kleinem Abstand zwischen den Direktoren vorhanden, was zu Sprüngen im Stromprofil und in Folge zu schlechten Richtdiagrammen führt.

Es soll nicht näher auf die recht komplexen Grundlagen eingegangen werden, jedenfalls übertreffen die hier  beschrieben Yagis bezüglich des Gewinns und des Richtdiagramms alle anderen analysierten deutlich. Die Entwürfe wurden mit den Programmen YO [8] und EZNEC +5 [7] erstellt und der Anpassungsverlauf und das Horizontaldiagramm messtechnisch verifiziert.

Die 5-Element-Yagi ist breitbandiger und damit insgesamt unkritischer bei guter Rückwärts-unterdrückung. Bei der vorgegebenen Länge von 1,40 m reichen an sich 4 Elemente aus, wenn man einen kleineren Strahlungswiderstand zu Grunde legt. Zum direkten Anpassen eines 50-Ohm-Koaxkabels wurde noch ein zusätzliches Matchelement als sehr eng gesetzter Direktor 1 eingefügt und die gesamte Yagistruktur nach dieser Maßnahme noch einmal optimiert.

Die 6-Element-Yagi ist eine Ausführung mit schmalbandigerem Anpassungsverlauf und schlechterem V/R-Verhältnis. Dies wurde zugunsten eines hohen Gewinns in Kauf genommen.

Der Anschluss des unsymmetrischen Koaxialkabels an den Strahler erfolgt über eine Koax-Speisedrossel. Das ist zwar keine echte Symmetrierung, aber der Ausgang ist mit >18 dB gegenüber dem Eingang entkoppelt, wie verschiedene Messungen zeigen. Dies reicht für Amateurzwecke völlig aus, das Richtdiagramm ist absolut symmetrisch und es treten keine Mantelwellen auf. Unbedingt vermeiden sollte man die Gamma-Anpassung, auch wenn sie bei Selbstbauern sehr beliebt ist. Wie umfangreiche Untersuchungen zeigen, ist die Mantelwellenunterdrückung unzureichend und ein unsauberes Richtdiagramm die Regel.

Die Maße sind für eine Mittenfrequenz von 144,3 MHz zugeschnitten, um die Yagi für SSB und CW zu nutzen. Sollen sie ausschließlich für FM eingesetzt werden, müssen alle Elemente um 8 mm gekürzt werden. Als Kompromiss zum Einsatz im gesamten Bereich von 144-146 MHz macht man alle Elemente 4 mm kürzer. Dann sinkt allerdings der Gewinn im unteren Bandsegment. Die Freiraumdiagramme für eine Montage mit horizontaler Polarisation sind in den Bildern 1 und 2 abgebildet.

Der Vorteil einer solchen vergleichsweise kurzen Yagi ist ihr noch relativ großer horizontaler Öffnungswinkel. Eine Gewinnerhöhung ist sinvollerweise über eine vertikale Stockung zu erreichen, wobei deren Azimutwinkel beibehalten wird. In Tabelle 1 sind die Kurzdaten der Yagis zusammengestellt.

Tabelle 1: Kurzdaten der beschriebenen Antennen

Typ

Gewinn

V/R

Hor.-3-dB-Winkel

Ver.-3-dB-Winkel

Stockungshöhe

5-El. 50 Ohm

8,2 dBd

> 23 dB

50,8°

64,6°

-

2x 5-El. 56 Ohm

11 dBd

> 20 dB

51,0°

26,6°

2,10 m

6-El. 50 Ohm

10,2 dBd

20 dB

43,6°

50,8°

-

2x 6-El. 56 Ohm

13 dBd

> 20 dB

44,4°

20,6°

2,70 m

Die mechanische Realisierung

Hier hat der Nachbauer einen breiten Gestaltungsspielraum, wenn er sich an ein paar Grundregeln hält. Um für die verschiedensten Einsatzzwecke unterschiedliche Elementdurchmesser einsetzen zu können, werden die jeweiligen Abmessungen für Aluminium-Schweißstäbe mit AlMg-Legierungen mit 2,4 mm, 3,2 mm und 4 mm angegeben. Diese sind in handelsüblichen Längen von 1 m erhältlich. Der kleinste Durchmesser kann dort verwendet werden, wo es auf absolute Gewichtseinsparung, zum Beispiel beim BBT ankommt. Außerdem sind für 6-mm-Rohre, wie sie in jedem Baumarkt erhältlich sind, die Abmessungen aufgeführt.

Die Schweißstäbe werden mit PVC-Klammern befestigt, wie es bei den schon beschriebenen Leichtbau-Yagis vorgestellt wurde (Bild 3). Als Boom kann man PVC-Rohre für die Elektroinstallation verwenden, diese Lösung eignet sich aber nur für den vorübergehenden Portabelbetrieb. Stabiler sind 16x1-mm-Alu-Rundrohre.

Eine konkurrenzlos leichte Variante ist mit PVC-Installationsrohr mit 2,4-mm-Schweißstäben als Parasitärelementen aufzubauen. Dabei kann man sogar noch die Halteschellen einsparen, wenn man das Loch mit 2,1 mm etwas kleiner bohrt und die Stäbe wie in Bild 4 einfach hindurchschiebt. Nach mehrmaligem Auf- und Abbau weitet sich das Loch allerdings, mehr Halt ergeben dann durchgesägte und dadurch halbierte Lüsterklemmen (Bild 5), mit denen die Lage fixiert wird. Kopfzerbrechen bereitet meist der Reflektor, weil er länger ist als die 100 cm der Schweißstäbe. Auch dafür gibt es aber eine Lösung: Das Element wird aus zwei Hälften zusammen-gesetzt. Die verbindende Lüsterklemme wird im Inneren des Rohres untergebracht, wie in Bild 6 zu sehen.

Für stationäre Montage empfiehlt sich die Verwendung von 15x15-mm-Vierkant- oder 16x1-mm-Rundaluminium als Tragrohr in Verbindung mit 6-mm-Elementen. Die Elementrohre müssen in diesem Fall mit UV-festen, isolierten Haltern befestigt werden, wie in Bild 7 zu erkennen ist. Hier wurde zur mechanischen Verstärkung noch ein 8-mm-Rohrstück übergeschoben. Dabei spielt die 3-mm-Edelstahlschraube zur Befestigung auf dem Boom keine Rolle. Wichtig ist, dass die Elemente nicht auf dem leitfähigen Boom aufliegen. Damit würden sie partiell kurz-geschlossen und bekämen eine andere Resonanzfrequenz. Diese Halter, Schrauben und Rohre sind bei Nuxcom [9] erhältlich, wenn man die Teile nicht einzeln zusammensuchen will.

Tabelle 2: Längen der 5-Element-2-m-Yagi mit 1,40 m Boom und 50 Ohm Impedanz

Element

Position

8 mm

6 mm

4 mm

3,2 mm

2,4 mm

Reflektor

0 mm

1024 mm

1028 mm

1031 mm

1032 mm

1034 mm

Radiator

290 mm

1014 mm

1014 mm

1018 mm

1021 mm (4 mm)

1021 mm (4 mm)

Direktor 1

425 mm

954 mm

960 mm

968 mm

973 mm

977 mm

Direktor 2

890 mm

938 mm

945 mm

954 mm

959 mm

964 mm

Direktor 3

1380mm

911 mm

920 mm

930 mm

936 mm

942 mm

Tabelle 3: Längen der 6-Element-2-m-Yagi mit 2,50 m Boom und 50 Ohm Impedanz

 Element

Position

8 mm

6 mm

 4 mm

 3,2 mm

2,4 mm

Reflektor

0 mm

1000 m

1002 mm

1010 mm

1011 mm

1013 mm

Radiator

380 mm

952 mm

959 mm

962 mm

963 mm (4 mm)

963 mm (4 mm)

Direktor 1

530 mm

927 mm

934 mm

941 mm

946 mm

952 mm

Direktor 2

1040 mm

914 mm

923 mm

934 mm

939 mm

944 mm

Direktor 3

1800 mm

898 mm

906 mm

919 mm

924 mm

931 mm

Direktor 4

2480 mm

898 mm

906 mm

919 mm

924 mm

930 mm

Der Strahler muss in der Mitte auf ca. 12 mm unterbrochen sein, die in den Tabellen 2 und 3 angegebenen Längen beziehen sich auf die Maße von Spitze zu Spitze einschließlich des isolierten Mittelstücks. Wie eine praktische Ausführung aussehen kann, ist in Bild 8 zu sehen. Dort sieht man auch die Speisedrossel. Sie besteht aus 5 Windungen Koaxkabel, die auf ein 20- oder 25-mm-PVC-Rohr gewickelt werden. In der Musterantenne ist es PE-Kabel vom Typ RG178, damit sind maximal 100 Watt übertragbar. Es ist aber auch ohne weiteres RG58 zu verwenden, allerdings sollte es eine gute Qualität mit ausreichendem Schirm sein. Hier gibt es leider auch Billigprodukte, die wenig geeignet sind. Noch besser ist Teflon-Kabel vom Typ RG188. Diese beiden Varianten lassen bei SSB- und CW-Betrieb eine HF-Leistung von 250 Watt pro Antenne zu.

Mit Hilfe selbstschneidender Schrauben und Lötösen erfolgt der Anschluss der Drossel. Auf der anderen Seite benutzt man eine Koaxbuchse, die bei der stabileren, stationären Variante am Boom geerdet werden sollte.

Weitere Einzelheiten zur Mechanik können den genannten Beiträgen [1-4] und meiner Homepage [10] entnommen werden. Dort sind auch viele weitere Yagis zum Selbstbau beschrieben, die meisten allerdings in englischer Sprache. Die einsatzbereite 5-Element-Yagi sieht man in Bild 9.

Die gestockten Yagis

Es dürfte sich inzwischen herumgesprochen haben, dass das Stocken zweier kürzerer Yagis günstiger ist als der Einsatz einer gewinngleichen, doppelt so langen Yagi. Durch das vertikale Stocken behält man den größeren horizontalen Öffnungswinkel bei, verringert aber durch einen halbierten vertikalen unnütze Strahlung in Richtung Himmel. So hat man nicht nur elektrische Vorteile, sondern auch mechanische. Ein Mast wird durch zwei kurze Yagis weniger stark beansprucht als durch eine lange.

Um auf einfache Weise eine Kopplung der beiden Antennen zu erzielen, werden zwei 75-W-Koaxialkabelstücke L1 und L2 mit einer elektrischen Länge von je 5/4-lambda, bzw.  7/4-lambda eingesetzt. Deren Transformationswirkung wird zu einer reflexionsfreien Anpassung beider Antennen an das Speisekabel von 50 Ohm genutzt. Die Speisedrosseln werden der Einfachheit halber gleich aus demselben Kabel gewickelt und in der Mitte zusammengelötet. Beachten muss man, dass Innenleiter und Geflecht der beiden Yagis jeweils auf derselben Strahler-hälfte angeschlossen werden.

Das Schema dieser Anordnung sieht man in Bild 10. Damit am Punkt XX ein Impedanzwertwert von 100 Ohm für jedes Kabel anliegt, muss der Strahlungswiderstand jeder Antenne 56 Ohm betragen. Durch die Parallelschaltung ergeben sich dann die gewünschten 50 Ohm. Auf diese Weise spart man gegenüber einer anderen Lösung an jeder Antenne eine Buchse und einen Stecker, ebenso auf der anderen Seite, wo die Kabel über einen Anpasstopf gekoppelt werden kön-nen. Einziger Nachteil dieser Methode ist, dass beide Strahler fest miteinander verbunden sind.

Für diesen Einsatzzweck wurden die Yagis umgerechnet auf eine Impedanz von 56 Ohm, die geänderten Elementlängen für die 5-Ele-ment-Yagi entnimmt man Tabelle 4. Es sind dafür andere Abmessungen beim Strahler und beim Direktor 1 notwendig.

 

Tabelle 4: Längen für die gestockte 5-Element-2-m-Yagi mit 1,40 m Boom und 56 Ohm Impedanz

Element

Position

8 mm

6 mm

4 mm

3,2 mm

2,4 mm

Reflektor

0 mm

1024 mm

1028 mm

1031 mm

1032 mm

1034 mm

Radiator

295 mm

995 mm

1012 mm

1008 mm

1012 mm (4 mm)

1014 mm (4 mm)

Direktor 1

425 mm

945 mm

957 mm

962 mm

968 mm

973 mm

Direktor 2

890 mm

939 mm

946 mm

954 mm

959 mm

964 mm

Direktor 3

1380mm

911 mm

920 mm

930 mm

936 mm

942 mm

Etwas anders fällt die Korrektur für die 6-Element-Yagi aus. Dazu muss man wissen, dass die Entfernung zwischen Strahler und Direktor 1 entscheidend für die Impedanz der Antenne ist. Ein kleinerer Abstand vergrößert diese, bei weiterem Abstand sinkt sie ab. Gleichzeitig wird aber auch der komplexe Anteil am Strahlungswiderstand beeinflusst. Bei dieser Yagi tritt aber der Sonderfall auf, dass ein geringfügiges Verschieben von Direktor 1 ausreicht, um auf eine Impedanz von 56 +/- j 0 Ohm zu kommen. Weitere Längenänderungen an den Elementen sind dazu nicht notwendig.

Man kann daher die Yagis einzeln mit einem 50.Ohm-Speisekabel ausmessen und dann durch Verkleinern des Abstandes von D 1 zum Strahler um ca. 15 mm die Impedanz auf 56 Ohm ein-stellen. Der Stockungsabstand sollte für die 6-Element-Yagi 2,70 m betragen.

Herstellen und Ausmessen der Stockungskabel

Zum Wickeln der Speisedrosseln ist Kabel mit einem Voll-PE-Dielektrikum besser geeignet als solches mit einem Luftanteil und Schaum-PE. Im einfachsten Fall nimmt man dazu eine gute Ausführung des RG59, bei den Musterantennen wurde eine etwas dickere und dämpfungsärme Variante eines doppelt geschirmten Kabels vom Typ RG62 mit 6,5 mm Außendurchmesser eingesetzt.

Bei einem Verkürzungsfaktor V=0,667 ergeben sich damit Längen für die 5/4-lambda-Stücke von jeweils 172,5 cm, bezogen auf die Außenabschirmung. Dabei wird eine Länge von etwa 45 cm als 5 Windungen auf einem 25-mm-Isolierrohr als Drossel aufgebracht. Es empfiehlt sich auf jeden Fall, die Funktion des Kabels vorher auszumessen, um bei eventuell schlechtem SWR diese als Fehlerquelle ausschließen zu können. Dazu genügt ein einfaches Handfunkgerät, eventuell im Frequenzbereich erweitert auf 140-150 MHz und ein UKW-taugliches Stehwellenmessgerät.

Anstelle der Antennen werden an jeder Drossel induktionsarme Metalloxid- Schichtwider-stände von 56 Ohm angelötet (Bild 11) und das SWR- Minimum gemessen. Sollte es nicht bei 144,3 MHz liegen, müssen die Kabel- längen entsprechend korrigiert werden. In Bild 12 sieht man das Innere der Anschlussdose mit den beiden zusammengeführten Stockungskabeln.

Die Eigenschaften eines mit einem vektoriellen Antennenanalyzer [11] ausgemessenen Stockungskabels mit den beiden Abschlusswiderständen sind in Bild 13 zu erkennen. Dort sind Wirk- und Blindwiderstände des für den unteren Bandabschnitt zugeschnittenen Kabels im Bereich 144-146 MHz aufgeführt, für das gesamte 2-m-Band ergibt sich so noch ein SWR von <1,1.

Im Normalfall erübrigt sich ein Abgleich der Antennen. Sollte sich aber wider Erwarten ein Fehler eingeschlichen haben, kann man auch auf einer Seite die Antenne durch den Abschlusswiderstand von 56 W ersetzten und so nur eine Yagi überprüfen.

Die Diagramme der gestockten Zweiergruppen zeigen zwar deutlich ausgeprägte Nebenkeulen, aber eine starke Verringerung des vertikalen Öffnungswinkles (Bilder 14 und 15). Die Gewinne sind ohne Berücksichtigung der Stockungsverluste angegeben, hiervon muss man in der Praxis 0,2-0,3 dB abziehen.

Praktische Erfahrungen

Vorsichtshalber wurden die Strahler für einen möglichen Abgleich gegenüber den Rechenwerten auf jeder Seite etwas länger gelassen. Mit einem Zuschlag von 2x 2 mm stimmen so offensichtlich die notwendigen Maße. Aus diesem Grund wurde von einer weiteren Korrektur abgesehen, weil sich mit der 5-Element-Gruppe bei 144,700 MHz exakt ein Strahlungswiderstand von 49,8 +/- j 0 Ohm mit einem SWR von 1,0 einstellte (Bild 16).

Dies entspricht einer Rückflussdämpfung von >50 dB, was für eine Amateurfunkanlage einen exzellenten Wert darstellt. Als Speisekabel wurde dazu ein 4,3 m langes Stück Aircell-7 verwendet, was elektrisch einer Länge von 2,5 l entspricht. Damit werden transformierende Eigenschaften des Koaxkabels ausgeschlossen und man misst ziemlich genau den tatsächlichen Impedanzwert am Fußpunkt der Antenne. Weitere Veränderungen können das Ergebnis eigentlich nur verschlimmbessern. Dies Beispiel zeigt, wie gut bei korrekter Hand-habung des EZNEC-Programms die Theorie mit der Praxis übereinstimmt. Die Abweichung von 400 KHz ist dem rechnerisch nicht erfassbaren Einfluss von Drossel und Koaxkabel im Strahlungszentrum der Antennen zuzuschreiben.

Mit einer BEKO-MOSFET-PA wurde beim Marconi-Kontest 2009 versuchsweise eine Leistung von 600 Watt HF eingesetzt, die die Antennenanlage mit zwei gestockten 56-Ohm-Yagis problemlos verkraftete (Bild 17). Die obere Belastungsgrenze wurde vorsichtshalber nicht ausgelotet. Vergleichbare Stockungskabel mit RG59 für zwei Antennen lassen sich mit 500 Watt in SSB/CW betreiben.

Mehrfache Portabeleinsätze in den vergangenen Jahren mit der 2x6-Element-Yagigruppe (Bild 18) dokumentieren deutlich die Leistungsfähigkeit der Leichtbau-Antennen.

In der Praxis macht sich der relativ große horizontale Öffnungswinkel der Zweiergruppen sehr angenehm bemerkbar. Beim minimalen Gewicht der Antennen sind auch Vierergruppen gut realisierbar, womit man schon kontesttaugliche Eigenschaften erwarten kann.

Literatur- und Quellenangaben:

[1] Steyer, M. (DK7ZB): Leichtgewichtige UKW-Antennen für SOTA und BBT, CQ-DL (78) 2007 H. 4, S. 269-271

[2] Steyer, M. (DK7ZB): Praktische Ausführung leichter UKW-Yagis, CQ-DL (78) 2007 H. 5, S. 332-335

[3] Steyer, M. (DK7ZB): Leichtbau-Yagis für UKW, 52. Weinheimer UKW-Tagung 2007, Scriptum der Vorträge, S. 17.1-17.8

[4] Steyer, M. (DK7ZB): Leichtbau-Yagis für UKW, FUNKAMATEUR 57 (2008) H. 1, S. 64-67

[5] Hoch, G. (DL6WU): Wirkungsweise und optimale Dimensionierung von Yagi- Antennen, UKW-Berichte 17 (1977), Heft 1, S. 27

[6] Hoch, G. (DL6WU): Mehr Gewinn mit Yagi-Antennen, UKW-Berichte 18 (1978), Heft 1, S. 2  

[7]: Programm EZNEC+ Ver. 5.0.23 von Roy Lewallen (W7EL), P.O.Box 6658, Beaverton, OR 97007, USA  (e-Mail w7el@eznec.com), http://www.eznec.com

[8] PC-Programm "YO" (Versionen 6.5 und  7.2) von Brian Beezley (K6STI), Linda Vista Drive, San Marcos, CA 92069, USA

[9] Fa. Attila Kocis Kommunikationstechnik, Tulpenweg 3, 96269 Großheirath, http://nuxcom.de

[10] Homepage DK7ZB, www.mydarc.de/dk7zb oder www.dk7zb.com

[11] Graubner, N: (DL1SNG): Vektorieller Antennen-Analysator als Handgerät im Selbstbau, FUNKAMATEUR 56 (2007) H. 3, S. 282-285, H. 4, S. 396-399, H. 5, S. 506-507, Bausatz über www.funkamateur.de (Online-Shop)