5- und 6-Element-Yagis DK7ZB

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-W-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 W	8,2 dBd	> 23 dB	50,8°	64,6°	-
2x 5-El. 56 W	11 dBd	> 20 dB	51,0°	26,6°	2,10 m
6-El. 50 W	10,2 dBd	20 dB	43,6°	50,8°	-
2x 6-El. 56 W	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.

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 W 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 W 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	998 mm	906 mm	919 mm	924 mm	931 mm
Direktor 4	2480 mm	998 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.

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-l, bzw. 7/4-l eingesetzt. Deren Transformationswirkung wird zu einer reflexionsfreien Anpassung beider Antennen an das Speisekabel von 50 W 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 W für jedes Kabel anliegt, muss der Strahlungswiderstand jeder Antenne 56 W betragen. Durch die Parallelschaltung ergeben sich dann die gewünschten 50 W. 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 W, 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 W 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 W zu kommen. Weitere Längenänderungen an den Elementen sind dazu nicht notwendig.

Man kann daher die Yagis einzeln mit einem 50-W-Speisekabel ausmessen und dann durch Verkleinern des Abstandes von D 1 zum Strahler um ca. 15 mm die Impedanz auf 56 W 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-l-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.

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 ver-wendet, was elektrisch einer Länge von 2,5 l entspricht. Damit werden transformierende Eigenschaften des Koaxkabels ausgeschlossen und man misst ziemlich genau den tatsäch-lichen 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-W-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.org

[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)