Konstruktionsprinzipien für UKW-Hochgewinn-Yagi-Antennen  

Nachbau von beschriebenen Yagi-Antennen ist ein Kapitel, zu dem sicher viele Amateure etwas berichten können. Seien es positive Erfahrungen, aber sicher gehören auch Mißerfolge dazu. Nun gehören zu einer guten Baubeschreibung nicht nur exakte Angaben für Elementdurchmesser und -befestigung. Man sollte auch in der Lage sein, Veränderungen vornehmen zu können, bzw. deren Folgen abschätzen können. Legenden über Wunderantennen mit utopischen Gewinnen gehören dazu, leider sieht die Praxis wesentlich ernüchternder aus. Dieser Beitrag soll dazu dienen, daß alles etwas realistischer gesehen wird.

Geschichtliche Entwicklungen im Amateurbereich

 Yagi-Antennen sind bei Funkamateuren seit den 50er Jahren eng verbunden mit der Nutzung der beiden Bänder 2m und 70cm, dann kamen auch noch SHF-Bänder hinzu. Bis vor etwa 20 Jahren waren homogene Yagis Standard. Bei diesen sind die Abstände und Längen der Direktoren gleich. Sie wurden 1958 gut untersucht [1] und erreichen nicht den maximal möglichen Gewinn, ihr Richtdiagramm ist ebenfalls nicht optimal.

 Günter Hoch (DL6WU) machte sich dann Mitte der 70er mit umfangreichen Experimenten die Mühe, inhomogene Yagis zu untersuchen und ausführlich die Ergebnisse zu dokumentieren [2, 3]. Bei diesen werden die Direktoren stufenweise verkürzt und gleichzeitig wird ihr Abstand zunehmend bis ca. 0,4Lambda gestaffelt. Eine ganze Generation Funkamateure profitierte von den Ergebnissen, ich selbst habe mit gutem Erfolg viele Yagis für 2m, 70cm und 6m nach den DL6WU-Dimensionierungsregeln gebaut, die auf Anhieb einwandfrei funktionierten. Auch der Einfluß der Elementmontage, bis dahin ein recht unklares Kapitel, wurde jetzt deutlicher. Die Antennen waren so konzipiert, daß sie ab etwa 2Lambda Länge nach jedem Element abgeschnitten werden konnten und dabei immer brauchbare Ergebnisse lieferten. Auf Verbesserungsmöglichkeiten hat DL6WU damals schon hingewiesen, z.B. in der Endzone (s.u.).  

Umfangreiche Experimente mit inhomogenen Yagis, deren zusammenfassende Ergebnisse in [4] festgehalten sind, führte auch DL2RSX (ex Y23RD) durch. Blieb die Analyse von Yagis mit dem Computer zunächst den Profis vorbehalten, ergab sich mit NEC-II die Möglichkeit, die Eigenschaften von Antennen und Veränderungen an diesen rechnerisch zu erfassen. Mit dieser Hilfe wurden die DL6WU-Yagis von DJ9BV [5] 1990 weiterentwickelt, er behielt aber den 200/50Ohm-Faltdipol als Erreger bei. Daß die Computer-Optimierung realistisch ist, zeigen zahlreiche EME-Gruppen, die mit DJ9BV-Yagis arbeiten.  

Heute ist es auch auf einem schnellen PC möglich, mit an NEC-II geeichten Programmen Yagis zu untersuchen, bzw. zu konstruieren (s.u.). Damit ist eine weitere, geringfügige Verbesserung möglich, allerdings muß für jede Boomlänge neu optimiert werden. Auffällig ist dabei, daß man bei sehr langen Yagis mit deutlich weniger Elementen auskommt als bisher angenommen. Solche computeroptimierten Yagis haben ihre Leistungsfähigkeit inzwischen klar unter Beweis gestellt (s. Tabelle 1) und sind bei EME-DXern im Einsatz.   Deutlich muß aber darauf hingewiesen werden, daß ohne die aufwendige experimentelle Vorarbeit vieler Amateure die PC-Optimierung nicht möglich wäre! Eine Kontrolle, ob die Daten in der Praxis eingehalten werden, ist trotzdem unerläßlich.  

Die verschiedenen Zonen bei Langyagi-Antennen

Grundsätzlich kann man vier verschiedenen Zonen bei Langyagi-Antennen unterscheiden. Sie sind nicht klar abgegrenzt, sondern gehen ineinander über. Bild 1 zeigt die Zusammenhänge am Beispiel einer 12El.-Yagi für das 2m-Band mit den Abmessungen. Dabei sind die Parasitärelemente aus 10x1mm-Alurohr, der Strahler ist ein gestreckter Dipol mit 12mm Durchmesser und 28Ohm-Anpaßtechnik nach [6].  

Die Erregerzone (1) umfaßt den Strahler, den Reflektor und die ersten beiden Direktoren. Sie beeinflußt entscheidend die Impedanz des Strahlers, der eigentlich besser „Erreger“ heißen sollte, denn die Strahlung sollte ja am Antennenende in den Freiraum austreten. er Reflektor ist länger als der Strahler, er hat damit einen induktiven Blindanteil (+J). Im Reflektor wird eine phasenverschobene Spannung induziert, die im Idealfall um 180Grad verschoben und amplitudengleich sein müßte, um vollständige Unterdrückung der Strahlung im rückwärtigen Bereich der Antenne zu erzielen. Diese Bedingung ist mit parasitären Elementen grundsätzlich nicht zu erreichen, man kann aber versuchen, diesem Ziel möglichst nahe zu kommen.

 Die Übergangszone (2) koppelt das Wellenleitersystem, dessen Länge über den Gewinn der Yagi entscheidet, an die Erregerzone an. Dabei werden die Direktoren zunehmend kürzer (kapazitiver Blindanteil, -J) und ihr Abstand zueinander wird größer. Hier wurden in der Vergangenheit meist zu viele Elemente mit zu geringen Abständen eingefügt. Als Folge ergaben sich Sprünge im Stromprofil, die schlechte Richtdiagramme zur Folge haben. In den letzten Jahren verwendet man zunehmend weniger Elemente bei gleichem oder sogar größerem Gewinn (vergl. Tabelle 1).  

Die Wellenleiterzone (3) entscheidet über den Gewinn. Da Yagi-Antennen Längsstrahler sind, ist er ausschließlich proportional zur Länge. Voraussetzung ist dabei eine optimale Staffelung der Elemente. Hieraus ergibt sich auch zwingend, daß andere Elementgeometrien (Quad, Loop) mit zunehmender Antennenlänge gegenüber dem Yagi-Prinzip keinerlei Verbesserung bringen und bei mehr als 2 Elementen eine absolute Materialverschwendung darstellen, auch wenn immer wieder lange Antennen mit Ganzwellenelementen propagiert wurden.  

Die Endzone (4), bestehend aus dem letzten und vorletzten Direktor, ist dafür verantwortlich, daß die Welle möglichst ohne Reflektion in den Freiraum austritt. Dies erreicht man dadurch, daß  der letzte Direktor (eventuell auch noch weitere) im Abstand wieder etwas näher gesetzt wird und gegenüber den anderen etwas stärker verkürzt wird. Schon DL6WU hat darauf hingewiesen, daß Verbesserungen in diesem Bereich durchaus lohnend für die Gesamteigenschaften der Antenne sind. So kann man den Feinabgleich auf minimales SWR am Antennenende vornehmen [3, 9], ein zunächst paradox erscheinendes Verfahren, das aber bei Kenntnis der geschilderten Vorgänge verständlich wird.

 Die Strombelegung der Elemente

 Hierdurch wird auch der maximale Abstand der Direktoren in der Wellenleiterzone bestimmt, der 0,45Lambda nicht überschreiten darf. Durch eine stufenweise Verkürzung der Direktoren bei gleichzeitiger Zunahme des Abstandes bleibt man länger im Bereich der optimalen Laufzeitverzögerung als bei homogenenen Yagis und erzielt so höhere Gewinne (DL6WU-Prinzip) und weniger Nebenzipfel [2, 3]. Allerdings kommt man so in das Dilemma, daß bei stetiger Verkürzung und durch die auftretende starke Phasenverschiebung am Antennenende kaum noch Ströme fließen. Man begegnet dem beschriebenen Effekt in gewissen Grenzen, wenn man in der Wellenleiterzone wieder etwas längere Direktoren einfügt und dadurch ein schnelles Absinken der Ströme verhindert.  

Bild 3 am Beispiel der DK7ZB-12OPT zeigt den  Verlauf der Elementströme, die sich bei konsequenter Umsetzung der beschriebenen Konstruktionsregeln einstellen. Negatives Gegenbeispiel stellen verschiedene in DL angebotene Yagis dar, die starke Sprünge im Stromprofil besitzen und möglicherweise durch Umrechnen aus Fernsehantennen entstanden sind. Die Ursache ist eine zu dichte Elementbelegung, die Folgen sind schlechte Richtdiagramme und ein niedrigerer Gewinn als angegeben wird.  

Die Entwurfsfrequenz

 Unterhalb der Entwurfsfrequenz werden die Direktoren im Verhältnis zur Frequenz immer kürzer, behalten aber ihre Wirkung bei reduziertem Gewinn noch bei. Daraus leitet sich die Tatsache ab, daß die nutzbare Bandbreite einer Yagi bei richtiger Konzeption relativ groß ist, sich aber weitgehend auf die Frequenzen unterhalb des Maximums bezieht.  

Deutlich muß noch festgehalten werden, daß die berechneten Werte sich nicht wie bei vielen anderen computergestützt berechneten Yagis auf Maße mit Zehntel-mm beziehen. Es wurden die tatsächlich abgeschnittenen Elementlängen auf ganze mm gerundet und die Elementabstände auf Vielfache von 5mm-Intervallen, die wesentlich praxisorientierter sind, festgelegt. Dies ist bei eventuellen Vergleichen zu beachten!    

Das G/T-Verhältnis

Jede Yagiantenne weist neben der Hauptstrahlungskeule auch im rückwärtigen und seitlichen Bereich Strahlungsanteile auf, die sinnvollerweise weitmöglichst reduziert werden sollten. Charakteristisch sind zwei Nebenkeulen in einem Abstand von ca. 60 Grad links und rechts neben der Hauptkeule. Die Anzahl der Nebenkeulen im vorderen und hinteren Bereich der Antenne steigt mit der Elementezahl, bei kurzen Yagis mit 3 oder 4 Elementen tritt dieser Effekt noch nicht in Erscheinung.  

In der Flächendarstellung sieht dies meist nicht dramatisch aus. Man muß sich aber klar machen, daß eine Nebenkeule räumlich eine erhebliche Ausdehnung haben kann, da sie sich rund um den Paraboloid der Hauptkeule befindet. Damit kann ein merklicher Strahlungsanteil in unerwünschte Richtungen verloren gehen. Aus diesem Grund sollte man der Strahlungscharakteristik der Antenne einige Aufmerksamkeit schenken und eine Reduzierung der unerwünschten Nebenzipfel anstreben.  

In der Vergangenheit wurde meist nur die Rückwärtsstrahlung bei 180 Grad des Strahlungsdiagrammes angegeben. Dieser Wert ist als V/R-Verhältnis (Vor-/Rück-Verhältnis) bekannt, englisch F/B-Ratio (Front/Back). In der amerikanischen ARRL-Literatur hat sich ein anderer, aussagekräftigerer Wert durchgesetzt: Das F/R-Verhältnis (Front-/Rear), welches den gesamten Bereich zwischen 90 und 270 Grad enthält. Dabei werden auch die unvermeidbaren Nebenzipfel erfaßt, die u.U. erheblich sein können und bei der Angabe  F/B unter den Tisch fallen.  

Hierzu gibt es noch einen weiteren, in der speziellen Literatur zu findenden Wert, der als G/T-Verhältnis (Gain/Temperature) bezeichnet wird. Alle Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts (-273 Grad Celsius = 0 Kelvin) rauschen, d.h. sie geben Strahlungsanteile ab, die über einen weiten Frequenzbereich nachweisbar sind. Dieses Rauschen wird z.B. durch den warmen Erdboden verursacht. Es kann bei hochempfindlichen Empfangsanlagen (EME!) zu deutlichen Empfindlichkeitseinbußen führen, wenn die Antennenanlage auf den „kalten“ Himmel gerichtet wird und durch schlechte Nebenzipfel- oder Rückdämpfung Rauschanteile aufnimmt.  

Das Verhältnis aus dem Vorwärtsgewinn zu der über die Neben- und Rückzipfel aufgenommenen Rauschleistung, die ja schwache Empfangssignale zudecken können, wird als G/T bezeichnet und ist ein gutes Maß für die Qualität einer Antenne. Dabei steigt der G/T-Wert logischerweise mit zunehmender Antennenlänge, da ja die Öffnungswinkel immer kleiner werden. Ab ca. 6 Lambda bei einer Einzelyagi ist ist mit einem positiven G/T bei einer Vierergruppe zu rechnen.

Grundsätzlich kann man mit zwei Extremen zu einem guten G/T kommen: Entweder man optimiert auf maximale Vorwärtsstrahlung bei noch tragbaren Nebenzipfeln (z.B. SM5BSZ-Yagis nach [8]) oder man reduziert die Nebenzipfel sehr stark, bekommt aber weniger Gewinn. Für EME ist also die Antenne mit dem höchsten Gewinn keineswegs automatisch die beste Antenne!  

Wichtig ist es zu wissen, daß beim Zusammenschalten von Yagis zu Gruppen die Nebenkeulen eine erhebliche Zunahme erfahren können. Daher ist es angebracht, von Anfang an auf ein sauberes Strahlungsdiagramm hinzuarbeiten.  

Die minimale Standardausrüstung für EME-Anlagen besteht aus einer Vierergruppe von Langyagis in einer H-Anordnung. Aus diesem Grund hat sich ein bekannter EME-DXer (VE7BQH) die Mühe gemacht, für viel verwendete und renommierte 2m- Antennen das G/T-Verhältnis zu bestimmen, bzw. die Stockungsabstände für optimales G/T zu berechnen (Tabelle 1).  

Die Antennen DK7ZB 9, 10, 12, 14 entsprechen denen, die im FUNKAMATEUR schon vorgestellt wurden [6]. Besonders die hier zugrundegelegte DK7ZB-12 OPT mit 8,0m-Boom stellt für eine Hochleistungsgruppe (aber auch als Einzelantenne) eine empfehlenswerte Wahl dar.  

Wenn Sie andere Antennen, die in DL verkauft werden, hier nicht finden, so kann es daran liegen, daß man über deren tatsächliche Eigenschaften besser das Mäntelchen des Schweigens decken sollte...  

Der mögliche Gewinn

 Hier ist der Zusammenhang ziemlich eindeutig. Bei der Voraussetzung, daß eine optimale Elementbelegung des Booms vorliegt, ist der Gewinn ausschließlich proportional der absoluten Antennenlänge. Ab etwa 1,5Lambda Länge läßt sich eine Formel von Tom Ring (WA2PHW) anwenden [12], die sich durch dessen Analyse vieler Hochgewinn-Langyagis ergeben hat und für Yagis ab etwa 1,5Lambda Länge gilt:  

                     G = 10 * log(5,4075 * B + 4,25)

 Dabei ergibt sich der Gewinn G in dBd, B ist die Boomlänge, ausgedrückt in Wellenlängen Lambda. Bei sehr langen Yagis sind u.U. 0,2-0,3dB mehr herauszuholen. Jeder Amateur kann so nachprüfen, ob seine gekaufte Antenne theoretisch überhaupt den angegebenen Gewinn erreichen kann. In der Praxis ist er dann immer niedriger, als man erhofft hat...  

Einfluß von Elementdurchmesser und - material

 Jedes Element stellt einen Schwingkreis mit einer bestimmten Resonanzfrequenz dar. Interessant ist dabei, daß innerhalb des Antennensystems durch die vorhandenen Interaktionen kein einziges Element für sich betrachtet auf der Betriebsfrequenz resonant ist, auch nicht der Strahler!

Verbreitete Meinung ist, daß ein dünnes Element mit einem hohen L/C-Verhältnis eine hohe Güte besäße und deswegen mehr Gewinn zu erzielen sei als bei dickeren Elementen mit einem niedrigeren LC-Verhältnis. Theoretisch ist das richtig, dabei werden aber zwei Dinge nicht beachtet, deren Einfluß im UKW- Bereich überwiegt: Der Skin-Effekt und ohmsche Verluste. Vergleichbar ist das mit einer Spule, die mit einem Kondensator zu einem Schwingkreis verbunden wird. Ein hohes L/C-Verhältnis sollte in der Theorie erreicht werden, wenn man keine parallel geschaltete, getrennte Kapazität einsetzt, sondern nur die Eigenkapazität nutzt. Die damit erhöhte Windungszahl führt aber zu überproportional hohen Verlusten in der Spule und stellt keineswegs eine brauchbare Alternative dar!  

Was bedeutet das nun für die Praxis? Schon auf 2m und erst recht auf den höheren Frequenzen stellen Elemente mit 8mm oder 10mm Durchmesser eine bessere ahl als dünnere dar. Sie haben eine größere Bandbreite (unkritischer bezüglich mechanischer Toleranzen!) und führen zu geringfügig höheren Gewinnen als dünnere Elemente. Die Eindringtiefe auf 145MHz beträgt für die HF nur 40um, was deutlich macht, warum größere Durchmesser und hochleitfähige Materialien gefordert sind. Hier kommt man naturgemäß in einen Konflikt mit Forderungen nach mechanischer Stabilität des Booms und der Windlast. Zwei Faustregeln lassen sich als Kompromiß formulieren:  

1. Als Elementmaterial kommt nur Aluminium in Frage. Besser wären Kupfer oder    Silber, aber beide sind aus Gewichts- und Kostengründen wohl kaum zu  realisieren. Denkbar ungeeignet, obwohl korrosionsfest, ist   Edelstahl [7, 12].  

2. Kleinster Elementdurchmesser bei Langyagis als Kompromiß für niedrige  Windlast sollte 4mm sein, dabei lassen sich handelsübliche Aluminium-  Schweißstäbe verwenden.  

Grundsätzlich gilt, daß ein dünneres Element verlängert werden muß, um die gleiche Resonanz wie ein dickeres zu erzielen. Diese Tatsache ist allgemein bekannt. Meist nicht so beachtet wird ein weiterer Effekt: Die Reaktanz eines Elementes beeinflußt entscheidend dessen Verhältnis von Durchmesser zu Länge. Reaktanzmäßig unverstimmte Elemente, bzw. die mit induktiven Blindanteilen (Strahler und Reflektor) werden durch Durchmesseränderungen weniger stark beeinflußt als die mit hohen kapazitiven Blindanteilen (Direktoren).  

Die Folge ist, daß mit abnehmender Direktorlänge und mit Zunahme des kapazitiven Blindanteils ein größerer Korrekturfaktor beim Übergang auf dünnere Elemente berücksichtigt werden muß. Mit einfacher, linearer Umrechnung kommt man so nie auf den möglichen Gewinn und optimierte Strahlungsdiagramme!

  Elementbefestigung

 Hier kommen wir zum heikelsten Kapitel in der Amateurpraxis. Alle Umrechnungsformeln, die für metallisch leitende oder auch isoliert den Boom durchdringende Befestigung angegeben werden, sind sehr ungenau. Wenn man ein Element leitend durch den Boom befestigt, so verringert sich die Induktivität in dem Stück, das das Tragrohr durchdringt. Einfacher ausgedrückt, das Element wird zum Teil kurzgeschlossen. Dieser Effekt wird von der Reaktanz und den in den Elementen fließenden Strömen beeinflußt. Genauer betrachtet hängt er von der Stärke der dort auftretenden magnetischen Feldkomponente ab [9].

Ein Boom aus Vollmaterial führt zu einem Wert von Null, es stellt sich ein direkter Kurzschluß ein. Bei einem hohlen Tragrohr beeinflussen der Innendurchmesser des Boomrohres und der Lochdurchmesser den Verkürzungsfaktor, wobei es keine linearen Abhängigkeiten für alle Elemente gibt. Auf 2m spielen diese Faktoren eine untergeordnete Rolle, auf dem 70cm-Band und erst recht noch höher kommt der Berücksichtigung dieser Tatsache eine entscheidende Bedeutung zu. Hier dürfte einer der Gründe zu suchen sein, warum die gemessenen Richtdiagramme bei 23cm- oder 13cm-Yagis immer schlechter sind als die vergleichbarer Yagis auf niedrigeren Frequenzen. Nach dem Reziprozitätsgesetz dürfte das eigentlich nicht der Fall sein.  

Um diesen kaum berechenbaren Einflüssen, bzw. langwierigen Experimenten zu entgehen, bin ich zur isolierten Befestigung der Elemente zurückgekehrt, die eindeutigere Bedingungen zuläßt. Benutzt man Elemente mit 10mm Durchmesser und handelsüblichen Befestigungshaltern [13], so führen auch geringfügige Abweichungen bei richtig konzipierten Hochgewinnyagis nicht zu Mißerfolgen.  

Computer-Optimierung

 Grundlage ist der NEC-Standard (Numerical Electromagnetics Code) des amerikanischen Lawrence Livermore National Laboratory. Inzwischen gibt es relativ preiswerte Programme, die am NEC-Standard geeicht sind und erstaunlich genaue Resultate liefern. Die auf einer abgespeckten MININEC-Variante basierenden älteren Programme sind für Yagis relativ ungenau.  

Dabei werden Elemente und Abstände in n-dimensionale Vektoren zerlegt und diese berechnet. Da hierzu u.U. zehntausende von komplizierten Rechenschritten notwendig sind, ist es erst seit einigen Jahren mit der rasanten Entwicklung auf dem PC-Sektor möglich, für Amateure entsprechende Programme einzusetzen.  

Vor dem unkritischen Einsatz von selbstoptimierenden Programmen sei gewarnt: Man muß schon selbst Erfahrung und Wissen über Yagi-Antennen einbringen, um zu erkennen, ob das gefundenen Optimierungsergebnis realistisch ist.  

Die Situation ist mit folgender Analogie deutlich zu machen: Ein Yagi- Optimierungsprogramm hat dieselbe Situation wie ein Wanderer auf einer hügeligen Hochfläche. Man kann jeweils aus einer Senke heraus den nächsten, erkennbar höchsten Hügel erklimmen. Ist man oben, findet man aber durchaus weitere Hügel, die höher sind. Computeralgorithmen sind sehr wohl in der Lage, den jeweils höchsten Punkt der Umgebung zu finden. Rechenprogramme können aber nicht zielgerichtet den gefundenen „Hügel“ verlassen, um durch ein „Tal“ einen höheren „Hügel“ zu erreichen.  

Optimiert werden kann jeweils auf einzelne Parameter oder auf einen Kompromiß zwischen verschiedenen Faktoren. Angewendet wird zum Optimieren eine „Evolutions“-Strategie: Kleine Veränderungen von Elementlängen und -abständen werden simuliert. Dann wird eine neue Berechnung durchgeführt. Ist das Ergebnis besser als vorher, wird weitergerechnet. Bei schlechteren Werten wird die eingeschlagenen Richtung verworfen. Mit dieser Methode kommt man auch bei hochkomplexen Zusammenhängen mit einer überschaubaren Anzahl von Schritten zu brauchbaren Ergebnissen.  

Am Anfang muß aber immer schon ein vernünftiges Design stehen. Es gibt kein Programm, das auf Knopfdruck eine optimale n-Element-Yagi für einen beliebigen Frequenzbereich liefert. Eine gewisse Ausnahme ist die „Brute-Force-Methode“, die zu einer gegebenen Boomlänge immer eine Yagi mit maximalem Gewinn ohne Berücksichtigung der übrigen Parameter findet [8]. Diese Methode ist konvergent, solange im Ausgangsdesign die richtige Anzahl an Direktoren vorgegeben wurde. Dabei können überflüssige Direktoren des Ausgangsdesigns entfernt werden, aber keine zusätzlichen eingefügt werden. Die Ergebnisse führen allerdings zu in der Praxis kaum realisierungswürdigen Entwürfen, da sich ein Strahlungswiderstand <10Ohm einstellt.

  Konstruktionsprinzipien für die Praxis

  Ein Dipol hat im Freiraum je nach Schlankheitsgrad 50-70Ohm Strahlungswiderstand. Fügt man Reflektoren und Direktoren hinzu, so wird durch Phasenverschiebung in den Parasitärelementen eine Richtwirkung erzielt. Zwangsläufig hat das starke Rückwirkungen auf den Strahler, der dadurch einen Blindanteil (Reaktanz) und eine Änderung des ohmschen Anteils erhält. Den Blindanteil kann man kompensieren. Bei -j (kapazitiv) wird der Strahler verlängert, bei +j (induktiv) muß er verkürzt werden. Dies wiederum hat Rückwirkungen auf die Parasitärelemente zur Folge, das Spiel beginnt von vorn. Am Ende der Optimierung auf Gewinn, Bandbreite, Rückdämpfung und wenig Nebenzipfel (G/T- Verhältnis) ist der ohmsche Strahlungswiderstand immer kleiner als 50Ohm!  

Die beste Rückdämpfung erzielt man mit einem relativ dichten Abstand des Reflektors, dabei sinkt aber der Strahlungswiderstand des Erregers deutlich ab. Dies ist einer der Gründe, warum ein niedrigerer Strahlungswiderstand als 50Ohm bessere Richtdiagramme ergibt. Ein weiterer liegt darin, daß zum Anheben des Strahlungswiderstandes für eine übliche 50/200-Ohm-Anpassung mit einem Faltdipol der erste Direktor sehr nahe am Strahler liegen muß. Als Folge gibt es einen Sprung im Stromprofil (s.o), der zu schlechterem Richtdiagramm führt.

Geht man mit dem Strahlungswiderstand sehr weit nach unten, steigt zwar der Gewinn, aber bei deutlich reduzierter Bandbreite und schlechtem V/R- Verhältnis. Zudem können dabei die Verluste dramatisch zunehmen. Dies sind die Gründe, warum 25-30Ohm zum meiner Meinung nach besten Kompromiß zwischen Gewinn, Bandbreite und Richtdiagramm führen. Konsequenterweise wurde dafür eine neue Anpaßtechnik mit 28Ohm für 2m-Yagis entwickelt [6]. Die resultierenden Antennen sind trotz hoher Gewinne noch nicht sehr kritisch bezüglich der Toleranzen beim Nachbau, so daß alle Nachbauer bisher die propagierten Eigenschaften erreicht haben.  

Konstruktion von langen Tragrohren

  Mit Amateurmitteln stabile Tragrohrkonstruktionen zu erreichen ist nicht einfach, zumal dabei Masse und Windlast sehr schnell zunehmen können. Üblich sind Unterzüge oder Abspannungen nach oben, die aber horizontale Schwingungen bei Windböen nicht ganz vermeiden können und bei mir schon zum Bruch des Booms in seitlicher Richtung geführt haben.  

Auch hierzu soll noch ein praktischer Lösungsvorschlag gemacht werden, der zu extrem leichten, aber stabilen Konstruktionen führt. Ein Vierkantboom mit 20x20x1,5mm wird aus zwei Stücken a 4m zusammengesetzt. Mit vier Kevlarseilen [14] wird dann ein Spanngerüst mit Hilfe eines GFK-Rohres erstellt, das direkt unterhalb der Antennenebene quer am Haltemast befestigt ist. In der horizontalen Aufsicht zeigt das Bild 12, entsprechend werden auch zwei Seile für die vertikale Abspannung eingesetzt, die sich am Haltemast unterhalb der Antenne und am nach oben verlängerten Rohr befindet (Bild 13).  

Kevlarseile sind leicht, nichtleitend und besitzen eine hohe Zugfestigkeit. Da die Längenveränderung bei Temperaturschwankungen minimal ist, kann man so eine außerordentlich stabile Antenne bei geringster Masse erhalten. Auch vertikales Schwenken (EME!) führt nicht zum Verwinden, da die Stabilität erhalten bleibt.  

Antennenmessungen

  Bei Kenntnis der behandelten Tatsachen läßt sich auch mit Amateurmitteln experimentell überprüfen, ob die Zusammenhänge, wie sie oben geschildert wurden, zutreffen. Das Messen des absoluten Gewinns ist für den Amateur kaum mit ausreichender Genauigkeit möglich. Eine geeignete Methode zum Vergleich von Antennen, bzw. um festzustellen, wie sich Veränderungen im Antennensystem auswirken, zeigt Bild 10.  

  Dazu wird eine stark bündelnde Yagi als Sendeantenne (zum Vermeiden von Erdbodenreflexionen) mit einer Leistung von 50-100Watt HF gespeist. In einer Entfernung von 50-100m wird die zu vermessende Yagi als Empfangsantenne betrieben. Um Fehler durch Unlinearitäten in Empfängern zu vermeiden, messe ich direkt mit einem selbstgebauten Meßkopf  (Bild 11) passiv die Empfangsspannung mit einem hochohmigen Digitalvoltmeter. Liegt eine kleine Senke zwischen den Meßorten, lassen sich Bodenreflexionen weiter reduzieren, aber auch über geraden Flächen dürfte die Genauigkeit ausreichend sein. R ist dabei ein induktionsarmer Metallwiderstand (50Ohm), D ist eine Schottkydiode.  

Der naheliegende Gedanke, einen Dipol direkt als Vergleichsantenne zu verwenden, führt durch die aufgenommenen Reflexionen zu falschen Messungen. Wenn eine Vergleichsantenne mit bekanntem Gewinn zur Verfügung stehen würde, könnten auch absolute Ergebnisse erwartet werden.  

Ausreichend genau lassen sich so SWR, Strahlungsdiagramm und eingeschränkt auch der Frequenzgang bestimmen. Da sich die Angaben von "YO" [12] hier als voll zutreffend erwiesen, besteht eigentlich kein Anlaß, an den propagierten Gewinnangaben zu zweifeln, zumal sie gegenüber anderen Quellen eher zurückhaltend sind.  

  Literatur- und Quellenangaben:

[1] Ehrenspeck, H.W., Poehler, H.: A new method for obtaining maximum gain  from Yagi antennas, IRE Trans. Ant. Prop. 10/1959, S.379

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

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

[4] Oberender, O. (DL2RSX): Tips und Tricks für UKW-Yagis , FUNKAMATEUR 31 (1982), Heft 8, S. 712

[5] Bertelsmeier, R. (DJ9BV): Yagi-Antennas for 144MHz , DUBUS, 1/1990, S. 19

[6] Steyer, M. (DK7ZB): Hochleistungsyagis für das 2m-Band in 28Ohm-Technik, FUNKAMATEUR 46 (1997), H.1, S. 72

[7] White, I. (G3SEK): The VHF/UHF-DX-Book, DIR Publishing Ltd., 1992

[8] Asbrink, L. (SM5BSZ): Computergestützter Entwurf von Hochgewinn-Yagi-Antennen ,                                              UKW-Berichte 36 (1996), Heft 4, S. 217

[9] Asbrink, L. (SM5BSZ): Practical Design of Very High Gain Yagi Arrays,   Preliminary Manuscript     (Internet)

[10] Edwards, L. (VE7BQH): A G/T Study of Two Meter Yagi Antennas ,  DUBUS 1/1996, S. 6

[11] Stenberg, G. (SM2IEV): Programm Yagi-Analysis 3.54  

[12] Beezley, B. (K6STI): Programm Yagi-Optimizer, Version 6.53

[13] Fa. KONNI, Michelrieder Str. 8, 97839 Esselbach

[14] Fa. TITANEX-Antennen, Burgstall, 94339 Leiblfing

  Abbildungen:

 Bild 1: Die verschiedenen Zonen einer Langyagi am Beispiel der DK7ZB-12OPT.  Die  Elementlängen gelten  für  mm-Alurohre (Strahler 12mm) bei isolierter Elementbefestigung oberhalb des Booms.

Bild 2: Theoretisches Vektordiagramm der Feldstärke in Strahlrichtung einer Yagi-Antenne (Is=Strom im Strahler, Ströme in den Direktoren)

Bild 3: Stromverteilung bei der 12El.-DK7ZB-Yagi  

Bild 4: Gewinnverlauf im Bereich 143-147MHz

Bild 5: SWR-Kurve: Deutlich der starke Anstieg 1,5MHz oberhalb der Entwurfsfrequenz

Bild 6: Integriertes F/R (Front/Rear)-Verhältnis im Bereich 90-270Grad

Bild 7: Verlauf des Strahlungswiderstandes, man beachte den Zusammenhang mit den Bildern 4 und 5!

Bild 8: Horizontales Richtdiagramm (E-Ebene), erste Nebenzipfel mit 16dB, alle rückwärtigen Nebenzipfel mit  30dB  oder besser unterdrückt. Die Meßergebnisse decken sich mit den errechneten Werten!

Bild 9: Vertikales Richtdiagramm (H-Ebene)

Bild 10: Prinzip der Meßstrecke, beide Antennen in gleicher Höhe Antenne 1 wird gespeist, Antenne 2 (Prüfling) mit  Messung

Bild 11: Meßkopf zum Ermitteln der HF-Spannung an Antenne 2

Bild 12: Boom, Elemente und Verspannung in der Aufsicht

Bild 13: Seitenansicht mit der vertikalen Verspannung