Radialsysteme für Vertikalantennen by Ulrich Gerlach

Ulrich Gerlach DF4EU Deutscher Amateur-Radio Club DARC, Ortsverein Itzehoe

Radialsysteme f端r Vertikalantennen

Vortrag zum Antennenseminar des DARC OV Itzehoe M05 20. Oktober 2012

DF4EU

Inhaltsübersicht (Folie 01) 1 Einführung 2 Wirkungsgrad 3 Nachbildung der perfekten Erde 4 Nicht- ideale Erdungsysteme 5 Draht- Radials 6 Hoch gesetzte Radials 7 Literaturangaben siehe (Folie 32)

Zum Textteil gehören die Folien 1-32.

DF4EU

1 Einführung In diesem Vortrag werden nur Radialsysteme für KW- Vertikalantennen betrachtet, genauer Radialsysteme für Viertelwellen (= λ/4)- Vertikalantennen. Die λ/4- Vertikalantenne entsteht aus dem vertikalen Halbwellendipol, indem dessen untere Hälfte (in der Symmetrieebene) durch eine ideal- spiegelnde Fläche ergänzt wird. Die ideal- spiegelnde Fläche muss in der Praxis durch ein Erdungssystem ersetzt werden. Das Problem ist, ein Erdungssystem zu finden, das einen einigermaßen brauchbaren Ersatz für die ideale Fläche darstellt. (Folie 02) Bei der Auslegung des Erdungssystems von Vertikalantennen ist viel Geheimniskrämerei und Unwissen im Spiel. Es gibt einige Faustregeln, wie  Je mehr Radials, desto besser.  Viele kurze Radials sind besser als wenige lange. Das stimmt im Prinzip, wäre jedoch zu beweisen. Fragen zum Wirkungsgrad der Antenne oder zur optimalen Anzahl der Radials oder ihrer Länge bleiben aber unbeantwortet. Die Hauptfragen [Lit. 1] sind daher  Welches Erdungssystem verwendet man ?  Wie viele Radials braucht man?  Wie lang bzw. hoch müssen die Radials sein?

DF4EU

KW- Vertikalantennen benötigen nicht viel Platz, trotz ihrer geringen Abmessungen weisen sie sehr günstige Sende-/Empfangseigenschaften auf. Ihr Elevationswinkel ist nahe der Horizontalebene klein- deshalb sind sie gut geeignet für DX. Zur Funktion benötigen sie aber unbedingt ihr Spiegelbild am Boden, d.h. ein möglichst gutes Erdungssystem. [Lit. 4] Je besser das Erdungssystem ist, umso besser ist die Vertikalantenne. Das beste Beispiel hierfür sind kommerzielle Antennen, bei denen es auf höchsten Wirkungsgrad aus wirtschaftlichen Erwägungen ankommt. Diese Antennen verwenden aufwendige Erdungssysteme. Siehe hierzu (Folie 03). (Folie 04) Die zahlreichen Veröffentlichungen der letzten Jahre, wie z.B. The ARRL Antenna Book [Lit. 1], über die Eigenschaften von Vertikalantennen beruhen weitgehend auf Simulationssoftware. Exakte Messungen, die die Simulationsergebnisse unterstützen, finden sich in den ausgezeichneten Artikeln von Rudy Severn, N6LF in der Zeitschrift QEX der ARRL [Lit. 2] ). In diesem Vortrag wird hauptsächlich auf diese Literatur zurück gegriffen. Es sind wohl die derzeit ausführlichsten und vertrauenswürdigsten Veröffentlichungen zu diesem Thema. Im Rahmen eines kurzen Vortrages ist es unmöglich, alle Varianten und Erkenntnisse zu normalen Erdnetzen und hoch gesetzten (=elevated) Radialsystemen auch nur ansatzweise zu behandeln. Bei weiterem Informationsbedarf wird vor allem das Studium dieser Literatur [Lit. 1, Lit. 2] empfohlen. DF4EU

2 Wirkungsgrad der λ/4- Vertikalantenne (Folie 05) Die λ/4- Vertikalantenne entsteht aus dem vertikalen Halbwellendipol, indem dessen untere Hälfte (in der Symmetrieebene) durch eine (ideal) spiegelnde Fläche ersetzt wird. Bei idealen Verhältnissen (unendlich gut leitende Fläche) entspricht die Funktion der dann dem vertikalen Halbwellendipol. Nur diese vertikale Antennenform wird hier betrachtet. Sie benötigt eine spiegelnde Fläche= Erdungssystem, um damit ihre fehlende Hälfte zu ergänzen. Mit dem Erdungssystem wird die λ/4- Vertikalantenne zum Dipol ergänzt. Es stellt dessen untere Hälfte dar, die gar nichts zur Strahlung beiträgt, aber für die Funktion unbedingt erforderlich ist. Andere Bezeichnungen dieser Antenne sind Monopol, Marconi-Antennen oder GP (= ground plane), wobei die ground plane eigentlich die spiegelnde Ebene ist. (Folie 06) Die elektrische Feldkomponente Ez (in V/m) steht senkrecht auf dem Erdboden und erzeugt den vertikalen Stromfluss Iv , die tangentiale Komponente Hφ des magnetischen Feldes erzeugt den horizontalen Stromfluss (IH). Im verlustbehafteten Boden entstehen so Bodenverluste, die den Wirkungsgrad der Antenne verringern. DF4EU

(Folie 07) Der Wirkungsgrad (η) einer Antenne läßt sich aus der Beziehung η=

Pr P r +P g

(Gl.1)

ermitteln.(r von radiated= abgestrahlt, g von ground) 1 R 1+ g Rr (Gl. 2) Im verlustfreien Fall ist Rg = 0 und damit der Wirkungsgrad η = 1 (entspr. 100%). Wenn das Antennensystem bei 50Ω- Anschluss angepasst ist (SWV = 1) beträgt bei Rr = 36Ω der Verlustwiderstand Rg =14Ω. Damit wird der Wirkungsgrad der λ/4- Vertikalantenne η = 36/ η=

(14+36)

= 0,72, d.h. rund 30% der Strahlungsenergie gehen als Wärme verloren. Hiermit wird der Zweck des Erdungsnetzes klar: der Wirkungsgrad hängt vom Verhältnis Rg/Rr im Nenner von Gl. 2 ab. Je geringer Rg (d.h. kleinere Verluste) ist, umso höher wird der Wirkungsgrad η und umso mehr Leistung wird abgestrahlt. D.h. das Erdnetz dient durch Verringerung des Bodenwiderstandes Rg zur Verbesserung des Wirkungsgrades η. Wichtig ist der besonders der unmittelbare Bereich unter der Vertikalantenne. Hier entstehen DF4EU

u.U. erhebliche Erdungsverluste, die den Wirkungsgrad der Antenne stark vermindern können. Natürlich verringern auch der Verluste der Antenne slbst den Wirkungsgrad. Eine verlustbehaftete Antenne (kleine Güte Q) über schlechtem Boden ergibt zwar gute Anpassung und große Bandbreite- sie hat aber einen ganz schlechten Wirkungsgrad! Einzig der Strahlungswiderstand der Antenne sollte möglichst groß sein. Er beträgt bei der λ/4- Vertikalantenne ca. 36 Ω, sinkt aber bei Verkürzung rasch auf sehr kleine Werte (einige Ω) Das Problem bei realen Vertikalantennen ist, einen einigermaßen brauchbaren Ersatz für die ideale Spiegelfläche zu erstellen. [Lit.1, Lit. 4, Lit.5 S.68]

3 Nachbildung der perfekten Erde (Folie 08) Eine perfekte Erdung läßt sich bei einer realen Antenne durch Installation einer ausgedehnten Metallplatte oder auch nur Maschendraht auf oder in geringen Abstand vom Erdboden simulieren. Diese Metallfläche sollte sich mindestens bis λ/2 vom Fußpunkt der GP aus in alle Richtungen erstrecken. Unter diesen Umständen wird dann der Eingangswiderstand den theoretischen Wert von 36Ω erreichen (bei schlanken Antennen). Das Paradebeispiel für eine perfekte Erdung ist das von Brown, Lewis und Epstein 1937 DF4EU

entwickelte System, das aus 120 λ/2- langen Drähten besteht, die radial vom Fußpunkt der Antenne aus kreisförmig in gleichen Abständen angeordnet sind. Die einzelnen Drähte (Radials) werden direkt auf den Erdboden gelegt oder auch einige cm tief im Boden vergraben. Speziell auf den unteren Bändern wird diese Methode etwas zu aufwendig für Funkamateure. Man benötigt viel Platz und die Kosten sind hoch. Aber dieses System ist von der FCC so für kommerzielle Stationen vorgeschrieben. (Folie 09, Folie 10) Eine weitere Möglichkeit ein perfektes Erdungssystem für die GP zu erstellen, besteht darin die GP mit 4, besser 16 oder mehr Radials hoch gesetzt (=elevated) über der verlustbehafteten Erdoberfläche zu betreiben. Abstände größer als λ/8 zwischen dem unteren Ende der Verttikalantennne und der Erdoberfläche führen zu ausgezeichneten Ergebnissen. Ein gutes Erdungssystem reduziert die Erdungsverluste in Antennennähe. Der Widerstand der miteinander verbundenen metallischen Leiter des Erdnetzes ist viel geringer als der Widerstand des verlustbehafteten Erdbodens. Wenn das Erdnetz oder die hoch gesetzten Radials nicht vorhanden wären, müßten die hochfrequenten Antennenströme durch den verlustbehafteten Erdboden fließen. Der Wirkungsgrad würde stark verringert. Eine Blitzschutzerde reicht in keinem Falle aus! [Lit.1, Lit.5 ]

4 Nicht- ideale Erdungssysteme Was passiert, wenn ein nicht- ideales Erdungsnetz für eine auf dem Boden aufgebaute GP DF4EU

verwendet wird? Bei Radials die im oder auf dem Erdboden verlegt sind, kommt es zu so starker Bedämpfung, dass deren Länge gar keine Rolle für die Resonanz der Antenne spielt. Die Länge und Anzahl ist nicht kritisch für die Resonanzeigenschaften, wohl aber für den Erdungswiderstand bzw. Wirkungsgrad. Im Erdreich um eine Vertikalantenne fließen Konvektionsströme zurück zum Antennenfußpunkt. Sie führen zu Verlusten. Siehe hierzu (Folie 11). Für eine relativ kurze Antenne ist die Stromdichte im Erdreich umso größer, je näher man sich dem Fußpunkt der Antenne nähert. Die Stromverteilung im Erdreich und damit auch die Verteilung der Verluste ist allerdings abhängig von der Höhe der Antenne. Je kürzer die Antenne ist, umso höher ist die Stromdichte im Bereich um den Fußpunkt. Dort konzentrieren sich die Verluste. Die Verteilung der Ströme in Abhängigkeit von der (wirksamen) Antennenlänge h in λ ist in (Folie 12) dargestellt. Anmerkung dazu: Der Speisestrom I0 ist für eine λ/4 lange GP auf 1A eingestellt. Da sich der Strahlungswiderstand Rr aber mit der Antennenlänge ändert,(z.B. von 36Ω bei 0,25λ auf ca. 4Ω bei h= 0,1λ), wird für die anderen Werte von h der Wert von I 0 so verändert, dass die abgestrahlte Leistung konstant bei 37W bleibt. Aus (Folie 12) ist auch ersichtlich, dass die Erdungsströme stark zunehmen, wenn die DF4EU

Antenne verkürzt wird. Z.B. hat eine 0,1λ lange GP einen etwa ca. 3mal größeren Strom. D.h., je kürzer man die Antenne macht, umso höher wird der Strom und damit der Verlust im Boden. In (Folie 13) sind die Bodenverluste aufgrund der magnetischen Feldkomponenten dargestellt (für Pr = 37W). Die Verluste aufgrund der elektrischen Feldkomponente sind bei der 0,25λ= λ /4 Antenne im Vergleich hierzu sehr klein und sind deshalb hier nicht berücksichtigt. Innerhalb eines Kreises von 0,5λ betragen die Verluste bei h= 0,25λ ca. 16W (siehe rechter Rand der Diagramms). Daraus errechnet sich der Wirkungsgrad zu η = 37/(37 + 16) = 70%. Bei der Antennenhöhe h = 0,1λ, betragen die Verluste schon 94W, was zu einem Wirkungsgrad von nur η = 37/(37 + 94) = 28%. führt. Der Hauptteil der Verluste entsteht in der Nähe der Antenne (< 0,1λ), in größerem Abstand (> ca. 0,15λ) verlaufen die Kurven flacher, die zusätzlichen Verluste sind geringer. Ein ausgedehntes Erdnetz mit längeren Radials bringt keine Vorteile mehr. Kürzere Antennen haben generell höhere Verluste. (Folie 14) [Lit.1, Lit.5 S.69]

5 Drahtradials Ein perfektes Erdnetz ist von Funkamateuren kaum zu realisieren. Normalerweise wird das Erdungssystem aus einer Anzahl radialer Drähte aufgebaut. Der Einfluss von Anzahl und DF4EU

Länge dieser Drähte soll erläutert werden. In (Folie 15) ist der Anteil des Stromes vom Gesamtstrom (Speisestrom) dargestellt, der in Abhängigkeit vom Abstand (Radius) r und der Anzahl N durch die Radials fließt. Der Rest fließt durch den Boden. Je mehr Drähte vorhanden sind, umso höher ist der Anteil des Stromes durch die Drähte. Umgekehrt, je weniger Radials vorhanden sind, umso kleiner ist der Anteil, der durch die Drähte fließt. Die radialen Ströme nehmen ab, wenn wir uns vom Fußpunkt entfernen, die Abnahme ist umso stärker, je weniger Radials vorhanden sind. D.h. Am Fußpunkt fließen die radialen Ströme in den Drähten, je weiter wir uns von der Antenne entfernen jedoch im verlustbehafteten Boden. Das liegt daran, dass die Ströme immer eine Teilstrecke durch den Erdboden fließen müssen, bevor sie einen Draht erreichen. In einem größeren Abstand sind die Wege durch den Boden länger, werden mehr Radials verwendet, so erreichen die Ströme schneller einen Draht. So fließt dann ein größerer Strom durch die Drähte und weniger im Boden. Dies verringert die Bodenverluste. Wenn man nur wenige Radials verwendet, fallen die radialen Ströme in den Drähten sehr schnell ab. Das meiste fließt durch den Boden. Dies führt zu hohen Bodenverlusten. In (Folie 16) ist der Einfluss der Anzahl der Radials auf den Bodenwiderstand unter der Vertikalantenne dargestellt. Nimmt man z.B. N=16, so erkennt man ,dass R g noch um ca. 1Ω abDF4EU

fällt und ab etwa 0,1λ Abstand konstant ist. Es bringt nichts, die Radials länger zu machen, weil in den äußeren Bereichen nur geringe Ströme fließen. Verwendet man jedoch mehr Radials, so bringen längere Radials wieder Vorteile. Werden mehr Drähte verwendet, so können diese auch länger sein, so dass sich die Bodenverluste durch beide Parameter verringern. Bei 128 Radials sind Längen von 0,25λ angebracht. Der Drahtdurchmesser spielt dabei keine große Rolle. Im Vergleich zum Boden ist ihr Widerstand immer sehr klein. Man könnte ohne Nachteile ganz dünne Drähte verwenden, aber zu dünne Drähte brechen leicht bei der Verlegung oder im Boden. 2mm ist ok,1mm oder 0,8mm ist der kleinste brauchbare Durchmesser. Es ist besser, viele Radials mit geringem Durchmesser zu verlegen als wenige mit großem Durchmesser. Dies ist mehr ein finanzielles Problem als ein elektrisches. Die Kurven in (Folie 16) gelten für bestimmte Bodenkennwerte. Wenn man diese verändert, verschieben sich die Kurven nach oben oder unten. Schlechterer Boden z.B. vergrößert R g die Kurven verschieben sich nach oben. Bei vorgegebenem N verlängert sich dadurch die brauchbare Länge der Radials etwas. Bei kürzeren Antennen verläuft der anfängliche Abfall der Kurven steiler so dass die Kurven eher abflachen. D.h., dass bei kürzeren Antennen die Radials auch kürzer sein können. (Wegen der hohen Verluste bei kurzen Antennen sollte man aber trotzdem viele Radials verwenden). [Lit.1]

DF4EU

Abhängigkeit der Signalstärke von der Anzahl der Radials Der Aufwand beim Erdungssystem wirkt sich natürlich auch auf die erzeugte Feldstärke bei der Gegenstation aus. Hierzu hat Rudy Severn, N6LF Experimente durchgeführt. Der zusätzliche Gewinn bei jeweils Verdoppelung der Anzahl der Radials ist in (Folie 17) gezeigt. Mit der Anzahl der Radials steigt erwartungsgemäß die Feldstärke, aber bei höheren Radialzahlen wird der Anstieg geringer. Es bringt für Amateurzwecke nichts mehr, die Anzahl der Radials weiter als 32 zu erhöhen. Der Aufwand zu einer nützlichen Erhöhung der Feldstärke ist einfach zu groß. Andererseits sollte man mindestens 16 Radials verwenden. Testfrequenz ist 1.8 MHz, die Vertikalantenne besteht aus 38m 2mm- Cu- Draht. Die Radials sind 39,6m lang. Die Messantenne befindet sich in 213m Abstand. Gesendet wird mit 50 W. Die Abweichung im monotonen Anstieg ist wohl auf die Testanordnung (Messstrecke) zurückzuführen. [Lit.2, part 5 ]

Frequenzabhängigkeit Die Frequenzabhängigkeit des Bodenwiderstandes im KW- Bereich soll nur kurz erwähnt werden. (Folie 18) Von 1,8 MHz ausgehend steigt der Bodenwiderstand R g allmählich (abhängig vom speziellen Erdboden) mit zunehmender Frequenz bis ca. 7 MHz an. Dies ist DF4EU

vorwiegend auf den Skineffekt zurückzuführen. Mit zunehmender Frequenz wird der Stromfluss auf eine immer dünnere Schicht an den Oberfläche begrenzt und nimmt exponentiell mit dem Abstand von der Oberfläche ab. Dadurch erhöhen sich die Verluste mit der Frequenz.

Praktische Hinweise für Erdungssysteme mit vergrabenen oder aufliegenden Radials Bei der Auslegung eines Erdungssystems mit vergrabenen Radials kann die nachfolgende Tabelle dienen. Die Tabelle entstammt von K4ERO in QST 12/1976, dies wiederum beruht auf Radio Broadcast Ground Systems. [Lit.1] Die Tabelle in (Folie 19) ist nach der Anzahl der Radials sortiert. Für jede Konfiguration gibt es eine optimale Länge der Radials. Erhöht man bei vorgegebenem N die Länge oder bei vorgegebener Länge die Anzahl N, so tritt keine wesentliche Verbesserung oder Verschlechterung ein. Jedes der vorgeschlagenen Erdungssysteme stellt ein optimales Verhältnis zwischen den Größen Radiallänge, Anzahl und Gesamtdrahtlänge dar. An die Werte in der Tabelle muss man sich nicht unbedingt genau halten. Kleine Abweichungen sind zulässig. So z.B. wird N=32 oder 40 und 0,14λ oder 0,16λ genauso gut funktionieren wie Konfiguration C in der Tabelle. [Lit.1] Es sollten mindestens 16 Radials verwendet werden. Generell ist eine möglichst große Anzahl Radials (auch wenn einige oder alle davon kurz) einer geringen Anzahl von längeren DF4EU

Radials vorzuziehen. Die Radials sind an einer zentralen Platte unter dem Fußpunkt miteinander zu verbinden. Siehe (Folie 20). Der Drahtdurchmesser ist nicht besonders wichtig. (0,5...2mm). Cu ist zu bevorzugen. Wenn der Boden wenig Säure enthält oder alkalisch ist, lässt sich auch Al verwenden. Die Drähte können blank oder isoliert sein, sie können auf dem Boden aufliegen oder einige cm im Boden eingegraben sein. Isolierte Drähte haben den Vorteil, dass sie durch die Isolierung besser vor Korrosion geschützt sind. Die Verluste in der Tabelle beziehen sich auf die λ/4 lange Vertikalantenne. Bei Halbierung der Antennenlänge verdoppeln sich in grober Schätzung die Verluste (in dB). (Folie 21) Beim Aufbau misst oder schätzt man den Bodenwiderstand R g . Wenn sich Rg durch Erhöhen der Anzahl N nicht weiter verringern lässt, ist die optimale Anzahl einer bestimmten Länge erreicht. Eine weitere Abnahme ist nur durch Verwendung von mehr oder längeren Radials zu erreichen. Den Fußpunktwiderstand Ra der Antenne kann man mit einer Impedanzmessbrücke messen. Er ist die Summe von Verlustwiderstand R g und Strahlungswiderstand Rr . Rr kann aus der Antennenlänge ermittelt werden. Es folgt einfach R g = Ra - Rr . Die Tabelle gilt für durchschnittliche Bodenleitfähigkeit. Diese Werte können stark variieren. Funkamateure haben selten mehr als eine grobe Idee von der Bodenbeschaffenheit unter ihrer Antenne. Im Laufe eines Jahres ändern sich die Eigenschaften außerdem durch FeuchDF4EU

te oder Trockenheit. Bei guten Bodenverhältnissen bieten sich die Konfigurationen mit geringem N an, bei trockenem, sandigen oder felsigem Boden ist mehr Aufwand nötig. Bei Mehrbandsystemen kann man für jedes Band ein optimales Erdungssystem erstellen. Man fängt mit dem untersten Band mit wenigen Radials an und fügt weitere kürzere Radials für die höheren Bänder hinzu. Die Diagramme und Berechnungen sind nur Anhaltswerte. Abmessungen und Form des Erdungssystems können variiert werden. Die Drähte brauchen nicht immer strahlenförmig oder in gleichmäßigen Abständen verlegt zu werden. Sie können dort verlegt werden, wo Platz ist. Wenn die Grundstückverhältnisse es erfordern, kann man längere Radials in geringem Abstand mit kürzeren in größerem Abstand kombinieren. Es sollte so viel wie möglich Draht eingesetzt werden. Alle Radials müssen am Fußpunkt elektrisch gut leitend miteinander verbunden sein. Alles ist besser als gar kein Erdnetz! Hinweise für den Antennenbauer Die Vertikalantenne selbst muss selbstverständlich möglichst verlustarm aufgebaut sein, sonst nützt auch das beste Radialsystem nichts. GP ohne Radials sind verdächtig. Sie weisen nur günstige SWR- Werte auf, weil sie hohe Verluste haben. Empfangsmäßig sind diese Antennen schlecht. Sie erscheinen ruhig, aber nur weil sie extrem verlustbehaftet sind! Gute Vertikalantennen sind verlustarm, sie rauschen und empfangen Störungen aber zeigen DF4EU

gute Empfangsergebnisse. Wenn eine GP ruhig ist, stimmt etwas nicht!! Alternative Methoden zur Verbesserung des Sendesignals in Betracht ziehen, z.B. höhere Sendeleistung, längeren Vertikalstrahler, Mehrelement- Antennen, um höhere Richtwirkung und Gewinn zu erzielen. Vergleiche die Kosten- Nutzen- Relation der verschiedenen Antennenkonfigurationen! Was kostet der jeweilige Gewinn? [Lit.1, Lit.4, Lit.8]

6 Hoch gesetzte Radials (=Elevated Radials) Eine GP (λ/4- Vertikalantenne) muss nicht immer auf dem Boden stehen. Oft liegen örtliche Gegebenheiten vor, die es erfordern, die Antenne erhöht (z.B. auf einem Mast oder dem Dach) aufzustellen. Von Vorteil ist, dass u.U. das Signal- Rauschverhältnis für atmosphärische Störungen günstiger wird, weil die Vertikalantenne weniger Strahlung aus größeren Erhebungswinkeln aufnimmt. Ein weiterer Grund für die Anwendung einer hoch gesetzten Vertikal sind Störungen von Maschinen und Geräten (QRN). Diese Störungen sind zwar meistens vertikal polarisiert, aber vorwiegend auf Bodennähe beschränkt. (Folie 22) Wenn die GP hoch gesetzt wird, ist es erforderlich, das „Erdungssystem“ ebenfalls hoch zu setzen. Jetzt bilden die Radials das Erdungssystem, doch die Funktion der hoch gesetzten Radials ist eine ganz andere als die des Erdnetzes. Das Erdnetz sollt die Bodenleitfähigkeit erhöhen, die hoch gesetzten Radials dagegen ergänzen die Vertikalantenne tatsächlich zum Dipol. Die Radials sind daher normalerweise elektrisch λ/4 lang. Sie können DF4EU

auch kürzer sein, dann muss die Blindkomponente jedoch kompensiert werden.(Spule einfügen). (Folie 23) Beispiel für eine Vertikalantenne mit hoch gesetzten Radials. [Lit. 2, Lit.3, Lit.9]

Gegengewicht (Folie 24) (Bestandteil einiger (käuflicher) Vertikalantennen ist das sog. Gegengewicht (= counterpoise). (Wird hier nicht näher behandelt). Das sind einige 2-3m lange Stäbe die horizontal von der Antenne abstehen. Dies sind keine richtigen hoch gesetzten Radials. Das Gegengewicht soll kapazitiv die Erde ankoppeln. Es hängt daher auch von den Eigenschaften einer evtl. schlechten Erde ab, ist jedoch besser als gar nichts. Diese Methode funktioniert besser auf den höheren Bändern. Eine Abstimmung der Länge der hoch gesetzten Radials ist je nach Bodeneigenschaften erforderlich. Verlustbehaftete Diese so ausgestatteten Antennen brauchen über schlechtem Boden eventuell keine überhaupt Abstimmung. Umso weniger, je mehr Verluste die Antennen selbst aufweist (traps etc.) Diese Antennen sind „ruhig“ (rauschen wenig). Sie bringen aber leider nur schwache Signale und verheizen die Sendeenergie im Boden .[Lit.4]

DF4EU

Anzahl der hoch gesetzten Radials Rudy Severns N6LF hat in seinen ausgezeichneten Artikeln in QEX [Lit.2] die Vor- und Nachteile von Vertikalantennen mit wenigen hoch gesetzten Radials gegenüber einer Vertikalantenne mit einer Vielzahl von Radials, die entweder auf dem Erdboden liegen oder auch eingegraben sind, meßtechnisch untersucht. Die Simulationen mit NEC sagen voraus, dass nur 4 Radials einige dm...m über dem Boden ein ebenso gutes Erdnetz darstellen, wie eine große Anzahl Radials auf dem Erdboden. Da dies sehr wichtig für uns FA ist, sollte man es überprüfen. Es zeigt sich tatsächlich, dass im Vergleich mit 64 eingegrabenen Radials 4 hoch gesetzte Radials tatsächlich Vorteile bieten. Da es jedoch verschiedene Möglichkeiten zum Aufbau eines hoch gesetzten Radialsystems gibt, soll das noch weiter untersucht werden. In (Folie 25) ist der Gewinn auf die Ausführung mit 4 auf dem Boden aufliegenden Radials bezogen (= 0dB). Dargestellt ist also die Verbesserung, wenn Anzahl oder Höhe verändert werden. Die Messungen sind mit einer λ/4-Vertkalantenne bei 7,2 MHz (= 41,67 m) vorgenommen worden, die Radials waren ca. λ/4 lang. ( = 10,05m). Die Antenne ist vom Boden isoliert und wird über einen Balun zur Gleichtaktunterdrückung eingespeist.

DF4EU

Das linke Diagramm in (Folie 25) gilt für auf dem Boden aufliegende Radials. Es ist klar, dass 64 Radials eine Verbesserung von 5,8 dB gegenüber 4 Radials ergeben. Aus dem rechten Diagramm geht hervor, dass für das System mit 4 hoch gesetzten Radials (ebenfalls ca. λ/4 lang) bei einer Höhe über dem Boden von 1,20m (=4 Fuß) die Gewinnverbesserung 5,9 dB beträgt, praktisch genau soviel wie mit 64 auf dem Boden aufliegenden Radials. Die beiden Radialsysteme sind also gleich gut! (Folie 26) Interessant sind die (gemessenen) Fußpunktwiderstände bei Variation der Anzahl der Radials für das o.a. Antennensystem bei 7,2 MHz. [Lit.2]. (Höhe 0 cm = aufliegend). Wichtig ist, dass sich die Ströme in den 4 Radials sich möglichst gleichmäßig verteilen. Siehe dazu die Tabelle von (Folie 27). Die geringen Abweichungen dürften keinen maßgeblichen Einfluss auf das Ergebnis (Gewinn) haben. Das Standard- Erdungssystem mit hoch gesetzten Radials besteht aus 4 oder mehr Radials in der Höhe von 1 bis 2m (nach [Lit.2] genau 4 bis 6 Fuß= 1,2 m bis 1,8m), wobei sich der Fußpunkt der Antenne in gleicher Höhe wie die Radials befindet. (Diese Abmessungen gelten allgemein, nicht nur für diese Messantenne). Es können jedoch auch hiervon abweichende Konfigurationen zur Anwendung kommen, um das Antennensystem den örtlichen Gegebenheiten besser anpassen zu können. Siehe hierzu (Folie 28, Folie 29) Konfiguration 5 ist nur zum Vergleich angefügt.

DF4EU

Es zeigt sich, dass die verschiedenen Konfigurationen keinen großen Einfluss auf die Funktion haben. Selbst die Halbierung der Radiallänge (Konfiguration 4) reduziert den Gewinn gegenüber Konfiguration 1 nur um 0,36 dB. Mit den kürzeren Radials wird der erforderliche Flächenaufwand für das Erdsystem reduziert. Die Unsymmetrie der Radialströmen wird in diesem Fall etwas größer, hier nicht gezeigt). Konfiguration 3 ist etwas schlechter, vermutlich weil die schräg verlaufenden Teile der Radials in der Nähe auf die Antenne koppeln. Auf jeden Fall tritt mit hoch gesetzten Radials eine Verbesserung gegenüber direkt auf dem Erdboden liegenden Radials ein. Dies lässt sich durch Simulation und weitere Versuche bestätigen. Die Radials müssen dafür gar nicht so hoch gesetzt werden um eine Verbesserung zu erzielen, aber eine größere Höhe ist auch aus Sicherheitsgründen zu empfehlen. Mit mehr als 4 hoch gesetzten Radials tritt keine wesentliche Verbesserung mehr ein. Von Vorteil ist jedoch, dass die radialen Ströme symmetrischer werden. Rudy Severns weist in seinen neuesten Veröffentlichungen auf die Schwierigkeiten bei der Verifizierung seiner früheren Resultate hin. Das System mit 4 hoch gesetzten Radials ist sehr anfällig auf unsymmetrische Ströme in den Radials und auf Umgebungseinflüsse. Man kann nicht einfach 4 Drähte aufhängen und die erwarteten Ergebnisse erhalten! Also nicht gleich loslegen und das evtl. vorhandene Erdnetz in ein System aus hoch gesetzten Radials umbauen! (Folie 30) Wegen ihrer viel höheren Güte Q weisen die hochliegenden Radialsysteme eine Anzahl von Nachteilen auf: Sie sind sehr stark abhängig von Konstruktionsdetails, Bodeneigenschaften, naheliegenden elektrischen Leitungen, Kopplung mit den DF4EU

Speiseleitungen. Zu groß ist der Einfluss auf Resonanzfrequenz, Eingangswiderstand, Strahlungsdiagramm und Wirkungsgrad. An vielen Örtlichkeiten ist es gar nicht möglich, die Radials entsprechend ungestört aufzuhängen. Wegen dieser Empfindlichkeit des 4 DrahtSystems sollte man auf jeden Fall deshalb mindestens 10...12 Radials verwenden. (Folie 031) Zum gleichen Ergebnis kommt Karl Hille bereits in seiner Veröffentlichung in CQDL von 1992 für Vertikalantennen bei 1MHz, das man aber auf z.B. 3,5MHz skalieren kann. Die allgemein als Optimum angenommenen 120 vergrabenen Radials sind erst ab einer Antennenhöhe von 5λ/8 (= 225° Antennenhöhe ) von Vorteil. Die λ/4- Antenne (= 90° Antennenhöhe) mit ist in jedem Fall mit 4 auf λ/30 hoch gesetzten Radials besser als mit 120 vergrabenen Radials. [Lit.6, Lit.7]

7 Literaturangaben siehe (Folie 32)

DF4EU

Radialsysteme f端r Vertikalantennen Inhalts端bersicht

1 2 3 4 5 6 7

Einf端hrung Wirkungsgrad Nachbildung der perfekten Erde Nicht- ideale Erdungsysteme Drahtradials Hoch gesetzte Radials Literaturangaben

Vortrag zum Antennenseminar des DARC OV Itzehoe M05 am 20.10.2012 www.issuu.com/radio-m05

DF4EU

M05

1Einf체hrung Auslegung des Erdungssystems von Vertikalantennen Faustregeln, z.B. Je mehr Radials, desto besser. Viele kurze Radials sind besser als wenige lange. Das stimmt im Prinzip, w채re jedoch zu beweisen.

Leitende Ebene

Hauptfragen Welches Erdungssystem verwendet man ? Wie viele Radials braucht man? Wie lang bzw. hoch m체ssen die Radials sein?

DF4EU

M05

1Einf端hrung

Beispiel f端r ein Erdnetz (mit hoch gesetzten Radials [Lit. 6]

DF4EU

M05

1Einführung Untersuchung/Berechnung von Vertkalantennen mit einem Erdnetz:

Ergebnisse durch Messungen: stets nur für bestimmte Randbedingungen spez. Rudy Severn, N6LF, [Lit. 2] Simulationssoftware EZNEC: nur für Antennen mit hochgesetzem Radialsystem EZNEC- Pro (für Amateurzwecke derzeit unerschwinglich) Für Erdungssysteme mit Radials im oder auf dem Erdboden spez. ARRL Antenna Book Kap. 3, [Lit. 1]

DF4EU

M05

2Wirkungsgrad der 位/4-Vertikalantenne

Entstehung der 位/4- Vertikalantenne aus dem 位/2-Vertikaldipol

DF4EU

M05

2 Wirkungsgrad der λ/4-Vertikalantenne elektrische Feldlinie

elektrische Feldkomponente Ez

Magnetfeld tangentiale Komponente Hφ spiegelnde bzw. ideal leitende Ebene horizontaler Strom IH

vertikaler Strom Iv

DF4EU

Felder und Erdströme um den Fußpunkt der Antenne [Lit.1]

M05

2 Wirkungsgrad der λ/4-Vertikalantenne Nutzleistung Pr = Strahlungsleistung Verlustleistung Pg = Erdverluste, inkl. weiterer Antennenverluste Wirkungsgrad:

η=

Pr P r +P g

mit Pr = I0²• Rr und Pg = I0²• Rg η=

1 Rg 1+ Rr

Beispiel: verlustfreies System Rg = 0

η= 1 entspr. 100%

Verringerung des Erdungswiderstandes erhöht den Wirkungsgrad! Verlustbehaftete Antennen über schlechtem Boden (ΣRg groß) haben gute Anpassung aber schlechten Wirkungsgrad!

DF4EU

M05

3 Nachbildung der perfekten Erde

Vertikalantenne mit leitender Fl盲che Metallplatte, Maschendraht

Vertikalantenne mit 32 Radials im Boden

Brown, Lewis, Epstein 1937: 位/4- Vert. Ant ,120 radiale Dr盲hte, 位/2 lang, ca. 15 cm tief

DF4EU

M05

3 Nachbildung der perfekten Erde

Vertikalantenne mit hoch gesetzten Radials [Lit. 10]

DF4EU

M05

3 Nachbildung der perfekten Erde

Antennensystem mit hoch gesetzten Radials [Lit. 11]

DF4EU

M05

4 Nicht- ideale Erdungssysteme Strom unterhalb der Antenne flieร t in einen zylinderfรถrmigen Bodenabschnitt

Stromdichte steigt mit abnehmendem Radius [Lit. 1]

DF4EU

M05

4 Nicht- ideale Erdungssysteme

Stromverteilung in Abhängigkeit von der Antennenlänge h (in λ) [Lit. 1]

DF4EU

M05

4 Nicht- ideale Erdungssysteme

Bodenverluste in Abhängigkeit von der Antennenlänge h (in λ) [Lit. 1]

DF4EU

M05

4 Nicht- ideale Erdungssysteme Entfernung vom Fußpunkt: < 0,10...0,15λ Hauptteil der Verluste entsteht in der Nähe der Antenne > 0,15λ Verluste steigen nicht mehr

Kürzere Antennen haben generell höhere Verluste!

DF4EU

M05

5 Drahtradials Wenig Verluste

Hohe Verluste fehlerhafte Skala In der Nähe des Fußpunktes fließt der Hauptteil des Stromes durch die Radials,der Rest durch den Erdboden.

0,05

0,15

0,25

0,35

In größerem Abstand fließt nur ein geringer Teil des Stromes durch die Radials, der Rest durch den Erdboden.

Anteil des Stromes durch die Drahtradials in Abhängigkeit von der Länge [Lit. 1]

DF4EU

M05

5 Drahtradials

Einfluss der Anzahl der Radials auf den Bodenwiderstand [Lit. 1]

DF4EU

M05

5 Drahtradials

Abhängigkeit der Signalstärke von der Anzahl der Radials

Testfrequenz: 1.8 MHz Antenne: 38m, 2mm-Cu-Draht Radials: 39,6m Abstand der Meßantenne: 213m

N nur ganzzahlig

Maximale sinnvolle Anzahl von Radials = 32 [Lit. 2]

DF4EU

M05

5 Drahtradials

Frequenzabhängigkeit

Frequenzabhängigkeit durch Skineffekt allg. bei Wechselströmen: Stromverdrängung zum Rand bewirkt Verringerung des wirksamen Leiterquerschnittes

Eindringtiefe der HF nimmt mit höherer Frequenz ab (ca. 1.8...7 MHz) Querschnitt verringert sich Bodenwiderstand und damit Verluste steigen mit der Frequenz

DF4EU

M05

Praktische Hinweise für Erdungssysteme mit vergrabenen oder aufliegenden Radials

5 Drahtradials

Anzahl der Radials N

120

Länge des einzelnen Radials in λ

0,1

0,13

0,15

0,2

0,25

0,4

Abstand in Grad

22,5

Gesamtlänge in λ

1,6

5,4

22,5

Verlust in dB bei kleinen

1,5

0,5

Fußpunktwiderstand in Ω bei λ/4 GP

Winkeln bei λ/4 GP gegen Konfigur.F

●Halbierung der Antennenlänge verdoppelt ungf. Die Verluste in dB ●Erhöhung von Länge (bei gl. N) oder N (bei gl. Länge)bringt keine Verbesserung, kl. Abweichungen werden toleriert ●Tab. für mittl. Bodenbeschaffenheit, guter Boden erfordert nur kleine N ●Drahtstärke 0,5..2mm, blank oder isoliert, aufliegend oder vergraben

Optimale Konfigurationen von Erdungssystemen für die λ/4Vertikalantenne [Lit. 1]

DF4EU

M05

Praktische Hinweise fĂźr Erdungssysteme mit vergrabenen oder aufliegenden Radials

5Drahtradials

Bodenplatte mit Radials [Lit. 1]

DF4EU

Alle Radials am FuĂ&#x;punkt verbinden

M05

Praktische Hinweise für Erdungssysteme mit vergrabenen oder aufliegenden Radials

5Drahtradials

Mehrbandsysteme: für jedes Band ein optimales Erdungssystem erforderlich Mit dem untersten Band und wenigen Radials beginnen, für die höheren Bänder kürzere Radials hinzufügen. Bodenwiderstand prüfen: wenn sich Rg mit Erhöhen von N nicht weiter verringern lässt, ist die optimale Anzahl von Radials einer bestimmten Länge erreicht. Eine weitere Abnahme von Rg ist nur durch Verwendung von mehr und längeren Radials zu erreichen. Gute Vertikalantennen sind verlustarm – rauschen und empfangen Störungen! Schlechte Vertikalantennen haben hohe Verluste, dafür gutes SWV und geringes Rauschen! Tipps: Alternative Methoden zur Verbesserung des Sendesignals in Betracht ziehen: Mehr Sendeleistung- längere Antennen- Mehrelementantennen Vergleiche Nutzen- Kosten der verschiedenen Konfigurationen!

DF4EU

M05

6Hoch gesetzte Radials

(=elevated radials)

Erhöhte Aufstellung Antenne Verringern von Störungen von Maschinen und Geräten (QRN) Atmosphärische Störungen (QRM) Erdungssystem ebenfalls hoch setzen. Hoch gesetzte Radials brauchen keine Erde Radials ergänzen die Vertikalantenne zum Dipol Bodenleitfähigkeit unwichtig Länge der Radials muss ca. λ/4 betragen. Nahe an der Erdoberfläche betreiben (...0,01...0,04λ)

DF4EU

M05

6Hoch gesetzte Radials

(=elevated radials)

Vertikalantenne mit hoch gesetzten Radials [Lit. 2]

DF4EU

M05

6Hoch gesetzte Radials

(=elevated radials)

Gegengewicht (= counterpoise) Bestandteil einiger (käuflicher) Vertikalantennen 2-3m lange Stäbe, stehen horizontal von der Antenne ab Koppeln kapazitiv an die Erde an Abhängig vom evtl. verlustbehafteten Boden Abstimmung je nach Bodeneigenschaften erforderlich Bei verlustbehaftet Antennen (traps) über schlechtem Boden evtl. keine Abstimmung nötig Diese Antennen sind ruhig (rauschen wenig). Sie bringen aber leider nur schwache Signale und verheizen die Sendeenergie im Boden. Besser auf den höheren Bändern geeignet.[Lit.4]

DF4EU

M05

6Hoch gesetzte Radials

Gewinnzunahme als Funktion der Anzahl N der Radials (alle Radials auf dem Boden, N ganzzahlig)

(=elevated radials)

Gewinnzunahme, Antennenfuß und Radials in verschiedenen Höhen (bei N=4Radials)

λ/4-Vertkalantenne bei 7,2 MHz (= 41,67 m), Radiallänge 10,05m ( =33 Fuß) entspr. λ/4 Antenne vom Boden isoliert, über Balun zur Gleichtaktunterdrückung gespeist

DF4EU

[Lit.2]

M05

6Hoch gesetzte Radials

(=elevated radials)

Höhe der Radials (cm) über dem Boden 0

39.7 - j 1.2

42.9 + j 2.1

56.1+ j 6.2

85.5 + j 8.0

137 + j 14.9

15,2 /0,003λ

43 + j 6.4

30,4/0,007λ

40.6 + j 0.08

121,9/0,029λ

34.8 - j 9.7

Anzahl der Radials

Z in (Ω)

Höhe 0cm = auf dem Boden aufliegend

Fußpunktwiderstände (gemessene) bei Variation der Anzahl der Radials für das Antennensystem bei 7,2 MHz (aus Folie 25) [Lit.2].

DF4EU

M05

6Hoch gesetzte Radials

(=elevated radials)

Radial- Nr.

Relativer Strom bezogen auf 1A

0,235

0,271

0,247

0,247 Stromverteilung in den 4 Radials [Lit.2] (zum Beispiel mit 7,2 MHz)

DF4EU

M05

6Hoch gesetzte Radials

(=elevated radials) Gewinn dB

Nr.

Konfiguration

Fußpunkt und 4 Radials um ca. 1,20m hoch gesetzt

bezogen auf Nr. 1

Z in (Ω)

39 + j 6.3

–0.47

36 + j 6.2

–0.65

29 – j 11

Radiallänge ca. 10,4m (λ/4)

Fußpunkt am Boden, Radials am Ende 1,20m hoch, zum Fußpunkt geneigt, Radiallänge ca. 10,4m (λ/4)

Vogelschwingenform, Fußpunkt am Boden, mit 45° bis 1,20m hoch geführt, Standard danach horiz. bis zum Ende Radiallänge ca. 10,4m (λ/4)

Fußpunkt und 4 Radials um ca. 1,20m hoch gesetzt, Radiallänge 5,33m ( λ/8), mit L = 2.2 μH abgestimmt

–0.36

39 + j 0.9

Zum Vergleich: Fußpunkt u. Radials am Boden, 4 Radials zu 10,4m (λ/4)

–5,19

132 + j 22

Zahlenwerte für 7,2 MHz)

Beispiele für hoch gesetzte Radials [Lit. 2]

DF4EU

M05

6Hoch gesetzte Radials

(=elevated radials)

Vogelschwingen- Radials (=gull wing)

DF4EU

[Lit. 12]

M05

6Hoch gesetzte Radials

(=elevated radials)

Nachteile (bedingt durch höhere Güte Q) sehr stark abhängig von örtlichen Gegebenheiten (Platzverhältnisse) Konstruktionsdetails, Bodeneigenschaften, nahe liegenden elektrischen Leitungen, Kopplung mit Speiseleitungen etc. Einfluss auf Resonanzfrequenz, Eingangswiderstand, Strahlungsdiagramm, Wirkungsgrad etc. Empfehlung mindestens 10...12 hoch gesetzte Radials verwenden

DF4EU

M05

6Hoch gesetzte Radials

(=elevated radials)

■-120 Radials λ/4 lang 15 cm tief vergraben Δ-4 Radials λ/4 lang Höhe λ/60 (entspr. 5m bei 1 MHz bzw. 1,4m bei 3,5 MHz)

○-4 Radials λ/4 lang Höhe λ/30 (entspr. 10m bzw. 2,8m) λ/4

λ/2 (Länge)

DF4EU

Feldstärke von verschiedenen Monopolantennen in Abhängigkeit von ihrer Länge (in Grad) [Lit. 6]

M05

7Literaturverzeichnis 1) The ARRL Antenna Book 21st Edition Chap. 3 2) Experimental Determination of Ground System Performance for HF- Verticals, Rudy Severns, N6LF- qex- ground- systems- part 1-7 3) Verticals without Vertigo, L.B.Cebik W4RNL, FDIM 99 Choosing a Vertical 4) www.bencher.com/ham/index.php?main_page=page_4 5) Umgebungseinflüsse auf Antennen, Jürgen A., Weigl OE5CWL, Verlag fürTechnik und Handwerk 6) Radialsysteme unter Vertikalantennen, Karl Hille DL1VU, CQDL 3/92 S. 159-160, darin Simulationen von Christman und Radcliff Elevated Monopole Antennas IEEE Transactions on Broadcasting Dec. 1990 7) A Closer Look at Vertical Antennas With Elevated Ground Systems, Rudy Severns N6LF, qex mar-apr 2012 8) ARRL Handbook Antenna Fundamentals 1987 9) Einfluss des Erdbodens auf Kenngrößen von Antennen, Ulrich Gerlach DF4EU, Vortrag zum Antennenseminar von M05 am 20.10.2012 10) Bild Radialsystem, http://www.vias.org/radioanteng/img/page_051_100-8.png 11) Bild Antennensystem, http://www.docstoc.com/docs/53405107/ Antenna-System-Utilizing-Elevated-Resonant-Radial-Wires-- Bild-Patent-6873300#viewer-area 12) Bild Gull-Wing, www.nottltd.com/amgroundsystems.html&h=216&w=288

DF4EU

M05