Zum Update/Nachtrag 2005

05.02.2003   Es geht los......

-> Ganz einfach: Bei der ersten Umfrage 1999 zur Bastel-Ecke stand ganz weit oben auf der Wunschliste der Antennenbau. Nun ja, einfach eine Antenne..NEEE
Andy hatte mir im September eine Mail über EH-Antennen geschickt und schon war ein Thema da.....wir schauen uns mal Kompromiss-Antennen an.

Was gibt es hier denn so ?
....magn. loop (kennen wir schon).....Isotronstrahler .....CFA......Di/Bi Cone (Oh..mal sehen was es da gibt) und verschiedene Formen der EH-Antenne.

Wie eine längere Recherche im Internet ergab, gibt es viel und doch nichts zu EH-Antennen....also genau richtig für uns.

Der Rest folgte dann in einem kleinen Vortrag mit Workshopcharakter.

Als erstes stellte ich den Aufbau der DiskCone / BiCone Antenne vor und beschrieb die ersten Gehversuche mit meinem Nachbau.

 

Aber die ersten Empfangsversuche waren so schlecht, dass ich diese Antenne gleich wieder in die Kiste legte.
 

Oft hört man in diesem Zusammenhang auch die CFA (Cross-Field-Antenne). Derzeit ist eine einzige Mittelwellenantenne nach diesem Prinzip in Aegypten gebaut (die auch in Wirklichkeit funktioniert). Ansonsten bewegen wir uns noch auf einem reinen Versuchsfeld. OM Jack W0KPH hat sich den EH-Antennen angenommen und für den Amateurfunk einige Muster vorgestellt.

Der 'Erfinder' dieser Antenne ist Ted Hart (W5QJR). Unter http://eh-antenna.com/ gibt es viel Theorie und ein paar Tips.

Das Grundprinzip der Antenne besteht darin, dass die Feldvektoren für das E-Feld und das H-Feld senkrecht aufeinander stehen und beide Felder gleichzeitig auftreten. In diesem Fall ergibt sich der Vektor für die Abstrahlung der Energie, der wiederrum zu den beiden anderen im rechten Winkel steht. 

Auf Jacks Page steht:

a) The Electric (E) field and the Magnetic (H) field must occur simultaneously,
b) They must be at right angles to each other,
c) they must have the same curvature,
d) they must have a ratio of 377 ohms (same impedance as free space) when the E field is measured in volts/meter and the H field measured in ampere turns.

Dieser Effekt soll durch das LC Netzwerk erzeugt werden.

Word-Dokument zum Download HIER

Eine sehr schöne Bauanleitung für eine 20m EH-Antenne habe ich unter http://www.qsl.net/ik5xct/dxkey/eh20ik5xct.html gefunden.
 

Neben dieser 'Echten EH-Bauform' gibt es noch eine vereinfachte Form, die jedoch vom Prinzip etwas abweicht. (http://www.qsl.net/sm5dco/cc-coil.html)
Bei dieser Bauweise ist kein LC Netzwerk vorhanden. Diese EH Antenne ist sozusagen ein kurzer Dipol bestehend aus einem strahlenden LC Parallelkreis. Auch die E- und H-Felder liegen anders, jedoch gibt es auch hier einen Punkt, wo sie senkrecht aufeinander stehen.

Da diese Form einen geringeren und einfacheren Aufbau hat, werden wir hier unsere ersten Versuche machen und diese Version in der BastelEcke 2003 bauen.

Meine ersten Erfahrungen in Stichpunkten:

- Auf die Führung der Verdrahtung achten ( Erster Fehler: Die beiden Leitungen im Inneren des Rohres waren zu dicht beisammen, es gab bei 20 Watt einen Überschlag; Zweiter Fehler: Jetzt waren die Leitungen weit genug auseinander, aber der eine Draht zu dicht am Rohr...Überschlag am unteren Zylinder bei ca. 70 Watt.)
- Die Berechnung mit dem Java-Skript auf der o.g. Seite hatte angeblich falsche Ergebnisse ( lt. Rechnung 22 Windungen.....die gewünschte Resonanz hatte ich jedoch bei 10 Windungen )
   -> Fehler: Die Kapazität habe ich an dem Zylinder gemessen und nicht unter dem Zylinder wo die Spule hinkommt, somit haben ein paar pF gefehlt.
- Die Frequenzabstimmung mit der Spule ist sehr kritisch....hier wird viel Gefühl benötigt...Abwickeln bis wir kurz unter der gewünschten Freq. sind und dann die Abstände der Wicklungen leicht verändern.
- Beim Betrieb über 50 Watt hat sich die Antenne verstimmt ! -> Es lag wohl an der Isolation des Spulendrahtes. 
- Da bei dieser Bauform HF auf der Koaxleitung liegt, wollte ich diese durch eine Mantelwellensperre ( Koax auf Ferritkern ) minimieren.-> Fehler: Die Antenne wurde extrem breitbandig ( >1MHz ) und der Ferritkern extrem heiß !!! -> siehe hierzu auch folgendes PDF File ( Download ).
- Die Anpassung mit der Link-Spule auf 50 Ohm und bestes SWR ging jedoch SUPER :-))

In den folgenden Wochen wollen wir nun Antennen für 80m und 15m bauen.....!

12.02.2003
Wir haben heute Abend über 3 Stunden an den 4 Antennen gearbeitet. Es ist jetzt 23.00 Uhr und ich möchte Euch noch schnell ein paar Bilder mit einer 'Kurzübersicht' einstellen.

Geplant ist der Bau von folgenden  Antennen: 1*15m      1*30m     2*80m

Material:
    15m Antenne: Rohr 5 cm  und eine 20*50cm Aluplatte   (je C-Platte 20*17,5cm Höhe*Umfang)
    30m Antenne: Rohr 7,4cm und eine 20*50cm Aluplatte   (je C-Platte 20*25cm Höhe*Umfang)
    80m Antenne: Rohr 12,5cm und zwei 20*50cm Aluplatten (je C-Platte 20*41,5cm Höhe*Umfang)
    80m Antenne: Rohr 12,5cm und zwei 20*50cm Aluplatten (je C-Platte 20*41,5cm Höhe*Umfang)

Allg.: 30m Kabel 4qmm; 20 Schrauben M6*20; 50 M6 Muttern; 40 Blechschrauben; 50 Quetschverbinder

Kosten pro Antenne 17 bis 25 Euro

1.) Ausmessen und zuschneiden der Bleche

 

2.) Rollen der Bleche



3.) Anlegen und Bohren der Bleche

 

 4.) Bleche festschrauben



5.) Kabel vorbereiten und die verlegen

 

6.) Kapazitätsmessung an allen Antennen ( Erg. 10-12 pF , für 30m und 15m gut...aber mal sehen was und auf 80m erwartet )



7.) Für HEUTE fertig !!! Bei nächsten mal geht es an die Spule und den Abgleich !


Tschüssss und gute Nacht.....
                            Matthias DH4FAW

v.l. DJ7IK, DH7FED, DH4FAW, DL8FCG
hinter der Kamera DK9ZU
 

19.02.2003

Heute nahmen wir uns Andy's und Rene's Antenne an. Eine 30m und eine 15m Version. 

Am 12.02.03 haben wir bereits die Kapazität der Antennen gemessen. Mit dem gemessenen Wert und den mechanischen Daten ( Rohr, Draht ) haben wir die Spulen berechnet ( SPULENBERECHNUNG ).

1.) Andy's Antenne für 30m
     C = 10.8 pF;  Freq.=10.1 MHz; Rohr=7.4 cm; Turn/Unit 3.5  -> 19 Windungen

2.) Rene's Antenne für 15m
     C = 10.2 pF;  Freq.=21.1 MHz; Rohr=5.0 cm; Turn/Unit 3.5  -> 11 Windungen

Nach dem Motto SICHER ist SICHER wickelten wir ein paar Windungen mehr drauf ( AB ist leichter als DRAN hihi ).


( Aha...jetzt hat auch mal jemand das Licht angemacht, die Bilder werden heller)

 

Nachdem nun der Draht auf das Rohr gewickelt war, haben wir die Windungen mit Heißkleber fixiert ( bis auf die letzten 3-5 )


Dann ging es an den Abgleich:

Da wir zuviel Windungen haben, liegen wir unter der gewünschten Frequenz, also Step by Step eine halbe Windung abwickeln bis wir nahe dran sind.
Jetzt durch verschieben der Koppelspule bestes SWR (<1,1) einstellen und durch verändern der Windungsabstände nachstimmen.

Ergebnis:
1.) 30m Antenne : Theorie 19 Windung -> Praxis 16 Windungen.
2.) 15m Antenne : Theorie 11 Windung -> Praxis 10 Windungen.

Als kleine Abstimmhilfe hat sich ein Stück 'Draht' bewährt, welcher nach dem Abgriff der Spule noch weiter geht (siehe Bild; Länge ca. 0.25*Umfang).

Durch biegen des Drahtes läßt sich sie Antenne über ca. 200 kHz recht genau abstimmen ( 21 Mhz).
Aber auf den Abstand zur Spule und zur Platte achten...sonst gibt's Lichtbögen
(Optisch im Dunkeln sehr schön..aber zum senden unbrauchbar).

Nach ca. 3h war es geschafft.......

....FERTIG
(v.l. Andy mit 30m und Rene mit seiner 15m Antenne)

12.03.2003

Für heute Abend waren die letzten beiden Antenne geplant, diesmal für das 80m Band.

->   C = 12.2 pF;  Freq.=3.6 MHz; Rohr=12.5 cm; Turn/Unit 3.5  -> 39 Windungen lt. Tool ( 35 Windungen lt. Praxis )

Tipp zur Spule:
Die Abstände der einzelnen Windungen lassen sich mit einen dünnen Draht herstellen. Anschließend die Spule mit Heißkleber fixieren und den 'Hilfs-Draht' wieder entfernen ( siehe BILD ).


Natürlich den 'Hilfs-Draht' nicht mit Heißkleber festkleben.

Jetzt durch abwickeln auf die gewünschte Frequenz abgleichen und mit der Koppelspule bestes SWR einstellen.



Zum Glück hatte die Kamera einen Selbstauslöser .... so konnten alle Anwesenden aufs Bild !

DH4FAW - DL8FCG mit den 80m Antennen

Leider ist die 80m Version (wohl durch die große Spule) sehr schmalbandig -> nur ca. 10 kHz ( 3,065 - 3,075 bei 1:2 SWR )

Von Andy gab' es erste Praxis-Berichte zu seiner 30m Antenne:
- Im Nahbereich ( DL ) schlechter als seine FD-4
- Im Bereich um 1500km ist die Antenne mit der FD-4 vergleichbar
- Im DX etwas besser als die FD-4

17.02.2005 Zwei Jahre später...

Nachdem ich eine kleine Pause bei den EH-Antennen eingelegt habe, bin ich durch die viele Werbung der 'kommerziellen EH-Antennen' wieder aktiv geworden.

Wie ich feststellen musste, haben sich die Seiten im Internet zu den EH-Antennen doch stark geändert in den letzten zwei Jahren. Ich habe hier mal eine kleine Sammlung interessanter Seiten zusammengestellt.

WEB-Site of Lloyd Butler VK5BR

 WEB-Site of WB5CXC_

  WICHTIGE LINKS:

Nach wie vor bin ich der Meinung, dass es sich nicht um eine Wunderantenne handelt, die nach 'neuen' physikalischen Gesetzen funktioniert, sondern lediglich um einen offenen Schwingkreis (bestehend aus konzentrierten und nichtkonzentrierten Bauteilen).

Wie bereits durch Maxwell und seine Gleichungen beschrieben, erzeugt ein sich zeitlich änderndes el. Feld ein magn. Wirbelfeld; und ein sich zeitlich änderndes magn. Feld erzeugt ein el. Wirbelfeld. Beide Felder stehen senkrecht aufeinander und in großer Entfernung von der Strahlungsquelle (Antenne) bildet sich eine ebene Welle aus.

Die Resonanzfrequenz der EH-Antenne ergibt sich somit aus der Induktivität der Spule und der Kapazität der beiden Zylinder.  

Zur Impedanz ist zu sagen, dass klar unterschieden werden muss zwischen Real- und Imaginärteil. Nur der Realteil stellt den Strahlungswiderstand dar, der Imaginärteil entspricht , also der Impedanz des Kondensators.

Für kleine Abmessungen gegenüber der Wellenlänge (das ist erfüllt für die Zylinder der EH-Antenne) ist der Strahlungswiderstand prinzipiell sehr klein.

Das Ziel muss sein möglichst viel Leistung in diesen Strahlungswiderstand zu leiten (denn nur der repräsentiert was tatsächlich abgestrahlt wird) und über ein Anpassnetzwerk ein Z von 50+j0 Ohm für den Fußpunkt (Koaxkabel) zu erreichen.

Diese Anpassung/Kopplung erfolgt durch eine direkte Anzapfung der Induktivität.

 

Da L2 viel kleiner als L1 ist, wird die Resonanzfrequenz primär von L1 bestimmt. L2 dagegen hat einen starken Einfluß auf die Phasenlage und den Realteil, wie man im Smith-Diagram sieht.

Die folgenden Grafiken zeigen Bodediagramme ( 3-30MHz ) und Smith-Diagramme in Abhängigkeit von L1, L2.

Änderung von L1: (50%/100%/150% vom Wert)

Änderung von L2: (50%/100%/150% vom Wert)

Wenn man sich nun die Smithdiagramme ansieht, stellt man fest, dass die Antenne ein Z von 50+j0 Ohm noch nicht erreicht hat.

Änderung von L3:

Leider lassen sich die 3 Spulen nicht komplett getrennt betrachten, so dass beim Bau und dem Abstimmen die Abhängigkeit berücksichtigt werden muss.

 

Der Nachbau

Als erstes misst man die Kapazität der beiden Zylinder (Werte zw. 10...20pF sind realistisch). Da C und f bekannt sind, lässt sich mit der Thomsonschen Schwingungsformel L berechnen.



Beispiel:    C = 10 pF, f = 10 MHz   -> L = 25 uH

 

-> Berechnung von Luftspulen:

Noch ein paar Worte zu den Zylindern. Zur Zeit unserer BastelEcke 2003 hat man das Verhältnis zwischen dem Durchmesser und der Höhe von 1:1,5  bis 1:3 gewählt. Die heutigen Konstruktionen nehmen ein Verhältnis von 1:3 bis 1:10 an !
Der Zylinder/Rohrdurchmesser muss nicht identisch mit dem Spulendurchmesser sein.

Der Spulendurchmesser sollte so gewählt werden, dass n₂ ca. 2-4 Windungen hat. Die Wicklungen von L3 sollten einen größeren Abstand haben, um später beim Abgleich die Induktivität nach oben und unten ändern zu können. L3 kann auch innerhalb der Antenne montiert werden.
Gerade auf den unteren Bändern sollte man darauf achten, dass die Kondensatorplatten und damit die Kapazität groß genug ist, um für die Spulen eine möglichst geringe Induktivität zu haben.

WICHTIG: Die Ergebnisse der o.g. Formeln und Berechnungen sind als Richtwerte zu sehen. Die Güte, die Verlustwiderstände, Eigenkapazitäten der Spulen, Induktivitäten der Verbindungsdrähte, die gegenseitige Beeinflussung der Spulen etc. sind nicht berücksichtigt. Daher muss man sich in der Praxis experimental dem optimalen Aufbau nähern.

Wie stimme ich nun die Antenne ab:
Durch Ändern von L (Abwickeln, Dehnen) stellt man die gewünschte Resonanzfrequenz ein. Durch Verändern der Spulenanzapfung (n₂) wird das geringste SWR gewählt, welches dann durch Ändern von L3 (Dehnen, Drücken und ggf. Abwickeln) optimiert wird.

Und jetzt hoffen, das sich das Gebilde nicht wieder verstimmt !!!

Messungen:
So...zum Abschluss noch ein paar Messreihen die ich mit einem Feldstärkemessgerät (PWRM1) und entsp. E- und H-Sonden (HFS1 und EFS1) aufgenommen habe. Es sind natürlich keine Laborwerte und bei dem Abstand spielt das Nahfeld, die Bodenreflektionen und die Umgebung eine Rolle. Trotzdem bin ich der Meinung, dass die Ergebnisse eine gewisse Aussagekraft haben. Die Messwerte waren innerhalb von 6 Stunden mehrfach reproduzierbar.

Ich habe die Messungen mit drei STAR-EH-Antennen, in drei Entfernungen, in zwei verschiedenen Höhen und mit drei unterschiedlichen Leistungen vorgenommen. Die roten Punkte stellen die Messpunkte dar. Die aufgenommenen E- und H-Werte stehen daneben.

Mit der bekannten Sendeleistung, der bekannten Entfernung und der entfernungsabhängigen Leistungsflussdichte (oder Leistungsdichte), die sich aus dem E- und H-Feld ergeben, lässt sich der Gewinn der Antenne abschätzen. Dieser Wert ist in unserem Fall jedoch mit Vorsicht zu betrachten. Für eine genaue Bestimmung müsste man in größerer Entfernung und in verschiedenen Höhen (Halbkugel) messen.

Fazit:
 Die EH-Antenne ist eine schmalbandige Kompromissantenne ( die jedoch Ihre Darseinsberechtigung hat ). Sie ist im Nachbau und in der Abstimmung kritisch. Im Gegenteil zur magn. Antenne sollte die EH-Antenne hoch und frei aufgestellt werden. Realistisch ist die EH-Antenne ca. 1 bis 2 S-Stufen schlechter als ein Dipol.

 

73 de Matthias DH4FAW

Nachtrag 2005