DG7YBN - Low Noise Yagis
Antennen messen
(x)
Richtiges Plotten des VSWR von Antennen
Last Update April 13th 2024
Minimales Setup für Messungen Wo beginnt die Fernfeldregion für eine Lang-Yagi? Verifizieren der Ergebnisse auf einem weit offenen, flachen Hügel Wie baut man eine Mess-Yagi richtig auf? Trimm- / Tuning-Röhrchen für schnelle Tests Abstimmung von Yagi-Uda-Antennen mit gebogenen Dipol Wie baut man eine Test-Yagi für Messung einer Boom-Korrektur auf?
So richten Sie Antennen für zuverlässige VSWR- oder Rückflussdämpfungsdiagramme ein
So richte ich meine 70-cm-Yagi-Antennen in meinem Garten ein, um einen schnellen überblick zu erhalten. Für eine vollständige überprüfung lade ich alles in mein Auto und fahre zu einer flachen Ebene auf einem Hügel, wo im Umkreis von ein mehreren 100 Metern keine Häuser oder Bäume stehen.
Wie auch immer: Eine Konfiguration, wie sie in der folgenden Skizze dargestellt ist, reicht für die allermeisten Anwendungen aus, es sei denn, wir möchten neue BC-Werte oder ähnliches definieren.
Mindestaufbau zum Messen des VSWR von 70-cm-Yagi-Antennen
1. Achten Sie darauf, nicht von einer herabfallenden Antenne oder einem herabfallenden Mast getroffen zu werden (!). Lose Masten und Stangen stellen eine potenzielle Gefahrenquelle dar. Stellen Sie einen losen Mast nicht in der Nähe von Hochspannungsleitungen oder an Orten auf, an denen Menschen verletzt werden könnten.
2. Sorgen Sie dafür, dass die Hauptkeule der Antenne keinen Kontakt mehr zum Erdboden oder zu anderen Gegenständen in einem Umkreis von ca. 20 Metern hat, indem Sie den Mast neigen. Dies entspricht den Ausführungen von DL6WU zur Messung von VHF-/UHF-Yagi-Antennen.
3. Lassen Sie das Koaxialkabel in einer weiten Schleife herabhängen. Dabei geht es darum, zu vermeiden, dass sich eine Schleife bildet, deren Länge ein ungerades Vielfaches von 1/4 Lambda gegen den Ausleger oder Mast bildet … was das SWR usw. beeinträchtigen könnte. Es ist ratsam, verschiedene Befestigungspositionen für das Speisekabel auszuprobieren, wenn die Antenne sich unregelmäßig verhält, und zu prüfen, ob sich dadurch etwas am SWR ändert.
Die alte Lehrmeinung, dass das Nahfeld und damit die Reaktionen auf die Umgebung in etwa 1 Lambda Entfernung von der Antenne enden, mag für Dipole zutreffen, gilt jedoch NICHT für lange Yagi-Antennen. Mit den Testantennen nach Entwürfen von YU7EF für WiMo konnte man auf dem VNA-Diagramm (!) vorbeifahrende Autos oder sogar Fußgänger in einer Entfernung von 30 m verfolgen oder erkennen. Mehr dazu im nächsten Kapitel.
Die Erstellung eines ECHTEN Rücklaufdämpfungs-Diagramms
durch Neigung einer Lang-Yagi für 144 MHz mit der richtigen Ausrüstung
Eine von Jörg, DL2VL gebaute GTV 2-14w, um ~ 30 Grad geneigt auf einem Klappmast von geeigneter Höhe.
Genau so lässt sich ein korrekter Rückflussdämpfungs-Diagramm erstellen. Ja, ich weiß … solche Geräte stehen nicht jedem zur Verfügung. Aber da die Physik nun einmal so ist, gibt es keinen Ausweg, es sei denn, man stützt sich auf fundiertes Fachwissen, gepaart mit Erfahrung vielleicht.
Bildquelle: Fotos und Aufbau, Jörg, DL2VL
Wo beginnt die Fernfeldregoin für eine Lang-Yagi?
Aus meinem Artikel "Angewandte Umsetzung von segmentierten Drähten aus NEC2 in 144/432 MHz Yagi Elemente - Teil 3", Dubus 2/2011 & Dubus Technik XI
"Die meisten Radioamateure verstehen unter der Nahfeldregion, innerhalb derer die Impedanz der Antenne von der Umgebung beeinflusst wird, zweimal die Wellenlänge ab dem Dipol. Das Zitieren stellvertretender Amateur Radio Webseiten bringt das folgende hervor: „Das Nahfeld reicht eine halbe bis eine Wellenlänge um die Antenne“. Das mag für isotrope Strahler, Dipole und dergleichen zutreffen, aber sicherlich nicht für Antennen von hoher Direktivität. Traurigerweise ist diese Aussage zu einem Gemeinplatz geworden welcher in Amateur Radio - Kreisen fälschlicherweise auf alle möglichen Antennen angewandt wird. Wenn wir lange Yagis richtig messen wollen, dann müssen wir zu einem korrigierten Bild darüber gelangen wo die Fernfeldregion unseres realen Aufbaus beginnt. Um eine wahre Messung des Return Loss zu erreichen, müssen wir mindestens für die Hauptstrahlungskeule Nahfeld- und Fresnellregion frei halten.
Fernfeldregion zu ermitteln. Diese liefert viel größere Werte. Beispielsweise gelangen wir für eine 6,0 m lange Yagi für das 2 m Band zu folgendem Wert:
Verifizieren der Ergebnisse auf einem weit offenen, flachen Hügel
Für jede echte Referenzmessung benötigen wir einen Bereich, in dem nichts das Nahfeld und die Fresnel-Zone der Antennen stört. Das Foto zeigt den Autor mit einer 2-m-Band-Antenne vom Typ YBN 2-5, mit einer sehr trockenen Holzlatte als Boom, auf seinem „Heimhügel“. Beachten Sie den Abstand zu den Bäumen im Hintergrund. Genaue Messungen von Antennen zwischen Häusern und Bäumen funktionieren im VHF-Bereich nur bedingt. Genau so lässt sich ein korrekter Rückflussdämpfungs-Diagramm erstellen. Ja, ich weiß … solche Ausrüstung steht nicht jedem zur Verfügung. Aber da die Physik nun einmal so ist, gibt es keinen Ausweg, es sei denn, man stützt sich auf fundiertes Fachwissen, gepaart mit Erfahrung.
Analyser und Laptop werden aus einem 12 VDC zu 230 VAC Wechselrichter gespeist.
Wie baut man eine Mess-Yagi richtig auf?
In diesem Abschnitt geht es um das grundlegende Verständnis der Funktionsprinzipien der Yagi-Uda-Antenne. Ohne dieses Verständnis könnten Sie beim Abstimmen Ihrer selbstgebauten Yagi-Antenne in falsche Annahmen verfallen.
Das gespeiste Element (DE) oder der Dipol unterliegt dem Einfluss der Montageplatte oder -box sowie der Boom-Korrektur, falls es nahe über dem Boom montiert ist. Vor allem aber ist wahrscheinlich die Verbindung zum Speisekabel aufgrund der geteilten Länge zum Anschluss von Kern und Abschirmung nicht optimal.
Abb. A1 zeigt den Zustand „so gut es eben geht“. Kürzeste Split-Enden und die richtige Dosierung von BC (Box-Kompensation) wurden angewendet.
Abb. A2 zeigt, wie wir mit den freien Längen arbeiten, wenn wenigstens der Faktor für die exakte Kompensation der Spannweite bekannt ist.
Abb. A3 ist ein oft gesehenes, aber gleichzeitig auch das schlechteste Szenario. Warum das? Wir lassen in der Regel den DE anfangs etwas länger, weil wieder verlängern schwieriger ist, als abschneiden. Weiter wird das 'Split'-Ende ohne Rücksicht darauf, was einige Millimeter auf dem VHF/UHF-Band bedeuten, verbunden.
Aber warum ist das oben gezeigte mir so wichtig?
Tatsächlich ist es nicht so wichtig, denn viele gebaute Yagis laufen gut ohne die hier gezeigten Details. Aber wenn man das Beste und das Strahlungsdiagramm genau wie simuliert bekommen will, dann muss alles passen. Lesen Sie also weiter.
Unten befindet sich Zeichnung A4 einer Yagi-Uda mit 2 einfassenden Linien. Die innere, schwarze symbilisiert einén Satz Elemente ohne, oder mit nicht ausreichendem BC. Während die äußere, grüne, für einene Satz Elemente mit vollen BC, also regulärem BC plus, falls erforderlich zusätzlicher Kompensation für hohe Segmentierungsdichte SBC) steht. Für die meisten (nicht speziell Low-Noise) Yagis finden wir einen zu langen DE zusammen mit zu langen 'Pigtails' als Kraft, die die Yagi in der Frequenz nach unten zieht. Was dann die Notwendigkeit für eine Boom-Korrektur, oder eine höhere Boom-Korrektur verschleiert.
So dass, wenn nicht sorgfältige gemessen und mit Erfahrung beurteilt, des VSWR gut aussieht und die Yagi in Betrieb geht. Das dann aber mit tyoischerweise 2 ... 3 mm zu kurzen Elementen (auf 70 cm auch mehr). Mit Abstrichen im Gewinn von typisch 0,2 dB und weit gravierender für EME und Contestbetrieb oft mit Abstrichen von mehreren dB im V/R und rückwärtigen Nebenzipfeln.
How to get a grip on finding the true length for a DE?
It is recommended to produce adjustable end tips. Which can be done by cutting threads into the tubes used and fit screws with arretation nuts into these.
• Eine Rohr 6 x 1 mm kann innen ein Gewinde M5 x 0.8 mm ISO für M5-Schrauben fassen
• Eine Rohr 8 x 1 mm kann innen ein Gewinde M6 x 1 mm ISO für M6-Schrauben fassen
• Eine Rohr 10 x 1 mm kann innen ein Gewinde M8 x 1.25 mm ISO fassen, wenn die Enden etwas zusammengedrückt werden
• Schliesslich: Ein weiteres Meisterstück aus der Werkstatt von DL2VL mit Feingewinde, Steigung 0,5 mm. Das Gewinde ist 8 x 0.5 mm für welches das Kernloch idealerweise Ø 7,5 mm betragen soll. Was er durch zusammenpressen des Rohres im Spannfutter der Drehbank und dann darin Schneiden des Gewindes hin bekommen hat.
Trimm- / Tuning-Röhrchen
Eine Boom-Korrektur kann richtig oder falsch sein. Solange wir jedoch die Länge des Dipols nicht genau richtig einstellen, wird die Boom-Korrektur durch Einflüsse des nicht exakt passenden Dipols überschattet. Typische Einflüsse, die durch ein Dipolgehäuse oder eine Halteplatte, die Länge des gespaltenen Endes des Koaxialkabels usw. verursacht werden, müssen kompensiert werden, bevor wir uns daran machen können, die Boom-Korrektur zu bestimmen oder den Frequenzgang einer Yagi-Antenne in vollem Umfang zu beurteilen.
Das Anbringen von Trimmschrauben an den Enden eines Dipols ist eine aufwendige Methode, um dies zu bewerkstelligen.
Mit einem beliebigen Rohrstück, das einen etwas größeren Durchmesser hat, geht es viel schneller. Ein Rohr an einer Seite reicht in der Regel aus. Diese Rohre müssen nicht unbedingt den passenden Durchmesser haben. Wir benötigen keinen elektrischen Kontakt, da es sich um HF im VHF/UHF-Bereich handelt. Das Rohr kann mit winzigen Klebebandstückchen oder allem, was einem sonst noch einfällt, fixiert werden. Eine geeignete Rohrlänge scheint zwischen 15 und 25 mm zu liegen.
Wie funktionieren diese Röhrchen?
Ein verdickter Dipol, der vom Mittelpunkt zwischen Ausleger und Spitze nach außen verläuft, wirkt in etwa wie eine Top-Loading-Anordnung bei einer Kurzwellen-GP-Antenne. Vom Mittelpunkt nach innen hin wirkt er wie eine Verdickung des Elements, d. h. wie eine geringfügige Verkürzung des Dipols.
Natürlich können wir auch ein oder zwei Trimm-Rohre an D1 anbringen, der oft das kritischste Element ist:
Wenn wir eine dauerhafte Befestigung wünschen, können wir Rohre mit passendem Durchmesser verwenden, beispielsweise ein 8 x 1 mm großes Rohr für ein 6,0 mm großes Element. Indem wir diese einschneiden und mit einer Zange fest einpressen, haften sie nach dem Einsetzen fest am Element.
Beachten Sie, dass wir bei der Trimmung zur überprüfung der Boomkorrektur nicht um jeden Preis die Yagi-Antenne auf die vorgegebene Frequenz abstimmen wollen, sondern auf den besten Rückflussdämpfungswert, unabhängig davon, um welche Frequenz es sich handelt. Denn dies ist der tatsächliche Frequenzpunkt, bei dem die Yagi-Antenne die beste Leistung erbringt. Sollte dieser nun nicht mit der vorgegebenen Frequenz übereinstimmen, müssen wir den BC-Wert für die jeweilige Boomlänge und die jeweiligen Isolatoren anpassen.
• Wie sieht es mit vielen Low Noise oder Low Temperature Yagi-Antennen mit umgekehrtem Einfluss der Dipollänge aus?
Die GTV 70-14m verfügt beispielsweise über eine „negative Fase“. Genauer gesagt weisen viele rauscharme Yagi-Antennen die Eigenschaft auf, in der Frequenz abzufallen, wenn der Dipol kürzer wird oder bereits kürzer ist, als er sein sollte, und umgekehrt. Einfach ausgedrückt liegt das daran, dass D1 stärker mit Strom belastet ist als der Dipol. Das ist also ein umgekehrtes Verhalten gegenüber dem, was man erwarten würde, aber der Effekt ist erklärbar. Die überwiegende Mehrheit der Low Noise und Low Temperature Yagi-Antennen, unabhängig vom Designer, zeigt dieses Verhalten. Um dies herauszufinden, genügt ein kleines Stück Aluminium, das an die Spitze des Dipols geklebt wird. Steigt die Frequenz der Yagi-Antenne an, dann gehört sie zu dieser Kategorie.
Detaillierte Anweisungen zur Abstimmung von Yagi-Uda-Antennen mit gebogenen Dipol
Die Impedanz des Antennenspeisepunkts beträgt Z = R + jX, wobei R der „Realteil“ und jX der „Imaginäre Teil“ ist. Während R der ohmsche Widerstand am Speisepunkt ist, hat jX kapazitiven oder induktiven Charakter. Bei einer gebogenen Dipolanordnung bedeutet dies vereinfacht gesagt, dass R das übersetzungsverhältnis auf 50 Ohm innerhalb der Yagi-Antenne zum Antennenanschluss darstellt. jX hingegen berücksichtigt die Länge des Dipols im Zusammenhang mit der Yagi-Uda-Struktur, die zu lang oder zu kurz ist, wenn jX nicht Null ist.
Mit einem VSWR-Messgerät können wir keine Veränderungen an den einzelnen Bestandteilen von Z überwachen. Wir sehen weder R allein noch jX. Daher erfassen wir die überlagerung beider Komponenten ausschließlich als Z. Und hier liegt die Herausforderung: Wenn beispielsweise Z = 59 + j (-2,8) Ohm beträgt, ergibt sich ein VSWR von weniger als 1,2.
Beim Biegen und Verändern der Länge des Dipols könnten wir uns beim Abstimmen der Antenne durch die Summe R + jX in die falsche Richtung verleiten lassen. Dies würde bedeuten, dass wir ungeeignete Biegewinkel ableiten, die durch eine ebenfalls ungeeignete Länge des Dipols kompensiert werden. Das daraus resultierende VSWR-Diagramm für das gesamte Band würde nicht dem geplanten entsprechen. Daher empfehle ich, beim Biegen und Anpassen der Dipollänge in iterativen Schritten wie folgt auf das beste VSWR hinzuarbeiten:
1. Dipol nach der Zeichungsangabe vorbiegen
2. Das VSWR auf der für das Design angegebenen Frequenz messen
3. Die Dipolarme ca. 12 mm nach hinten biegen (Massband, Distanze Dipolspitzen zu Reflektor, aufschreiben)
4. VSWR messen (besser / schlechter?), aufschreiben für die Richtungsfindung
5. EIn kleines Stück Metall (Schraube oder dergleichen) in die Enden des Dipol stecken, die um 3..5 mm verlängern
6. VSWR messen (besser / schlechter?), aufschreiben für die Richtungsfindung
7. Wenn schlechter, 2 mm verkürzen
8. VSWR messen
9. Besser? Etwas weiter in die verbessernde Richtung biegen
11. Noch besser?
12. Sonst in die Gegenrichtung biegen
13. Das wiederholen mit / ohne Verlängerung der Dipolenden
14. Wenn schlechter, 2 mm kürzer schneiden
15. Wenn besser, den Biegewinkel in einer weiteren Runde verändern
Sobald Sie die richtige Richtung gefunden haben, wo alle Anpassungen und Längenänderungen das VSWR verbessern, haben Sie die richtige Vorgehensweise gefunden und können ohne allzu viel Hin und Her fortfahren und den Vorgang beschleunigen.
• Bitte beachten:
Die meisten Low Noise-Yagis oder Low Temperature-Yagis weisen die Eigenschaft auf, dass ihre Frequenz sinkt, wenn der Dipol kürzer wird und umgekehrt. Einfach ausgedrückt liegt das daran, dass D1 stärker mit Strom belastet ist, als der Dipol. Dies ist also ein umgekehrtes Verhalten gegenüber dem, was man von einer gewöhnlichen oder einer reinen Hochgewinn-Yagi erwartet.
• Schnelle Testmethode für aus Blech gefertigte Dipole, wie den 'Blade Dipole'
Anstatt die Dipolarme immer wieder zu kürzen, befestige ich ein Stück Aluminiumrest oder ein Stück, das etwa doppelt so groß ist wie ein Cent, an einem Dipolarm – mit gerade so viel Klebeband, dass es an Ort und Stelle bleibt. Wenn man es von der Mitte des Dipolarms nach innen in Richtung Ausleger verschiebt, verkürzt sich der Dipol praktisch, während eine Positionierung in Richtung der Spitzen den Dipol verlängert. So geht es viel schneller, ohne dass man befürchten muss, den Dipol zu kurz zu schneiden. Dadurch lässt sich erkennen, ob der endgültige Dipol länger oder kürzer sein muss. Dann lassen sich auch kleine Anpassungen des Biegewinkels leichter vornehmen.
• Brauchbare Extralänge für den Start des Abgleichs für 70 cm Yagis
Eine Extralänge von 20 mm je Seite ist reichlich viel auf 70 cm. Meiner Meinung liegt dieses Band schon auf der Schwelle zum Mikrowellenbereich. Etwa 4 oder 5 mm pro Seite sind eine bessere Ausgangsbasis und bieten reichlich Spielraum für Anpassungen im Bereich von 430+ MHz.
Beispiel: GTV 70-14m. In meiner Simulation mit NEC und 5 mm Verlängerung pro Seite scheint die Yagi ihren Fokus zu verlieren, in der Kennlinie des VSWR erscheint kein klarer Dip mehr, obwohl wir noch nahe dran sind. Mit zugefügten 10 ... 20 mm pro Seite verliert sie den Fokus komplett und driftet auf 437 ... 439 MHz mit überhaupt keinem guten mehr VSWR. Mit nur 1 mm Verlängerung pro Seite entscheidet sie sich wieder und kommt bei 432.2 MHz zurecht, aber mit noch nicht wirklich gutem VSWR.
Mit 2 mm zu kurz, liegt sie immer noch nahe der gewollten Frequenz, jetzt bei 432.4 MHz, aber auch hier, VSWR nicht besser als 1.13.
Jetzt haben Sie eine Idee davon, wie Yagis auf grobe änderungen der Länge des Dipols reagieren. Innerhalb von 2 mm +/- setzt sie sich bei etwa 432.2 MHz, das VSWR kann auf besten Wert getrimmt werden, immer in Kombination mit kleinen Justagen des Biegewinkels, Schritt für Schritt. Das ist das Verhalten, das Yagis von schmaler bis mittlerer Bandbreite zeigen, die exakten Werte gelten nur für die GTV 70-14m. Aber es gibt dem Leser eine Idee, wie solche Yagis mit passender Boom-Korrektur und genau montierten Elementen grundsätzlich reagieren.
Wie baut man eine Test-Yagi für Messung einer Boom-Korrektur auf?
• Was für eine Bauart von Yagi benutzen?
Die ausgewählte Yagi soll einen scharfen Dip im der Rückflussdämpfung haben. Verwenden Sie Rückflussd&aum;mpfung (Return Loss, S11) für Plots, die Anzeigeauflösung ist weit besser geeignet, um die Frequenzantwort einer Antennen bei unerhalb eines VSWR von ca. 1:1,5 zu beurteilen. Die Yagi soll einen geraden, gestreckten Dipol besitzen. DIese einfachste Bauform hält die wenigsten Herausforderungen bereit (keine Umwegschleife, kein Höhe- zu Breiteverhältnis, kein unklarer Biegewinkel usw.).
• Der Boom
Der Boom sollte idealerweise ein gutes Stück länger als die Yagi sein. Wir fügen zu den Offsets vorne und hinten noch einige Zentimeter an. Damit unterliegen das erste und letzte Element noch ganz genau den gleichen Einfluss des Booms, wie alle anderen (was auch der Grund ist, warum ich in meinen Geometrietabellen Offsets von 30 ... 40 mm angebe).
• Ausgangspunkt ist ein extrapolierter oder geschätzter BC. Ungefähr +3 mm ist ein brauchbarer Wert für die meisten Halter und Boom 20 oder 25 mm bei 144 MHz. Finden Sie einen, der von der Geometrie der Halter, deren Material und den Abmessungen des Booms sehr dicht an dem Experimentalaufbau liegt.
• Wie die Test-Yagi speisen?
Meine Lösung ist ein RG 58 in 'mil'-Qualität, als Stub von 1/4 wl genau auf 144,300 MHz getrimmt. In dieser Phase brauchen wir kein Low-Loss-Kabel. Kabel von größerem Durchmesser ist weniger handlich, was auf der Dipolseite zu ungewünschten Effekten führen kann weil der Abstand größer wird und das Biegen der rechtwinklige Biege der Enden mehr Probleme bereitet. Die aufgetrennte Seite ist mit ca. 7 mm sehr kurz bis zum Dipol. Die andere Seite besitzt eine N-Buchse mit Aluminiumhalter am Boom. Siehe Foto einer solchen Leitung, ausgeführt als 3/4 Lambda für Messung eines BC auf 70 cm:
Das Konzept des 'geerdetem' 1/4 wl Stub verlangt nach einer metallenen Mastklemme und Metallrohr zum Aufstellen der Yagi.
Beachte die Anzahl der Ferrtikerne. Der erste soll so dicht wie möglich am Dipolende sitzen. Viel dichter, als auf dem Foto oben.
• Trimmschrauben im Dip
Dipol und 1/4-Wellenlängen-Leitung bilden eine Einheit. Ist die Leitung ein klein wenig zu kurz, erscheint der Dipol zu kurz und umgekehrt. Deshalb kürzen wir dieses letzte Stück, um ganz sicher zu sein, dass wir den BC – also den tatsächlichen Zustand des besten Return Loss bei der richtigen Frequenz – erreichen. Mit den Schrauben können wir das letzte bisschen möglicher Fehlanpassung der gesamten 1/4-Wellenlängen-Leitung sowie den Einfluss der Dipolhalterung oder des Kunststoffgehäuses ausgleichen – und alles, was noch zu kompensieren bleibt.
Wenn man es nicht hinbekommt, Gewinde 10 x 1 mm in das Rohr zu schneiden, kann man eine kleine Länge 8 x 1 mm Rohr in die Enden stecken. So etwas, etwas, das die Länge enstellbar macht.
• Trimmen, Plotten und ggf. korrigieren der Elementlängen bei unklarem BC
Trimmen Sie nicht auf die gewünschte Frequenz hin, sondern auf den besten Rückflussdämpfungswert, ganz gleich, bei welcher Frequenz dieser liegt!
Denn wir wollen den richtigen BC ermitteln, anstatt wie üblich eine vorhandene Antenne auf eine bestimmte Frequenz abzustimmen. Hier geht es also darum, den tatsächlichen Frequenzgang der Test-Yagi in ihrem aktuellen Zustand zu ermitteln, um darauf aufbauend einen BC zu berechnen.
73, Hartmut, DG7YBN
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