Homebrew, resonanter Ultraleicht-Dipol aus verdrillter Speiseleitung, Uli-DL2LTO

Ein resonanter Ultraleicht-Dipol aus verdrillter Speiseleitung für das 20m Band

Projekt: Ein resonanter Ultraleicht-Dipol aus verdrillter Speiseleitung für das 20m Band

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Einleitende Worte

Vorgenommen hatte ich mir, einen resonanten Dipol aufzubauen, der mit einer verdrillten Speiseleitung versorgt wird. Ist ja nicht ungewöhnlich. Die Anpassung an den TRX mit seinen 50 Ω sollte aber ohne Tuner efolgen. Ja, ich weiss, das ein Dipol, der mit einer symmetrischen Speiseleitung betrieben wird, nicht resonant sein muss.
Ich hatte noch einige Meter Teflon ummantelte Litze mit einem Außendurchmesser von ca. 1,2 mm rumliegen und damit experimentierte ich.
Die Speiseleitung wurde verdrillt und der Übergang von Speiseleitung zu Strahler auf einem Stück Plexiglas zusammengeführt. Warum kein Elektrikerknoten? Ganz einfach. Ich hatte nicht mehr so einen langen Draht, ich musste somit ‚stückeln'. Die Einfachheit, eine durchgehende Verbindung, kein Löten, kein Tuner und sehr geringes Gewicht überzeugten mich. Und es hat funktioniert, ich habe QSO's gefahren!

Der Dipol mit halber Wellenlänge [2 x λ/4] ist in Resonanz auf der von mir gewünschten Frequenz.
Der Imaginärteil am mittigen Anschlusspunkt geht gegen Null und ist nahezu reell mit fast nur einer ohmschen Komponente. Das sind um die 50 bis 60 Ω. Nun hat aber meine verwendete verdrillte Speiseleitung keine 50 Ω sondern bewegt sich so um die 100 bis 120 Ω. Wie bekomme ich nun die ca. 50 Ω vom Fußpunkt des Dipols über die ca. 110 Ω verdrillte Speiseleitung an die 50 Ω meines TRX. Ohne zusätzliche externe Bauteile!
Ich muss die Speiseleitung so lang machen, dass der Fußpunktwiderstand von der Dipolmitte zur TRX-Buchse kommt. Diese Transformation übernimmt eine zwischen λ/4 und λ/2 lange Zuleitung, welche die Impedanz vom Fußpunktwiderstand/Leitungsanfang genau an das etwa 50 Ω Leitungsende/TRX überträgt. Ich musste nur ein wenig experimentieren.
Die symmetrische Speiseleitug muss also eine ganz bestimmte Länge haben. Und die gilt es nun zu ermitteln.

Eine abgestimmte Feederleitung mit λ/2 überträgt das Strom/Spannungsverhältnis vom Speisepunkt des Dipols an den TRX Eingang.

Das bei genau λ/2. Nur ist mein Speisepunktwiderstand nicht genau 50 Ω. Also muss ich mit der Länge der Feederleitung etwas experimentieren. Somit erreiche ich eine Transformation auf die gewünschten 50 Ω. Es ist eine x mal λ/4 Transformation, mit x-Werten von 1 bis 1,99. Kommt auch darauf an, wie lang meine Feederleitung minimal sein soll.

Ich passe beide Widerstände nur mit einer Variation der Feederlänge an und meide so weitere zusätzliche Verluste.
Der Eingangswiderstand wird über die symmetrische Feederleitung transformiert, die je nach Strom/Spannungsverhältnis eine bestimmte Länge haben muss. Der Wellenwiderstand der Feederleitung ist dabei gar nicht so wichtig.

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Die teflonummantelte Litze besteht aus 7 x 0,2 mm Drähten und hat einen Außendurchmesser von ca. 1,3 mm.

Versuch einer Längenbestimmung der Speiseleitung

Elektromagnetische Wellen breiten sich in einem Medium ungleich Luft langsamer aus. Dadurch wirken Kabel elektrisch länger als sie wirklich sind. Kabel sind somit mechanisch kürzer als theoretisch, mit der Annahme eines Vakuums bzw. Luft, berechnet. Der Verkürzungsfaktor ist von dem verwendeten Material des Dielektrikums abhängig.
Um die annähernd genauen Längen zu bekommen, muss der Verkürzungsfaktor bekannt sein. Das sowohl für die beiden λ/4 Dipolhälften als auch für die λ/2 Speiseleitung. Beide sind nicht gleich. Die mechanische Strahlerlänge, des Halbwellendipols, hier 2 x λ/4 berechnet sich für die gewünschte Resonanzfrequenz nach folgender Formel.
Länge [m] = 145,4 / Frequenz [MHz] für λ/2
Berücksichtigt wurde ein Verkürzungsfaktor von 0,97.
Für eine gewünschte Resonanzfrequenz von 14,060 MHz müsste jede Hälfte des Dipols ca. 5,17m lang sein. Diese Berechnung funktioniert noch recht verlässlich.
Wie ist es aber mit der mechanischen Strahlerlänge der verdrillten Speiseleitung? Wie ist der Verkürzungsfaktor, den ich zu Grunde legen kann?
Ich bin mal mutig und nehme diesen mit 0,78 bis 0,84 an. Denn ich benutze ein verdrilltes Kabel mit unbekannten sich beeinflussenden Faktoren. Ein praktischer Versuch soll Aufklärung bringen.

	14,95m meiner verdrillten Speiseleitung wird an einem Ende mit einem Dummy von 50 Ω abgeschlossen. Am anderen Ende messe ich mit dem vektoriellen Analyser die Resonanzfrequenz von ca. 8,10 MHz.

	Die 2:1 SWR Bandbreite gemessen von 7,76 bis 8,47 MHz.

	Die theoretische Wellenlänge würde 149,9 / 8,10 MHz also ca. 18,51m betragen. Aus diesen beiden Werten errechnet sich ein Verkürzungsfaktor von 14,95 / 18,51 = 0,81.

	Für die gewünschte ca. λ/2 lange verdrillte Speiseleitung begann ich mit einer Anfangslänge von ca. 8,80m. 149,9 x 0,81 / 14,06 = 8,64m

Das sind theoretische Längen, die aber bestens als Grundlage für eine praktische Überprüfung dienen. Ich nehme eine 8,80m lange verdrillte Leitung, schließe eine Seite mit einem 50 Ω Dummy ab. Mein Messsignal von 14,060 MHz speise ich am anderen Ende ein und war vom Ergebnis begeistert, SWR fast 1:1.

Verdrillte Leitung zur Antennens, ein praktisches Experiment

Welche Impedanz hat denn nun meine verdrillte Speiseleitung?
Interessiert mich dieser genaue Wert als Praktiker überhaupt? Das macht doch mein Z-Match!
Wie bekannt beeiflusst der Kabeldurchmesser, die Isolationsdicke, und geringfügig auch die Anzahl der Verdrehungen die Impedanz des Kabels. Festgestellt wurde, dass Verdrehungen die Leitungsimpedanz senken und eine dickere Isolierung die Impedanz erhöht. Sind die Adern leicht verdrillt kommt man auf etwa 110 bis 120 Ω.
Ohne irgendeine HF-Messtechnik wird es schwer sein, das genau zu ermitteln. Die theoretischen Berechnungen liefern nur einen Orientierungswert. Einfacher ist es, das Kabel zu verdrillen und dann zu messen.
Wenn die Adern nicht verdrillt sind, also nur so zufällig nebeneinander liegen, wird das Kabel kaum einen so gleichmäßigen Wellenwiderstand haben, dass es sich lohnt, darüber zu reden. Bei einer exakt aufgebauten Hühnerleiter ist das natürlich anders. Was aber mit der Frequenz steigt, ist die Dämpfung, besonders wenn man bedenkt, dass das Isoliermaterial nicht nach seinen HF Qualitäten ausgewählt wurde. Teflon war aber eine sehr gute Wahl!
Die Teflonlitze in meiner Bastelkiste wurde in einer Länge von ca. 10,5m leicht verdrillt. Dadurch erreiche ich einen symmetrischen Aufbau, der eine HF Abstrahlung über die Speiseleitung zu ca. 98% verhindert.
Eine ‚echte Hühnerleiter' mit Spreizern und Luftdielektrikum verkraftet ein hohes SWR, da die zusätzlichen Verluste durch das erhöhte SWR sehr gering sind. Bei der verdrillten Speiseleitung sind die Verluste sicher höher, aber durch die Teflonisolierung nicht zu hoch.

Und es gibt einen 'Bonus'. Da der Dipol mit einer symmetrischen Speiseleitung versorgt wird, kann er mit geringen Verlusten als Multiband-Antenne verwendet werden. Mit einem

Tuner von 10 bis 40 Metern.
Du kannst dir sicher sein, durchweg gute Raporte aus ganz Europa und sogar Übersee zu bekommen.

Du musst dir folgendes vorstellen.
Wenn ein Frequenzband von 3,5 bis 30 MHz mit dieser Antenne abgestrahlt bzw. empfangen werden soll, ergeben sich sehr unterschiedliche Spannungs- und Stromverläufe auf der Antenne und der Versorgungsleitung.
Das resultierende Verhältnis von Spannung und Strom tanzt am unteren Ende der Speiseleitung gewissermaßen von einem sehr niedrigen auf einen sehr hohen Wert mit vielen Zwischenwerten. Immer entsprechend der gerade eingestellten Frequenz.
Und so eine Situation muss der angeschlossene Tuner beherrschen. Um diese Antenne in dem angegebenen Frequenzband, bei jeder Frequenz unter diesen Bedingungen zu verwenden, ist es notwendig, einen Antennentuner der den geforderten Abstimmbereich meistert, zu verwenden.
Denn er muss das auftretende Spannungs-Strom-Verhältnis am unteren Ende der Speiseleitung auf die 50 Ω des TRX-Eingangs anpassen.
Ein wichtiger Punkt ist deshalb ein guter Antennen Tuner, ein

Z-Match ist eine sehr gute Wahl.

Die beiden Strahlerhälften werden in einem Plexiglas mit der verdrillten Speiseleitung verbunden. Über den oberen Pippus wird die Antenne über die GFK-Spitze geschoben bzw. woanders aufgehängt.
Es dürchte dir ja auch bekannt sein, dass die Resonanzfrequenz niedriger ist, wenn die Dipolhälften näher an dem Boden aufgehängt wurden, und umgekehrt. Zum Beispiel wurde der Aufhängepunkt als 'inverted V' bei 6,70m gewählt. Das niedrigste SWR wurde um die 13,9 MHz gemessen. Bei einem höheren Aufhängepunkt von 9,50m konnte ich ein bestes SWR bei ca. 14,1 MHz messen. In beiden Fällen lag das SWR bei 14.060 nicht über 2,5.

Praktische Umsetzung als 'leichtgewichtige' effektiven QRP-Antenne

Ein solches aufgezeigtes 'Zip-Cord' Antennensystem darf nicht unterschätzt werden.
Man muss es einmal positiv, optimistisch sehen, darf aber die Dämpfungswerte der Feederleitung bei hohen Frequenzen nicht klein klein reden. Wenn schnell mal ein Dipol für Portabel- oder Wochenendbetrieb gebraucht wird und nicht gerade im UKW Band Betrieb gemacht werden soll, ist erst mal nichts einzuwenden. Immer besser, als keine Antenne.
Es ist aus meiner Sicht kein‚Notfall-Dipol'.
Konstruktionsbedingt durch dünne Teflonlitze, Z-Match für QRP, Plexiglasmaterial ist nur QRP Betrieb vergesehen. Mit Augenzwinkern bis ca. 30 Watt. Bei mehr Leistung bewegen wir uns schon in auftretene Spannungsbereiche, die uns entgleiten können!
Wir sprechen im dem Beispiel von einer Feederlänge von ca. 10 m. Das sind Pinats und halten die durch erhöhtes SWR auftretende Verluste in Grenzen. Wir bewegen uns nicht über 3 bis 6 dB hinaus. Das ist eine S-Stufe. Vergiss es. Im Hinterkopf aber immer daran denken, dass wir QRP Betrieb fahren und 3 dB halbiert die abgestrahlte Leistung. Siehe auch den Beitrag

'Verdrillte Feederleitung, geht denn das?'
Für höhere Frequenzen, vor allem bei langen Feederlängen ist genauer auf die Dämpfungswerte zu schauen. Das sagt aber nicht, dass es unmöglich ist damit erfolgreich QSO's zu fahren. Denkt an QRPP.
Der Reiz liegt im Experimentieren und damit Erfolg haben. Also Machen ...

So sieht die Aufhängung an der GFK-Mastspitze aus.

Aufwickelhaspel aus Plexiglas in doppelter K-Form. Links und Rechts für einen Kreuzwickel der beiden Dipolhälften. Mittig für den Wickel der verdrillten Feederspeiseleitung.

Bewickelte Doppel-K-Haspel. Die gesamte Antenne wiegt wie hier abgebildet nur ca. 180g.

Auch allen sicher bekannt, dass die Resonanzfrequenz niedriger ist, wenn die Dipolhälften näher am Erdboden aufgehängt wurden, und umgekehrt.

Materialschonendes Trimmen des Dipols auf Resonanzlänge mittels Kordelstopper

Für die anfänglichen Abgleicharbeiten des Dipols markierst du die berechnete Antennenlänge. Du kannst aber schon mal ca. 3% abziehen und mit einem ersten Abgleichversuch beginnen.
Die Dipolschenkel sollten etwas zu lang sein. Nicht abschneiden! Nach dem Zurückfalten und tapen kann erneut gemessen werden. Das Tapen ist eine Art, das zurückgefaltete Stück Draht zu fixieren.
Eine bessere und flexiblere Lösung ist das Benutzen eines oder mehrerer Kordelstopper. Das sind die Dinger, welche die Zugschnüre bei Jacken oder anderen Kleidungsstücke variabel machen. Diese Kordelstopper funkionieren sehr gut, besonders, wenn du die Länge der Dipolhälften öfters schnell verändern musst.
Die Stopper werden in verschiedenen Größen und Ausführungen in einem gut sortierten Kurzwarengeschäft oder im Onlineversand angeboten. Die Drahtenden müssen nicht abgeschnitten werden. Wenn du die nicht benötigte Länge einfach zurückfaltet und eng an den Strahler anliegen lässt, hat dies den gleichen Effekt, aber mit dem Vorteil, das spätere Verlängerungen wieder problemlos möglich sind.