Antennen

Eine 4 Element Moxon Antenne für 70 cm

Strahlungscharakteristik der Antenne in 3D

Das Ziel dieser Antennenentwicklung war es, eine kleine und leichte Richtantenne für 70 cm zu bauen, die möglichst auch noch zerlegbar sein sollte, um sie leicht in den Urlaub oder bei Wanderungen mitnehmen zu können.

Mein Blick fiel dabei auf die Moxon Antenne, da deren Elementlängen etwas kürzer sind als bei Yagis üblich; es gibt unzählige Rezepte, diese Antennen zu bauen (siehe z.B. die sehr umfassende Seite moxonantennaproject.com). Mich hat aber auch interessiert, diese Antenne selber zu modellieren und zu optimieren. Vor allem wollte ich nicht nur eine Zweielement Antenne haben, sondern mindest 4 Elemente.

Foto der 70cm Moxon Antenne

Abb. 1: Der Prototyp der 70cm Moxon Antenne

Das Resultat kann man in Abb. 1 bewundern.

Die Moxon Antenne ist keineswegs ein Kompromiss mit dem ausschließlichen Ziel, die Elementlänge zu verkürzen: denn der geringe Nachteil der verkürzten Elemente (der insofern kaum vorhanden ist, da die am wenigsten strahlenden Enden umgeknickt werden) wird dadurch wieder wett gemacht, dass die zueinander zeigenden Elementenden die Kopplung zwischen den Elementen verstärken, und daher die Wirkung des parasitären Elements stärker wird. Eine 2-Element Moxon ist daher einer 2-Element Yagi nicht unterlegen.

Zur Modellierung benutze ich cocoaNEC, ein Programm für den Mac, welches die NEC2 Engine benutzt. Beim Design von Yagiantennen gilt es immer einen Kompromiss zu finden zwischen Gewinn, Vorwärts-Rückwärts-Dämpfung, und Nebenzipfelfreiheit – und dabei auch noch eine Impedanz zu erzielen, die eine einfache Speisung bzw. Anpassung ermöglicht. Vor allem die Unterdrückung von Nebenkeulen ist in der Praxis wichtig: zum einen erleichtert sie das einfache Auffinden des Maximums, zum andern bedeutet es (bei sonst gleichem Gewinn), dass die Hauptkeule breiter wird, je weniger ausgeprägt die Nebenkeulen sind.

Mit einigem Probieren fand ich schließlich Abmessungen, die meines Erachtens einem Ideal ziemlich nahe kommen. Die Antennenbreite ist dabei etwas größer als sonst bei Moxons üblich. Der erste Direktor liegt relativ nahe beim Strahler (das ist bei Yagis nicht ungewöhnlich – die Variation dieses Abstands hilft auch, eine optimale Impedanz für die Speisung zu finden), und die Kopplung zwischen erstem und zweitem Direktor wird wieder durch die umgeknickten Elemente begünstigt.

Abmessungen der Moxon Antenne

Abb. 2: Abmessungen

Insgesamt ist diese Antenne 29 cm breit (ca. 0,4 λ), und knapp über 20 cm lang (vom Reflektor zum vordersten Direktor gemessen (ca. 0,29 λ). Die Abmessungen findet man in Abb. 2.

Die Ergebnisse der Simulation findet man in den Abbildungen 3, 4, 5 und 6. Man sieht sofort ein sehr sauberes Richtdiagramm und eine sehr gute Anpassung über das ganze Band. Gewinnmaximum und bestes Vor-Rückverhältnis sind am oberen Bandende gegeben, aber auch noch am unteren Bandende als sehr gut zu bezeichnen.

Ergebnis der Simulation

Abb. 3: Ergebnis der Simulation mit cocoaNEC

Gewinn über das Band

Abb. 5: Gewinn (berechnet)

Stehwellenverhältnis

Abb.4: Stehwellenverhältnis (berechnet)

VSWR über das Band

Abb. 6: Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis (berechnet)

Für den praktischen Aufbau eines ersten Modells verwendete ich 2 mm Schweißdraht (Aluminium dieser Stärke hatte ich nicht zur Hand, wäre aber sicher noch besser). Jeweils 2 Elemente sind auf einem hölzernen Elementträger befestigt, und die zueinander stehende Enden mit Schrumpfschlauch verbunden (aus mechanischen Gründen; noch besser geeignet und stabiler wären Kunststoffröhrchen mit 2 mm Innendurchmesser).

Als Speisepunkt verwende ich Lüsterklemmen, und speise direkt mit 50 Ohm Koaxkabel (RG 58). Da das Kabel unsymmetrisch ist, die Antennenspeisung aber symmetrisch, sind Mantelwellen auf der Abschirmung des Koaxkabels vorhanden, die die Antenne zum „Schielen“ bringt; als einfaches Gegenmittel verwende ich zwei aufgeklipste Ferrit-Entstörkerne (ich suchte welche aus, die im UHF Bereich eine möglichst hohe Impedanz haben), die die Mantelwellen stark dämpfen. Natürlich könnte man auch eine „echte“ Symmetrierung vorsehen.

Als Träger für die Elementträger, und für ein kleines Befestigungsbrettchen für das Handfunkgerät, verwende ich eine etwa 30 cm lange 1 cm breite Aluminium U-Schiene, mit jeweils einer M3-Schraube (idealerweise mit Flügelmuttern) zur Befestigung der Hölzchen.

Dieser Aufbau ist sicher mehr als „proof of concept“ zu verstehen denn als endgültige Aufbauempfehlung. Elegant wäre es, anstelle der hölzernen Trägerelement Kunststoffteile aus dem 3-D-Drucker zu verwenden.

Beim Abgleich der Antenne stellte sich heraus, dass das minimale SWR gegeben ist, wenn der Abstand vom Strahler zum ersten Direktor etwa 5 mm größer ist als im Modell errechnet – da zeigt mein FT 817 in Bandmitte dann 1:1 an (leider habe ich derzeit keine wirklich guten Messmittel für 70 cm – mein MFJ 259 geht leider nur bis zum 2 m – Band). Dies sollte laut Modellierung keinen nennenswerten Einfluss auf die übrigen Parameter haben. Erste Ergebnisse in der Praxis sind gut – ich hoffe irgendwann auch noch genauere Messungen machen zu können, um zu sehen, wie sehr Modellierung und Praxis übereinstimmen.

Noch kurz eine Anmerkung zum Antennengewinn:

Über 8 dBi bedeuten etwa 6 db über einem Dipol – allerdings unter tatsächlich nie vorhandenen Freiraumbedingungen. Modelliert man die Antenne in einer für Portabelbetrieb realistischen Höhe von etwa 1,7 m über Grund, liegt der Gewinn bei über 14 dBi (12 dB über einem Dipol) – die „Reflexion“ am Erdboden steigert also den Gewinn nicht unbeträchtlich (übrigens der Grund, warum im HF Bereich ein Beam fast immer SEHR viel besser ist als eine ein Dipol oder eine Vertikal). Der Gewinn im Vergleich zur mit dem Handfunkgerät mitgelieferten „Gummiwurst“ kann nur geschätzt werden – er wird in der Praxis wohl aber immer mindesten 10 dB betragen,  und es macht doch einen Unterschied, ob man effektiv 2 Watt oder 20-30 Watt rausbringt….

Funkamateur seit 1967 (Lizenzprüfung ohne Morsen) bzw. 1968 (Morseprüfung). 1st QSO 20.7.1968. Nach vielen sehr interessanten Berufsjahren in IT und Informationssicherheit (in sehr internationalem Umfeld) nun im Ruhestand, wo mehr Zeit bleibt für die diversen Hobbies. Neben dem Amateurfunk sind das u.a. Photographie, Malen, Singen, Reisen, Camping & Wandern.

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