Einfache Vertikalantennen: J-Pole und VK2ZOI “Flower Pot” Antenne

Für FM-Betrieb im 2m- und 70cm-Band werden vertikal polarisierte Antennen gebraucht. Mag für den Portabelbetrieb über Repeater die zum Handfunkgerät mitgelieferte “Gummiwurst” ihren Dienst ausreichend gut versehen, sieht es bei Direktbetrieb (z.B. bei SOTA Aktivitäten) oder beim Betrieb von zuhause aus schon anders aus – eine bessere Antenne muss her! Natürlich kann man sich immer was Passendes kaufen – aber gerade im Antennenbereich ist Selbstbau (und Experiment!) lohnend und hat einen hohen Spaßfaktor. Im Folgenden möchte ich zwei Antennen vorstellen, die mit minimalem Aufwand realisiert werden können.

J-Pole Antenne vs. VK2ZOI-Dipol

Die J-Pole Antenne ist schon sehr oft in verschiedenen Varianten beschrieben worden und insbesondere in den USA äußerst beliebt. Es handelt sich dabei im Prinzip um einen endgespeisten Dipol. Endgespeiste Antennen sin Im Speisepunkt sehr hochohmig, man braucht daher irgend eine Form von Transformationsglied, um von der üblichen 50 Ohm-Impedanz des Speisekabels zur hochohmigen Impedanz des Dipolendes zu gelangen. Dies kann mit parallelen oder koaxialen Anpassleitungen geschehen, die entweder, wenn sie an einem Ende kurzgeschlossen sind, eine Viertelwellenlänge, oder, wenn sie an beiden Enden offen sind, eine halbe Wellenlänge lang sein müssen (insbesondere bei koaxialen Leitungen ist aber der Verkürzungsfaktor des Kabels zu berücksichtigen). Auf so einer Transformationsleitung findet man alle Impedanzwerte zwischen 0 Ohm (Kurzschluss) und (beinahe) unendlich (am offenen Ende bzw. an den offenen Enden). Irgendwo dazwischen gibt es die Impedanz 50 Ohm, und dort kann man das Speisekabel anschließen.

VK2ZOI ist mit seiner “Flowerpot (Blumentopf) Antenne” einen anderen Weg gegangen: der Dipol wird in Strahlermitte gespeist, allerdings ist die Zuführung der Speiseleitung etwas ungewöhnlich: Die Außenseite der Abschirmung des Koaxkabels bildet die untere Dipolhälfte. Das ist möglich, weil bei hohen Frequenzen die Außenseite der Abschirmung mit der Innenseite auf Grund des Skineffekts sozusagen “nichts zu tun” hat.

Es muss aber ein Trick angewendet werden – die Abschirmung muss ja entlang des ganzen Kabels durchgängig sein, das Strahlerende des Dipols muss aber klar definiert sein und darf sich nicht entlang des Kabels bis zum Funkgeräte “hinziehen”. Der Trick besteht nun darin, an geeigneter Stelle das Kabel zu einer kurzen Spule aufzuwickeln, einer sogenannten Mantelwellensperre, die im Idealfall (bei Eigenresonanz) eine sehr hohe Impedanz aufweist (wie das Ende eines Dipols eben). Für das Kabel als Speiseleitung bleibt diese Spule wirkungslos, sie wirkt nur “auf der Außenseite”.

Praktische Ausführungen

Silvio hat erst kürzlich auf diesem Blog auf einen Link für eine J-Pole aus Koaxialkabel hingewiesen; ich möchte hier noch auf einen anderen Artikel hinweisen, der eine portable J-Pole aus Flachbandkabel beschreibt, und zwar mit zwei Varianten der Einspeisung. Die Beschreibung der VK2ZOI Antenne findet sich hier.

Vor- und Nachteile

Beide Antennenformen sehen sich äußerlich ein bisschen ähnlich, da das Speisekabel von unten zugeführt wird, was für vertikal polarisierte Antennen natürlich von Vorteil ist. Die J-Pole ist aber deutlich länger, und zwar um fast 50%, aufgrund des zusätzlichen Anpassstubs. Auch elektrisch gibt es große Unterschiede: Die J-Pole ist eine echt endgespeister Dipol (abgeleitet von der Zepp Antenne), während es sich bei der “Flower Pot” um einen mittengespeisten Dipol handelt.

Von verschiedenen Seiten habe ich gehört, dass die J-Pole möglichst frei stehen (oder hängen) soll, um gut zu funktionieren – ich führe das auf die Endspeisung zurück: endgespeiste Antennen reagieren ziemlich empfindlich auf Umgebungseinflüsse – bei Kurzwellenantennen, die mit Tuner betrieben werden, macht das kaum was aus, da die Einflüsse “weggestimmt” werden, bei VHF und UHF (Betrieb ohne Tuner) führt das aber zu starken Schwankungen des VSWR mit entsprechend negativen Folgen. Mittengespeiste Antennen sollten sich da etwas robuster zeigen.

Man muss aber natürlich darauf hinweisen, dass die Mantelwellendrossel der VK2ZOI Antenne auch ein problematischer Punkt ist – die Impedanz wird niemals so hoch sein, wie man es sich wünschen würde, mit entsprechenden Einbußen beim Wirkungsgrad.

Mehrbandbetrieb

Versuche zeigen, dass man einen 2m-Dipol auch auf der dreifachen Frequenz (also im 70 cm Band) mit einigermaßen brauchbarem VSWR betreiben kann – weiters nicht verwunderlich, da die Antenne auch auf der dreifachen Frequenz resonant ist. Worauf hingegen oft nicht hingewiesen wird, ist die Tatsache, dass die Hauptstrahlungskeulen dann nicht im rechten Winkel zur Dipolrichtung stehen, sondern um etwa 60 Grad versetzt – das heißt bei einer Vertikalantenne, dass die Hauptstrahlrichtung schräg nach oben in den Himmel zeigt, während für die gewünschte Abstrahlung in Richtung Horizont kaum noch etwas übrig bleibt.

VK2ZOI hat für seine Flowerpot Antenne einen Weg gezeigt, wie man das Problem beheben kann: mithilfe eines “Sleeves”, der über die Dipolmitte geschoben wird (und zwar ohne jegliche leitende Verbindung), und der aus dem  3λ/2-Dipol de facto zwei kollineare λ/2-Dipole macht. Dieser Sleeve ist etwa eine halbe Wellenlänge für 70 cm lang, aber um einen Verkürzungsfaktor gekürzt, der vom Dielektrikum zwischen Dipol und Sleeve abhängig ist. Für das 2m-Band hat der Sleeve keine Auswirkungen, da er im Vergleich zur Wellenlänge sehr kurz ist.

Es läge nun nahe, dasselbe Prinzip auch auf die J-Pole anzuwenden – leider funktioniert das nur sehr bedingt – der Grund dürfte die Endspeisung sein, und die damit doch etwas anderen Stromverhältnisse auf der Antenne. Ich habe mit cocoaNEC simuliert, wie sich ein mittengespeister Dipol und eine J-Pole verhalten (jeweils mit dem oberen Dipolende in 2,7 m über Grund), wenn man sie mit einem Sleeve versieht – der Unterschied ist doch gravierend:

Man sieht beim Dipol den deutlichen Gewinn im 70 cm Band, der sich durch die Kollinearität ergibt – bei der JPole ist die Hauptstrahlungsrichtung immer noch himmelwärts, wenngleich sich durch den Sleeve zumindest eine flache Nebenkeule ausgebildet hat, die fast genauso viel leistet wie die Steilstrahlung. Hier im Vergleich die J-Pole ohne Sleeve – da ist die flache Keule um etwa 2db schwächer ausgeprägt und damit schon etwa 3 dB unter der Hauptkeule:

 

Man sieht dabei, dass bei Mehrbandbetrieb die J-Pole doch nur ein Kompromiss sein kann (abgesehen vom VSWR, das auch nur auf einem der beiden Bänder optimal sein kann) – sie geht, weist aber keinen Gewinn gegenüber einem einfachen 70cm Dipol auf (bzw. ohne Sleeve sogar einen leichten Verlust). Die VK2ZOI als mittengespeiste Antenne hat bei gewünschtem Mehrbandbetrieb auf 70 cm wohl die Nase vorn (auf 2m wird wohl nicht viel Unterschied sein, außer dass die VK2ZOI wohl etwas unempfindlicher auf Nahfeldeinflüsse sein dürfte).

Zuletzt möchte ich noch auf eine weitere Variante der VK2ZOI Antenne hinweisen, die vor allem für den stationären Betrieb interessant sein dürfte: man kann nämlich zwei dieser Antennen kollinear übereinander anordnen, mit entsprechendem höheren Antennengewinn auf beiden Bändern, wie VK2ZOI auf seiner Website beschreibt (3 dBd auf 2m, 6 dBd auf 70 cm).