Fernseh-Flachantenne

Hallo Gunnar,

die 4 Strahler wurden hier vorgesehen, um auf eine Impedanz von 240 Ohm zu kommen. Grob gesagt, 4 Ganzwellendipole mit ca. 1000 Ohm parallelgeschaltet.

Besten Dank für die Bilder mit den Daten.

Mit meinen Mitteln kann ich brauchbar Antennen simulieren auf recht hohem Niveau. Wie ich schon schon schrieb, benutze ich dafür EZNEC, Kaufversion. Häufig geben Hersteller Daten an, die geschönt sind. Ich bin mal gespannt, was ich herausbekomme. Die Simulation wird mittelschwere Fleißarbeit beim Eingeben der Daten. Wenn das "Kurzprogramm, kleine Feierlichkeit am Wochenende" nicht zu lang wird, gibt es bald von mir erstellte Daten.

Andreas, DL2JAS

Kurz was zur Antenne oder Achims Beschreibung etwas ausführlicher.

Auch der Laie wird es schon gesehen haben, hier werden 4 übereinander gestockte Ganzwellendipole betrieben. Das meint Wiki zum Dipol:
http://de.wikipedia.org/wiki/Dipolantenne
Meist verwendet man den Halbwellendipol. Dieser ist recht handlich bezüglich Impedanz und ist eigenresonant. Der Ganzwellendipol bringt etwas mehr Antennengewinn, ist jedoch relativ hochohmig. Schaltet man mehrere davon parallel, ist die Hochohmigkeit von Vorteil.
Bei der gezeigten Antenne ist der Dipol ein plattes X. Dadurch wird der Dipol etwas breitbandiger, ein häufig gewünschter Effekt.
Die waagerechten Streben hinter den Dipolen bilden einen Reflektor. Dieser macht im Idealfall, daß keine Signale von hinten aufgenommen werden können, praktisch ein Spiegel.
Wenn man identische Antennen stockt, kann man die Strahlungskeule beeinflussen und somit den Antennengewinn. Im Idealfall bringt eine Verdoppelung der Antennenzahl einen Gewinn von 3 dB, also doppelte Leistung. Bei 4 Antennen wird somit zweimal verdoppelt, also 6 dB.

Andreas, DL2JAS

Wie simuliert man eine Antenne?

Es gibt freien Programmcode, mit dem man Simulationen durchführen kann. Ich benutze NEC3 in anwenderfreundlicher Verpackung, EZNEC. NEC3 ist eine Engine, die man mit "Drähten" füttert und dann auch sehr einfach Ergebnisse ausspuckt wie Winkel, Impedanzen und dB.
Das Programm EZNEC erleichtert einem die Eingabe und visualisiert sie. Die "Drähte", Einzelteile der Antenne, muß man dennoch per Hand eingeben. EZNEC zeigt lediglich das graphische Ergebnis und warnt bei Eingaben, die den optimalen Simulationsbereich verlassen oder böse falsch sind. Hier meine Eingabetabelle für einen einzelnen X-Dipol mit realem Reflektor, wie von Gunnar übernommen:



EZNEC ist nett und macht aus dem Zahlenwirrwarr eine Graphik, die für den Einzeldipol mit Reflektor so aussieht, jetzt direkt auf den X-Dipol geschaut und Reflektor hinten.



Diese dreidimensionale Graphik kann man sogar beliebig drehen. So sieht die Antenne aus, wenn man sie seitlich von oben sieht, in dem Fall ist der Reflektor unten links.



Bis jetzt habe ich "nur" diesen kleinen Teil, also 1/4, simuliert. Achim wird es vermutlich interessieren, die gezeigte Einzelantenne ist bei 550 MHz resonant und hat gut 800 Ohm ohne nennenswerten Blindanteil. Diese Nacht werde ich nicht mehr weiter simulieren, ist schon spät. Die Ergebnisse für einen einzelnen X-Dipol unter den gegebenen Bedingungen werde ich nicht vorenthalten!

Andreas, DL2JAS

Kommen wir zu den Diagrammen!

Im ersten Bild sieht man das Horizontaldiagramm, also das Strahlungsverhalten in der waagerechten Ebene.



Der Reflektor ist nicht ideal, deswegen empfängt die Antenne auch etwas aus der Rückwärtsrichtung. Das Verhältnis vorwärts zu rückwärts beträgt 13 dB. Das Berechnungsprogramm gibt den Antennengewinn in dBi an. Das ist der isotrope Kugelstrahler, eine gedachte Antenne, die in alle Richtungen gleich strahlt. Ein einfacher Dipol Lambda/2 hat über diesem einen Gewinn von 2,14 dB. Somit beträgt der Gewinn dieser Antenne 5,8 dB gegenüber einem Halbwellendipol. Betrachten wir nun das Antennendiagramm in der vertikalen Ebene, Elevation.



Hier sieht das Diagramm nicht so schön aus, die Antenne ist recht offen. Bei Fernsehantennen ist ein recht kleiner Öffnungswinkel erwünscht, der Sender fällt ja praktisch waagerecht ein.



SWR steht für standig wave ratio.
Aus der Graphik kann man entnehmen, wie gut die Antenne angepasst ist und ob sie in Resonanz ist. Je kleiner das SWR, um so besser. Bei Sendeantennen ist ein Wert kleiner 2 brauchbar und 1 bedeutet ideale Anpassung.

Andreas, DL2JAS

Dh. beste Resonanz bei 550MHz? Wurden deshalb evtl. manche UHF-Antennen mit kleinerem Öffnungswinkel realisiert? Ich erinnere mich an V-förmige Reflektorkonstrukte --Hans--

Hallo die Runde,

beeindruckend, wie die Daten der Antenne jetzt so umfangreich rückwirkend ermittelt wurden.

Das Maximum bei 550 MHz wäre vielleicht so zu erklären: Das UHF Band IV geht von 470 - 582 MHz. Die Mitte ist somit bei 526 MHz - in der Nähe der Resonanz der Antenne. So würde ich jetzt folgern, dass dieser Antennentyp aus der Zeit stammt, als erst das ZDF im Band IV seinen Betrieb aufgenommen hatte und das Band V noch nicht (wie später durch die Dritten) in Deutschland genutzt wurde.

Somit wäre die Antenne eine (reine) Band IV Antenne.
Natürlich ließ sich damit auch das Band V mit Abstrichen beim Antennengewinn empfangen.

Vorsicht mit der momentanen Resonanzfrequenz!

Die kann sich noch verschieben. Momentan zerbreche ich mir den Kopf, wie ich die 4 Dipole anschließe. Die symmetrische Zweidrahtleitung kann ich schlecht als Antennensegmente simulieren. Da muß wieder ein anderes Modell her, was auch die Phasenverschiebung berücksichtigt, die äußeren zwei Dipole werden ja mit 180° Phasenverschiebung gespeist.

Andreas, DL2JAS

Anbei ein kleines "Abfallprodukt"!

Momentan habe ich einen einfachen Ganzwellendipol im Freiraum simuliert, der als Werkzeug beim phasen- und impedanzrichtigen Speisen dienen soll. Davon mal schnell Strahlungsdiagramm und SWR. Dem geneigten Leser mögen die beiden Graphiken zum Vergleichen dienen.



Das Diagramm mit der liegenden 8 ist bekannt, sollte man noch aus der Schule kennen. Der Ganzwellendipol hat gegenüber dem Halbwellendipol gut 1 dB mehr Gewinn.



Die Referenz mit 1000 Ohm für das SWR habe ich willkürlich gewählt, damit man ein brauchbares Diagramm sieht. Der Ganzwellendipol hat in dem Beispiel eine Länge von 50 cm und einen Durchmesser von 4 mm, übliches Rundmaterial Alu. Die Resonanzfrequenz ist übrigens recht genau die Mitte von Band IV.

Andreas, DL2JAS

Mein Win ist gerade am abschmieren, bzw. die Festplatte macht unangenehme Geräusche.

http://saba-forum.dl2jas.com/bildupload/wisi4dipol.pdf
Das ist die Wisi-Antenne, fast fertig simuliert. Ich habe sie hier als Sicherheitskopie hochgeladen, falls der Rechner ganz platt sein sollte. Die Datei ist natürlich nicht PDF. Das Format habe ich nur gewählt, weil damit Upload möglich ist. Wer eine Vollversion EZNEC hat, kann sich die Datei gern anschauen, vorher in .ez umbenennen.

Andreas, DL2JAS

Tapeworm664 postete

Wie entscheidend ist eigentlich der Durchmesser der Elemente dabei?

Vereinfacht ausgedrückt wird die Bandbreite eines Dipols von der Stärke seiner Stäbe bestimmt.
Hier ist es aber nicht ganz so einfach, da wir es hier mit Spreizdipolen (Doppel- V-Dipole) zu tun haben.
Durch diese Dipolbauart wird einen hohe Bandbreite möglich.
Dann werden diese Spreizdipole noch in bestimmter Art und weise zusammen geschaltet.

So aus dem Bauch heraus vermute ich, das es in der Simulation noch irgendwo hackt.

Gruß Ulrich

Gunnar, 4 oder 10 mm Durchmesser beim Dipol UKW ist kein nennenswerter Unterschied.

Ich gehe jetzt von einem Einzeldipol aus, nicht von einem Speiseelement in einer Yagi, die schmalbandig auf höchsten Gewinn optimiert ist. Bei der wird langsam der Skineffekt interessant. Bei zu kleinen Durchmessern und ungeeignetem Material verschenkt man was im Bereich 0,x dB, auch bei der Wahl der Direktoren.
Ein einfacher Dipol für Radioempfang ist unkritisch, da reicht Pi mal Daumen.

Andreas, DL2JAS

Langsam stoße ich an die Grenzen des Simulators.




Inzwischen habe ich 67 einzelne Drähte definiert, um die Antenne zu beschreiben. Dabei habe ich 500 Segmente verwendet, mehr lässt der Simulator nicht zu. Bei einigen Drähten musste ich Segmente einsparen, hauptsächlich im Reflektor. Das gibt Warnmeldungen, die relativ harmlos sind, etwas zu große Segmentlänge, nicht mehr optimaler Simulationsbereich.


Um die Speisung aller 4 Dipole zu realisieren, gibt es prinzipiell drei Möglichkeiten.

Die Zweidrahtleitung kann ich als Teil der Antenne definieren, also mit weiteren Drähten. Die Version entfällt, da ich keine freien Segmente mehr habe. Auch wird der Simulator Probleme bekommen bezüglich der Leitungseigenschaften wie Transformation.

Der Simulator kennt Leitungen mit Transformationseigenschaften, jedoch keine reale symmetrische Leitung. Dummerweise ist die Zweidrahtleitung 35 mm breit, nicht mehr vernachlässigbar klein im Verhältnis zur Dipollänge.

Man kann ganz auf die symmetrische Leitung verzichten. Jeder Dipol bekommt seinen eigenen Speisepunkt. Bei den Quellen kann ich Phasenverschiebungen eingeben. Die Phasenverschiebung lässt sich ja einfach über Länge und Frequenz berechnen. Haken an der Sache, die Transformationseigenschaften der Leitungen werden nicht berücksichtigt, nur die Phasenverschiebung geht in die Simulation ein.

Andreas, DL2JAS

Bei der Simulation nahm ich letztere Methode, 4 Quellen mit eingestellter Phasenverschiebung.

Den Haken sprach ich schon an, eventuelle Transformationseigenschaften der fehlenden symmetrischen Leitung werden nicht berücksichtigt, wohl aber die Phasenverschiebung. Die lässt sich recht einfach über Leitungslänge und Frequenz ermitteln. Vom Speisepunkt der Antenne bis zum inneren Ganzwellendipol beträgt die Entfernung 125 mm. Bei 526 MHz, Mitte von Band IV, sind das 79°. Die äußeren Dipole sind 325 mm entfernt. Mit der Phasendrehung ergibt das dann 385°.



Der Verdacht, die Antenne ist für Band IV, bestätigt sich offensichtlich.
Der Gewinn ist recht ordentlich, 13,38 dBi. Der Wert ist plausibel, verglichen mit einem einzelnen Ganzwellendipol mit Reflektor. Trotz der kleinen und einfachen Reflektorausführung beträgt das Verhältnis vorwärts/rückwärts in Bandmitte 23,19 dB.



Mit dem Vertikaldiagramm war zu rechnen. Wie ich vorhersagte, wird durch die Stockung der Öffnungswinkel merklich spitzer. Man benötigt ja nur einen kleinen Öffnungswinkel, da ja Sender Radio und TV praktisch waagerecht empfangen werden.

Anbei die Horizontaldiagramme für unteres und oberes Ende Band IV:





Die Diagramme sind recht ähnlich wie Bandmitte. Bei den Bandenden habe ich geringfügig geschummelt, die Phasenverschiebung in Grad habe ich nicht neu berechnet. Bei 10 % Unterschied in der Frequenz ist das kein wirklicher Fehler.
Zum SWR bezüglich 240 Ohm kann ich nicht viel sagen, da ich mit 4 unabhängigen Quellen arbeitete.

Andreas, DL2JAS

Soeben habe ich die Möglichkeit mit den idealen transmission lines simuliert.

Prinzipiell ist das die richtige Methode. Da bekomme ich aber etwas Probleme mit realen und idealen Speiseleitungen. Ja, wieder ein Kompromiss, geht aber nicht anders bei Simulationen. Es gibt jedoch jetzt zwei verschiedene Modelle, Herangehensweisen, die recht ähnliche Ergebnisse liefern.



Der Gewinn ist etwas höher, jedoch nur 0,x dB. Das Ergebnis ist ebenfalls plausibel, unterscheidet sich kaum vom letzten Diagramm mit den einzelnen definierten Speisepunkten, 4 Quellen.



Auch das Elevationsdiagramm ist wieder recht ähnlich, praktisch identisch mit dem zuvor.




Hier bin ich etwas stutzig geworden. Die Mittenfrequenz 526 MHz für Band IV ist praktisch exakt getroffen, die Resonanz. Nur habe ich als Referenz für das Diagramm 480 Ohm gewählt. Eventuell ist mir da ein Fehler passiert. Zwei Koaxialkabel 240 Ohm gibt eine symmetrische Leitung 480 Ohm. 4 entfernte Einzeldipole parallel angeschlossen würden etwa 240 Ohm ergeben, wie Achim schon schrieb.
Mit anderen Worten, meine Simulationsergebnisse sind nicht perfekt, jedoch brauchbar unter den gegebenen Umständen mit den Beschränkungen des Simulators. Die Realität wird sich vermutlich irgendwo dazwischen befinden. Zieht man 0,2 dB ab, wenn man Alu für den realen Aufbau verwendet, ist man im richtigen Bereich.

Andreas, DL2JAS

Jetzt bin ich mal ganz neugierig!

Die Antenne habe ich so simuliert, wie mir Gunnar die Daten gegeben hat.
Die Einschränkungen bei den Simulationen habe ich hinreichend erläutert.
Hat wer ein Datenblatt der Antenne zwecks Vergleich mit meinen Werten?

Andreas, DL2JAS

Das ist doch eine WISI EE04, bis auf die Bandbreite ist sie mit der EE06 vergleichbar.
Die Daten der EE06 findet man noch auf der WISI Seite:

http://www.wisi.de/cgi-bin/online_katalog.pl?prod_id=36

Die Daten der EE04 finde ich auf die Schnelle nur in einer fremden Sprache:

http://saba-forum.dl2jas.com/bildupload/WisiEE04-06.png

Gruß Ulrich

Ulrich hat mich neugierig gemacht, ist die Antenne auch für Band V geeignet?

Ich ging von 240 Ω aus, Wisi gibt 300 Ω an.



Mit 300 Ω als Referenz gibt es bei 630 MHz einen Resonanzpunkt, bzw. einen Punkt mit geringster Reflexion. Bei den höheren Frequenzen haut das SWR etwas ab, ist aber bei einer reinen Empfangsantenne nicht so tragisch. Folgende Diagramme sind für Band V, Mitte.



Das Horizontaldiagramm wird schon recht schmalbandig. Das kann von Vorteil sein. Schöner ist es natürlich bei so einer Art Antenne, wenn der horizontale Öffnungswinkel recht groß ist und die Keule im Elevationsdiagramm möglichst klein wird.



Der Öffnungswinkel im Vertikaldiagramm ist recht kein, was wünschenswert ist.
So viel hätte ich dieser vergleichsweise einfachen Antenne nicht zugetraut. Wenn man bedenkt, wann sie entwickelt wurde, so schöne Simulatoren wie heute gab es damals noch nicht, Hut ab!

Andreas, DL2JAS