Selbstbau einer leistungsfähigen 5-Element-Yagi für das 2m-Band

Überarbeiteter, ergänzter Artikel aus dem Praxisheft 11 des Arbeitskreises Amateurfunk und Telekommunikation in der Schule (AATIS)

Bild 1:

 5-Element-2m-Yagi, Boomlänge 2m, Gewinn 9 dBd,  V/R > 20dB

Viele Amateure scheuen sich davor, Richtantennen für UKW zu bauen. Einerseits fehlt es wohl am geeigneten Material, andererseits herrscht der Glaube vor, kommerzielle Antennen seien besser als selbstgebaute.

Hier soll eine leicht zu verwirklichende Yagi beschrieben werden, die zudem bezüglich ihrer elektrischen Daten vergleichbaren im Handel erhältlichen eindeutig überlegen ist.

Zur Anpassung des Erregers an das Speisekabel wird eine neuartige Speisung ("DK7ZB-Speisung") verwendet, die erstmals 1995 beschrieben wurde und bei der UKW-Tagung in Weinheim 2000 mit dem 1. Preis in der Sektion "Antennentechnik" ausgezeichnet wurde.

Das elektrische Konzept

Zunächst sollen die wichtigsten Grundzüge für die Konstruktionsgrundlagen vorgestellt werden. Bekannt dürfte sein, daß man durch Hinzufügen kürzerer Elemente vor einem Strahler (Direktoren) und einem längeren Element hinter dem Strahler (Reflektor) eine Richtwirkung erzielen kann. Diese nimmt bei richtiger Dimensionierung der Längen und Abstände proportional der Antennenlänge zu.

Der ursprüngliche Dipol mit einem Strahlungswiderstand von 50-70Ohm wird so zum Erreger in einer Yagi-Richtantenne, wobei zum Erzielen bestmöglicher Eigenschaften der Strahlungswiderstand deutlich unter 50Ohm absinkt. Damit ist der Anschluß üblicher 50Ohm-Koaxkabel nur mit Hilfe von Transformations-, bzw. Anpaßgliedern möglich.

Der günstigste Kompromiß für die Amateurfunk-UKW-Bänder bezüglich Richtdiagramm, Bandbreite, Antennengewinn und Verlusten stellt sich bei einem Strahlungswiderstand zwischen 25 und 30Ohm ein.

Daß kommerzielle Antennen meist einen Faltdipol mit einem Strahlungswiderstand von 200Ohm einsetzen (dieser läßt sich leicht mit einer Halbwellenleitung auf 50Ohm transformieren), hat Wurzeln in der Fernsehtechnik und ist für Amateurantennen eigentlich wenig sinnvoll. Einmal gebogen, das ist schon schwierig genug, ist keine Längenänderung zum Abgleich mehr möglich.  Zudem haben kurze Yagis mit einem Strahlungswiderstand von 50Ohm eindeutig schlechtere Daten bezüglich Gewinn und Richtdiagramm, meist aber eine hohe Bandbreite. Die wiederum ist für die klassischen Amateurbänder viel zu groß, womit man Gewinn verschenkt. Aber auch bei Langyagis sind die Gesamteigenschaften eindeutig besser, wenn auf 25-30Ohm optimiert wird.  Verwendet man stattdessen einen gestreckten Dipol als Strahler, so kann man leicht eine Längenänderung vornehmen. Man muß allerdings bei einem angepeilten Strahlungswiderstand von 28Ohm eine Transformation auf 50Ohm vornehmen.

 Hier kommt nun eine neue, aber sehr einfache und wirkungsvolle Technik zum Einsatz. Bekannt ist, daß eine Viertelwellenleitung als elektrisches Transformationsglied verwendet werden kann. Bei einem Strahlungswiderstand von 28Ohm und einer Kabelanschlußimpedanz von 50Ohm muß die Transformationsleitung 37,5Ohm Wellenwiderstand besitzen. Dieser läßt sich unter Beachten des Verkürzungsfaktors einfach durch das Parallelschalten zweier 75Ohm-Kabelstücke realisieren.

Bild 2: Prinzip der DK7ZB-Speisung

Wird das Anpaßkabel zusätzlich nach dieser Viertelwellenlänge geerdet, so ergibt sich außerdem ein vereinfachter Viertelwellensperrtopf, der Mantelwellen wirkungsvoll unterdrückt. Das Schema dieser Konstruktion ergibt sich aus Bild 2.

Diese von der Tonna-Speisung abgeleitete Methode ist als DK7ZB-Speisung seit einigen Jahren für Antennen vom Kurzwellenbereich bis zum 70cm-Band erfolgreich im Einsatz. Gerade bei Langyagis erhält man so einfache, aber leistungsfähige Konstruktionen. EME-Gruppen in verschiedenen Ländern und auch die VE7BQH-Liste für leistungsfähige 2m-Yagis zeigen, daß das Konzept der DK7ZB-Yagis ausgezeichnet funktioniert [1].

 

Mechanische Konstruktion der 5-Element-Yagi

 Die Elementlängen und -abstände gehen aus Bild 3 hervor. Die Boomlänge beträgt genau 2m, so kann man aus der handelsüblichen Stangenlänge des Rohres von 6m ohne Verschnitt 3 Yagis bauen.

Bild 3:

Abstände und Längen der Yagi für 8mm- und 10mm-Elemente bei isolierter Halterung oberhalb des Booms.

 Der Strahler besteht bei beiden Varianten aus 10mm-Alurohr.

 

 

 

 

 

Um den Nachbau so einfach wie möglich zu gestalten, wird auf UV-feste Polyamid-Halter und die Anschlußdose der Fa. Konni zurückgegriffen. Mit M3-Edelstahlschrauben und Elementen aus 8mm-Alurohr geht man weder elektrisch noch mechanisch Kompromisse ein. Als Boom wird 15x15x1,5mm-Aluminium- Vierkantrohr verwendet.

Die inneren Stücke des Strahlers aus 10mm-Alurohr werden im Schraubstock platt gequetscht, dann werden Löcher für die Halteschrauben gebohrt. Über Lötösen werden die zwei parallelen Koaxkabel zur Buchse geführt. Diese wird wiederum an der Dosenbefestigungsschraube am Boom geerdet (Bild 4).

An die Koaxbuchse (SO-239, besser N-Norm) werden M3-Muttern weich aufgelötet, damit die Buchse bei geschlossener Dose festgeschraubt werden kann. Für horizontale Polarisation ist das Doseninnere ausreichend wassergeschützt, bei Vertikalmontage muß zusätzlich Silikon für die Dichtigkeit sorgen.

 

 

 

 

 

Bild 4: Blick in die Anpaßdose von KONNI 

 

Die Transformationsleitung aus den zwei parallelen 75Ohm-Koaxkabeln ist 34,5cm lang, wenn das Dielektrikum aus Voll-PE besteht (z.B. RG-59B/U), bzw. 42,5cm bei SAT-ATV-Kabeln mit weißem Schaumstoff-Dieelektrikum. Dessen Verkürzungsfaktor ist mit 0,82 durch den Luftanteil deutlich größer als bei den Voll-PE-Kabeln mit V=0,667.  

Weitere Einzelheiten der Mechanik können aus Bild 5 entnommen werden.

Bild 5: Weitere Details der Elementbefestigung und der Strahlerdose 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Daten der Yagi

 Die Bandbreite ist mehr als ausreichend, um mit einem SWR <1,4 das gesamte 2m-Band von 144-146MHz zu erfassen. In Bandmitte beträgt der Gewinn 9dBd bei einer Rückdämpfung von 20dB, wobei ein reeller Strahlungswiderstand von 28Ohm vorliegt.

 Die aussagefähigen elektrischen Daten zum Verlauf von Gewinn, Rückdämpfung, Anpassung und Strahlungswiderstand ergeben sich aus Bild 6. Hieraus wird deutlich, daß ein Einsatz für alle Betriebsarten möglich ist.  

 Beim Vergleich mit kommerziellen Antennen sollte beachtet werden, daß diese meist zu hohe Gewinnangaben haben, zu den deren weiteren elektrischen Daten werden wenig Aussagen gemacht. Bei der Analyse mit "YA" [2, 3] habe ich bei allen untersuchten käuflichen Yagis schlechtere Eigenschaften festgestellt.

Daß die von mir propagierten Daten realistisch sind, bestätigt auch die Analyse von Peter, DJ2ZS mit dem Programm "EZNEC" von W7EL [4]. Dessen Ergebnisse sind von Fritz, DM2BLE, in PR-Boxen unter der Rubrik "EMV" in der Antennenbibliothek abgelegt.  

Bild 7: Horizontales Strahlungsdiagramm

 Die mit Hilfe von "YA" geplotteten Richtdiagramme für den Freiraum in der H- und E-Ebene zeigen eine saubere Strahlungscharakteristik (Bilder 7 und 8). Das horizontale Richtdiagramm wurde meßtechnisch überprüft und entspricht den errechneten Werten. Eventuell können diese Daten für die Winkeldämpfung bei der EMV-Erklärung von Bedeutung sein.

Bild 8: Vertikales Strahlungsdiagramm

  Eventueller Abgleich

 Vor dem Anschluß des Strahlers sollte man die Viertelwellen-Transformationsleitung mit zwei parallelen 56Ohm-Widerständen (2Watt, Metalloxid-Schicht) als 28Ohm-Abschluß auf die einwandfreie Funktion prüfen. Dazu wird diese schon an der Buchse angeschlossen (mit Erdung am Boom!), anstelle des Dipols benutzt man die Widerstände.

 Abweichungen von einem SWR 1,0 können nur durch eine falsche Länge des Kabels enstehen. Ursachen können von 75Ohm abweichender Wellenwiderstand oder ein anderer Verkürzungsfaktor sein. Teflonkabel haben z.B. V=0,7!  

Sollte das SWR-Minimum zu tief liegen, kann man die Enden des Strahlers millimeterweise kürzen. Bei einem SWR <1,2 sollte man aufhören, denn das ist besser als zu viel abzuschneiden. An den anderen Elementen dürfen weder Lage noch Länge geändert werden!

 Stocken zu Gruppen

 Zwei verschiedene Varianten bieten sich an: Jeweils in der Vertikalebene übereinander 2 Yagis  (optimaler Abstand 2,40m) oder übereinander 4 Yagis (optimaler Abstand 1,60m je Ebene).

 Besonders die 4er-Gruppe stellt schon eine Hochleistungsanlage dar, die für Konteste bereits voll tauglich ist und mit 15dBd Gewinn einen großen horizontalen und einen kleinen vertikalen Öffnungswinkel besitzt.  Möglich ist auch eine Anordnung von 4 Yagis in  H-Form, diese ist aber elektrisch ungünstiger als die übereinander angeordnete Variante.

Bild 9:

Stocken von zwei Yagis mit 75-Ohm- Koaxkabeln

Da eine Zweiergruppe einfach zu stocken ist, wird dies kurz beschrieben. Man benötigt zwei 75-Ohm-Kabel (Bild 9) mit einem ungeradzahligen Vielfachen von Lambda/4. Unter Berücksichtigung des Verkürzungsfaktors bietet sich eine Länge l1 von je 172,5cm an (RG-59B/U, 75Ohm, V=0,667, 5/4-Lambda). In der Mitte werden die beiden Kabel in einer kleinen Dose zusammengeführt und eine Buchse eingebaut. Hat man an jedem Ende zwei Stecker, kann problemlos bei Portabelbetrieb die Antennenanlage auf- und abgebaut werden.

 Theoretisch sollte das Aufstockkabel 70,1Ohm Wellenwiderstand haben, die zusätzliche Fehlanpassung liegt bei <1,2 und kann absolut vernachlässigt werden. Das am Kabeleingang gemessene SWR ist immer deutlich besser als die theoretischen Werte, wenn man alles richtig dimensioniert hat.  

 

 

Bild 10:

Zusammenschalten von 4 Yagis,  Dabei sind die Längen l1 beliebig, alle vier Kabel (50-Ohm-Koax) müssen aber gleichlang sein.

Die Kabel mit der Länge l2 bestehen aus 75-Ohm-Koax, je als ungeradzahliges Vielfaches von Lambda/4.

 

 

 

Abschließende Betrachtungen

 Wer durch den Nachbau auf den Geschmack gekommen ist und längere und leistungsfähigere Yagis nach dem gleichen 28-Ohm-Prinzip bauen möchte, kann  ein gepacktes File mit den Antennendaten und -abmessungen für die Bänder 6m, 2m und 70cm diverser erprobter Hochleistungsantennen bis hin zu EME-fähigen Ausführungen als Yagi.zip  herunterladen.

Literatur- und Quellenangaben:

 [1] Steyer, M. (DK7ZB): Konstruktionsprinzipien für UKW-Hochgewinn-Yagiantennen, Teil 1 in FUNKAMATEUR 2/99 (S. 212-215) , Teil 2 in FUNKAMATEUR 3/99 (S.

 [2] Beezley, B. (K6STI): Programm Yagi-Analyzer (YA), Beilage auf Diskette zum ARRL-Antenna-Book (Auflagen ab 1995)

 [3] Steyer, M. (DK7ZB): Das Konstruieren von Yagi-Antennen mit dem Programm YA von K6STI, funk 11/99 (S. 66-70)

 [4] Lewallen, R. (W7EL): Programm "EZNEC" zur Antennenanalyse    

 

 

Bild 11: Die gestockte Zweiergruppe

 

 

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