Portabelantenne

Ausgangspunkt für dieses Projekt war meine Suche nach einer Portabelantenne für Kurzwelle, die sich schnell auf- und abbauen läßt und nicht von weitem schon als merkwürdiges Konstrukt auffällt. So ist es möglich, die Antenne auch mal nur für ein, zwei Stunden auf einem Feldweg oder an einem Wanderparkplatz aufzubauen. Ein großer Teleskopmast, mit dem sich sicherlich eine prima Inverted-V aufbauen läßt, schied also aus. Meine Wahl fiel auf eine induktiv verkürzte Vertikalantenne. Mit einer Höhe von gut 2 m ist sie nicht übermäßig auffällig und mit wechselbaren Verlängerungspulen kann sie auf verschiedenen Amateurfunkbändern benutzt werden.

Übersicht

Im folgenden ist eine Skizze des Aufbaus gezeigt. Der Antennenstab besteht aus zwei Teilen von je 1 m Länge. Der untere Teil besteht aus 12-mm-Kupferleitung aus der Sanitärinstallation. Der obere Teil ist ein Messingstab mit 3 mm Durchmesser. Die beiden Teilstücke des Strahlers werden mit einer Spule verbunden. Die Spule wird aus 1,5-mm²-Installaitionsdraht auf HT-Rohr gewickelt. Für jedes gewünschte Amateurfunkband wird eine eigene Spule gebaut. Als Fuß dient ein kleines, wasserdichtes Kunststoffgehäuse, das auf einem größern Zelthering montiert wird. Das Kunststoffgehäuse enthält einen Balun und beherbergt die Anschlüsse für die Radials und das Koaxkabel zur Speisung.

Über die Dimensionierung der Radials läßt sich natürlich jetzt streiten. Eigentlich sollten sie elektrisch λ/4 lang sein und müßten also, genau wie die Spule, bei Bandwechseln geweselt werden oder wie der Strahler mit einer entsprechenden Spule verlängert werden. Dagegen halte ich, daß die Radials direkt auf dem – natürlich sehr gut leitfähigen – Boden ausgelegt werden und kapazitiv sehr gut an diesen koppeln. Als Erde steht uns also tatsächlich der Erdboden als sehr große, leitfähige Fläche zur Verfügung.

Theoretisch bräuchte man natürlich keinen Balun, um eine asymmetrische Antenne mit einem asymmetrischen Kabel zu speisen. Praktisch wollte ich aber nicht darauf vertrauen. Wer weiß, vielleicht koppeln die Radials an den Erdboden ja ausnahmsseise mal doch nicht so perfekt. Aus diesem Grunde ist im Fuß der Antenne eine stromkompensierte Drossel (auch bekannt als Mantelwellenfilter oder Strom-Balun) eingebaut.

Zur Orientierung in der folgenden Bau­be­schrei­bung sei die fertige Antenne hier schon einmal dargestellt, einmal zusammengebaut ...

... und zerlegt in ihre Einzelteile. Die Messing­spitze kann zum Transport übrigens in das Kupferrohr gesteckt werden. So ist sie vor Verbiegung geschützt.

Mechanischer Aufbau

Der mechanische Aufbau soll grob von oben nach unten beschrieben werden. Wir fangen also mit dem Messingstab an. Mit seinen 3 mm Durch­messer läßt er sich wunderbar in einem 4-mm-Bananen­stecker verlöten. Im Spulen­geäuse wird auf der Oberseite eine 4-mm-Buchse eingelötet, womit sich dieser Teil schon mal sehr einfach montieren läßt.

Der Spulenkörper soll auf dem Kupferrohr befestigt werden. Dazu ist auf der Unter­seite des Spulen­körpers eine M6x15-Schraube angebracht. Sie ist mit zwei Messing­unter­leg­scheiben von innen durch den Spulen­körper gesteckt und außen mit einer Mutter gesichert. Es bleibt dabei noch genug Gewinde übrig, um den Spulen­körper auf dem Kupfer­rohr zu verschrauben.

Aufbau der Spulen

Die Spulenkörper bestehen aus HT-Rohr aus der Sanitär­instal­lation. Das ist das graue Rohr, das für Abfluß­leitungen verwendet wird. Es wird in verschiedenen Durchmessern angeboten, wobei ich die Durchmesser 40 mm, 50 mm und 75 mm in Betracht gezogen habe. Es gibt jeweils kurze Ver­bin­dungs­stücke zu kaufen, die auf beiden Seiten eine Gummi­dichtung haben. Passend dazu gibt es auch Endstopfen, die das Rohr verschließen und mechanisch ziemlich fest sitzen. Aus einem Verbin­dungs­stück mit zwei Entstopfen entsteht ein Spulenkörper.

Die Spule selbst wird aus 1,5-mm²-Instal­lations­draht auf den Spulen­körper gewickelt. Als Anschlüsse dienen die 4-mm-Buchse auf der Oberseite und die M6-Schraube auf der Unterseite. Da beide Anschlüsse also von innen angeschlossen werden, müssen an entsprechender Stelle Löcher in den Mantel des Spulenkörpers gebohrt werden. Ein Durchmesser von 3 mm hat sich bei mir bewährt.

Die ungefähre Länge der Spule ergibt sich bei der Dimen­sion­ierung^▿ der Spulen, die genaue Länge erst ganz zum Schluß beim Abgleich der Antenne. Bevor man also das erste Loch bohrt, sollte man sich überlegen, wie lang die Spule in etwa wird. Wenn es geht, setzt man das Loch für den Spulen­anfang so, daß es innen vom Stopfen nicht überdeckt wird. Geht das von der Länge der Spule her nicht (oder hat man es verbaselt), dann muß man eine entsprech­ende Aus­sparung im Stopfen anbringen. Das folgende Bild zeigt einen Stopfen mit Aus­sparung und wie der Spulen­draht im Inneren des Spulen­körpers geführt wird.

Der aufmerksame Leser hat schon bemerkt, daß das untere Ende des Spulen­drahtes über eine Unter­leg­scheibe aus Messing mit der Schraube kontaktiert wird. Messing läßt sich im Prinzip gut löten, darum kommt es hier zum Einsatzt. Allerdings ist die Wärme­kapa­zität einer Unter­leg­scheibe für manchen Löt­kolben doch eine zu große Heraus­for­derung. Besser eignet sich hier ein kleiner Gasbrenner oder Gas­löt­kolben wie er später auch zum verlöten des Kupfer­rohrs zum Einsatz kommt. Das Ergebnis der erfolg­reichen Löt­aktion ist im folgenden Bild zu sehen.

Jetzt kann das untere Ende des Spulen­drahts montiert werden. Auf die M6x15-Schraube wird die verlötete Unter­leg­scheibe gesteckt. Dann kommt die Schraube durch ein 6-mm-Loch im untern Stopfen. Außen kommt noch mal eine Unter­leg­scheibe, um die Kraft auf dem Kunst­stoff besser zu verteilen. Zuletzt wird alles mit einer Mutter fixiert.

Jetzt kann die Spule gewickelt werden. Dabei sollten zwei Windungen mehr vorgehalten werden, als die Dimen­sion­ierung ergeben hat. Später wird die Spule abgeglichen, indem der Draht Stück für Stück gekürzt wird. Erst dann kann auch das Loch in den Mantel des Spulen­körpers gebohrt werden, um den Draht nach innen zu führen. Jetzt wird das lose Draht­ende erstmal mit Kabel­binder fixiert.

Auch wenn das obere Ende der Spule noch nicht ange­schlossen werden kann, so muß dennoch der obere Stopfen schon vorbereitet werden. Nur so kann die Antenne mechanisch korrekt für den Abgleich aufgebaut werden.

In die Stirnfläche eines Stopfens wird die 4-mm-Buchse montiert. Hier soll später von innen das noch freie Ende der Spule angelötet werden. Um beim endgültigen Verschließen des Spulen­körpers die Lage des innen­liegenden Spulendrahtes möglichst wenig zu verschieben, sollte diese Löt­stelle bei schon fast geschlos­senem Deckel gemacht werden. Um dann noch mit dem Lötkolben an die Buchse zu kommen, wird eine komfortable Aus­sparung im Mantel des Stopfens angebracht, wie das folgende Bild zeigt. Wenn man eine so großen Aus­sparung einfach mit der Seiten­schneider heraus­bricht, läuft der Kunst­stoff Gefahr, unkon­trol­liert zu reißen. Daher ist es sinnvoll, zuerst mit einem möglichst großen Bohrer seitlich ein Loch in den Mantel des Stopfens zu bohren; ich habe einen Forst­ner­bohrer verwendet. Dann kann man das Loch mit einem großen Seiten­schneider zu einem Schlüs­sel­loch erweiteren.

Die Spulenkörper können nun schon mal zusammen­gesteckt werden. Sie werden erst zum Abgleich der Spulen wieder gebraucht.

Kupferrohr mit Befestigung

Das Kupferrohr, das den unteren Teil des Antennen­strahlers bildet, kommt wieder aus der Sanitär­technik und wird dort als Wasser­leitung verkauft. Zur Montage der Antenne benötigt das Kupfer­rohr auf beiden Seiten ein M6-Innen­gewinde. Das obere Ende nimmt die Spule auf, das untere Ende wird auf den Fuß — genauer — das Gehäuse des Baluns auf­ge­schraubt. Als fertige Innen­gewinde sollen M6-Muttern aus Messing dienen. Um die Muttern ordentlich mit dem Rohr verlöten zu können, werden sie zuerst in Kupfer­deckel gelötet, die es passend zum Kupfer­rohr gibt. In die Deckel muß natürlich ein Loch gebohrt werden, damit die Mutter später von außen auch zugänglich ist. Das folgende Bild zeigt unter (a) die vorbe­reiteten Kupfer­deckel mit Messing­muttern.

Um die Mutter mit dem Kupfer­deckel zu verlöten, wird der Deckel mit der Öffnung nach oben hitzefest ein­ge­spannt. Die Mutter wird in den Deckel gelegt. Ich habe in die Mutter von unten eine passende Schraube eingedreht, die nicht aus Messing ist. Ziel ist es, zu verhindern, daß das Gewinde Lötzinn annimmt. Der zur Verlötung vorbereiete Deckel ist in (b) und (c) im oberen Bild zu sehen. Zum Verlöten der Teile werden Deckel und Mutter mit dem Gasbrenner erwärmt und dann normales Elek­tro­niklot in den Spalt zwischen Mutter und Deckel gegeben. Das Ergebnis ist oben in Teilbild (d) zu sehen. Auf diese Weise werden beide Kupfer­deckel mit einer Messing­mutter verlötet.

Wenn die Deckel soweit abgekühlt sind, daß man sie wieder anfassen kann, können sie auf das Kupfer­rohr gelötet werden. Dazu habe ich das Kupfer­rohr aufrecht hingestellt, den Deckel aufgesetzt, mit dem Gas­brenner erhitzt und dann in den Spalt Elek­tro­niklot gegeben. Wenn beide Deckel aufgelötet sind, ist das Kupfer­rohr fertig.

Fuß mit Balun

Der Fuß besteht aus einem wasser­dichten Gehäuse, das einen Balun enthält und auf einem großen Hering montiert werden kann. Ein Blick ins Innere des Gehäuses ist unten zu sehen. Der Balun besteht aus neun Windungen RG174-Kabel auf einem Ferrit­kern FT140-43 von Amidon. Der Eingang, oben im Bild, ist an eine UHF-Buchse angeschlossen. Bemer­kens­wert ist der Draht (a), der vom Mittel­leiter in ein Mon­tage­loch des Gehäuses führt und dort an nichts ange­schlos­sen ist. Diesen recht stabilen Draht habe ich aus lauter Verzweiflung angebracht, weil der Innen­leiter der Buchse sich beim auf- und abschrauben eines UHF-Stekers gelegentlich mitdreht und dann der feine Anschluß des RG174-Kabels abreißt. Möglicher­weise habe ich die Buchse zu billig gekauft.

Der Ausgang des Balun ist links im Bild zu sehen. Der Mittel­leiter ist an die Mon­tage­schraube für das Kupfer­rohr angeschlossen. Eine ange­lötete Unter­leg­scheibe aus Messing (b) dient wieder als Kontakt. Die Schraube hat, wie schon bei den Verlänger­ungs­spulen, eine Größe von M6x15. Zur besseren Verteilung der Kraft auf das Kunst­stoff­gehäuse ist auch außen eine Unter­leg­scheibe angebracht. Das ganze wird mit einer passenden Mutter fixiert. Der Außen­mantel des RG174-Kabels am Ausgang des Baluns ist mit 1 mm starkem Draht an zwei 4-mm-Buchsen verbunden, die an den beiden Seiten des Gehäuses montiert sind. Hier werden später die Radials angeschlossen.

Das Gehäuse mit dem Balun wird auf ein Loch­blech geschraubt, mit dem es dann auf einem Hering befestigt werden kann. Das gekaufte Loch­blech hat zwar ziemlich viele Löcher, aber leider kein einziges an brauchbarer Stelle. Also mußten die vier Löcher für das Gehäuse und zwei weitere für den Hering gebohrt werden. Im Hering sind natürlich gar keine Löcher vorgesehen und müssen selbst gebohrt werden. Im Bild unten ist der fertig montierte Fuß von vorne und von hinten zu sehen. Die Befestigung am Hering erfolgt mit Flügel­muttern, da das Gehäuse auf dem Hering erst dann montiert werden kann, wenn der Hering in die Erde geschlagen ist.

So ein Zelthering ist keine filigrane Fein­mechanik, und so kommt es, daß seine Flächen nicht wirklich plan sind. Insbe­son­dere dann nicht mehr, wenn er ein paar mal mit dem Hammer in die Erde geschlagen wurde. Aus diesem Grunde muß zwischen dem Loch­blech und dem Hering etwas Abstand eingehalten werden, damit die Antenne nicht völlig schief steht. Als Abstand­halter können auf einfache Weise Muttern dienen. So gehen auch die Schrauben im Hering bei demontiertem Fuß nicht verloren. Beim Einschlagen des Herings in den Boden sollte man allerdings nicht die Schrauben treffen. Das folgende Bild zeigt eine Detail­ansicht der Abstand­halte­muttern.

Die Radials

Die Radials sind ver­gleichs­weise unspek­takulär. Es werden zwei Radial-Paare benötigt. Jedes Radial-Paar besteht aus zwei etwa 2 m langen Litzen, die je an einen 4-mm-Stecker montiert sind.

Abgleich der Spulen

Für jdedes Amateur­funk­band wird eine eigene Spule angefertigt. Dabei ist zu bedenken, daß der Strah­lungs­wider­stand für sehr stark verkürzte Antenne sehr gering ausfällt. Das hat zur Folge, daß die Antenne sehr schmalbandig wird. Für das 40-m-Band ist die Antenne bereits so schmalbandig, daß das Band in zwei Teile aufgeteilt werden mußte (dazu unten mehr). Auf eine Spule für das 80-m-Band habe ich daher verzichtet.

Ich habe bisher nur für die klassischen Amateur­funk­bänder Spulen angefertigt. Es spricht natürlich überhaupt nichts dagegen, auch für die dazwi­schen­lie­genden WARC-Bänder Spulen zu bauen. Als Dimen­sio­nier­ungs­hilfe mag der Spulenrechner dienen.

Dimensionierung der Spulen

Nach rechnerischer und experi­men­teller Bestimmung der Spulen­dime­nsion­ierung können folgende ermittelte Werte als Grundlage für den Abgleich der Spulen dienen.

Band	f/MHz	L/µH	Nenn-⌀ HT-Rohr/mm	Wdg. rechn.	Wdg. exp.
40 m	7,15	48,5	75	28	25½ + x
20 m	14,2	11,1	40	18	18¼
15 m	21,2	4,07	40	9	8
10 m	28,8	1,46	40	5	3½

Abgleichvorgang

Die berechnete Anzahl von Windungen für jede Spule geben nur einen ungefähren Anhaltswert. Man sollte zu Anfang mindestens eine Windung mehr vorsehen. Jede Spule wird zunächst soweit vorbereitet, wie im Abschnitt Aufbau der Spulen^▿ beschrieben. Das obere Ende der Spule ist also nur provisorisch fixiert, z. B. mit Kabelbinder. Dann wird die Antenne an einem möglichst freien Platz aufgebaut. Um das offene Spulen­ende mit der Antennen­spitze zu verbinden, wird auf das freie Draht­ende ein 4-mm-Stecker ange­schraubt. So kann die Spule über das Querloch im Stecker der Messing­spitze der Antenne ange­schlossen werden.

Jetzt wird mit einem Antennen­ana­lysator das SWR über dem Amateur­funk­band bestimmt. Wenn alles gut geht, liegt das Minimum unterhalb des Bandes. Durch vorsichtiges kürzen der Spule wird das SWR Stück für Stück in die Mitte des Bandes geschoben. Dabei sollte man jedes mal den offenen Spulen­draht mit Kabel­binder fixieren, damit die Ergebnisse der Messung stabil bleiben. Im Folgenden ist SWR des fertig abgestimmten 20-m-Bandes zu sehen.

Mein Ziel war es, ein SWR von maximal 2 im Band zu haben. Beim 20-m-Band war das schon knapp und nur so gerade für den SSB-Bereich zu erfüllen. Beim 40-m-Band ist die Antenne so schmal­bandig, daß ich mich entschieden habe, das Band in zwei Bereiche aufzuteilen. Die 40-m-Spule hat also zwei 4-mm-Buchsen bekommen, die durch eine Windung Draht im Inneren des Spulen­körpers verbunden sind. Über die Buchse kann das gewünschte Teilband ausgewählt werden.

Das SWR für beide Teil­bänder ist im Folgenden zu sehen.

Verlöten der Spulen

Nach erfolgtem Abgleich können die Spulen fertig­ge­stellt werden. Dazu wird zunächst ein 3-mm-Loch in den Spulen­träger gebohrt, durch den der Draht nach innen geführt wird. Innen wird der Draht dann in Richtung der oberen Öffnung gebogen. Da der Weg außen­herum zur Anten­nen­spitze länger war als der Weg im Inneren, muß der Draht etwas gekürzt werden. Wenn der vorbereitete Stopfen halb aufgesetzt wird, muß der Draht an der 4-mm-Buchse zu liegen kommen. Durch die im Stopfen vobereitete Öffnung kann der Draht angelötet werden.

Zuletzt wird der Stopfen ganz aufgesteckt. Wer sich traut, kann das SWR noch einmal nachmessen. Es sollte sich nicht allzu sehr verschoben haben.