ALFORDSCHLITZANTENNE
eine 22 cm Antenne (15.09.2017)

(Von M. Walters G3JVL. übersetzt von Peter OE7PKI)

EINFÜHRUNG

Die Alford Schlitz Antenne, von G3JVL für 1,3 GHz entwickel, ist ein einfaches Teil, um eine Rundstrahlcharakteristik mit horizontaler Polarisation zu erhalten. Die Antenne hat einen Gewinn, der hauptsächlich von ihrer Länge abhängt und typischerweise 5 bis 9 dBi beträgt. Das Ergebnis ist besser, als das von anderen einfachen rundstrahlende Antennen, die üblicherweise verwendet werden, wie Halo- oder Whip-Antennen.

Diese Antenne eignet sich besonders für einen Baken­ oder Rlaisbetrieb, bei der eine Rundstrahlung mit möglichst hohem Gewinn gefordert wird. Mit dieser Antenne ist es möglich, zweifach zu stocken (wie sie bei der Bake GB3IOW verwendet werden) um nahezu doppelten Gewinn zu erreichen. Wegen höheren Verlusten auf 23 cm im Vergleich zu 2 m und 70 cm eignet sie sich wegen des zusätzlichen Gewinns besonders als mobile Antenne.

BESCHREIBUNG

Die Antenne besteht aus einem geschlitzten Rohr mit dem Einspeisepunkt in der Mitte, wenn beide Enden des Schlitzes geschlossen sind (Bild1), oder an einem offenen Ende (Bild 2), wenn die andere Seite geschlossen ist. Breite und Länge des Schlitzes, die Wanddicke und der Durchmesser des Rohres stehen zueinander in enger Beziehung. Es wurden viele Experimente (Versuche) von G3JVL und G3YGF durchgeführt, um einige Prototypen zu entwickeln, aus denen sich nachfolgende Einzelheiten ergeben.

Rohr Abmessungen Schlitztbreite Schlitzlänge
31,8 mm Ø, 20 swg Wand 4 mm 510 mm
35,8 mm Ø, 1,1 mm Wand 8 mm 510 mm
38,1 mm Ø, 16 swg Wand 11 mm 510 mm

 

Die Abmessungen sind für drei gängige Rohrgrößen ausgelegt. Kupfer, Messing und Aluminium sind geeignet. Wenn die Maße nicht genau eingehalten werden, dann ist einiges Probieren für den korrekten Betrieb notwendig. In jedem Fall ist es ratsam, die Feldverteilung im Schlitz zu überprüfen, wie später erläutert wird.

Die Länge des Rohres über oder unter dem Schlitz ist völlig unkritisch und das gleiche Rohr könnte sowohl als Mast als auch als Antenne verwendet werden. Dies schließt die Länge des Rohres über dem Schlitz ein, sodaß entweder ein einfacher Kurzschluß über dem Schlitz oder eine die Oberseite abschließende Scheibe verwendet werden kann.

Die Speiseimpedanz dieser Antennen beträgt etwa 200 Ohm. Ein bequemes Verfahren zur Speisung mit dem 50-Ohm-Koax-Kabel ist die Verwendung eines 4:1 Baluns, der aus dem halbsteifem Koaxialkabel hergestellt wird, wie in Bild 2 gezeigt. Es besteht aus einem Stück von 0,141 Inch (3,6 mm) Durchmesser, in das zwei gegenüberliegende Schlitze an der Außenfläche in Längsrichtung geschnitten werden. Die beiden, sich durch die äußere koaxiale Form ergebenden Halbschalen, bilden eine Übertragungsleitung, die eine Viertelwelle lang und an einem Ende kurzgeschlossen ist. Dieser Viertelwellen-Transformator wird durch den endenden koaxialen Innenleiter erregt. Die beiden Halbschalen A und B sind mit dem Anschlusspunkt des Schlitzes verbunden (siehe Abb. 1 und 2). Eine bequeme Methode dies zu tun, besteht darin, kleine Lötfahnen an das Kabel zu löten, sodaß die Balun­Anordnung beidseitig mit kleinen Schrauben am Schlitz befestigt werden kann.

Das Kabel sollte so gebogen werden, dass es vom Schlitz weg zwischen der Rückwand und der Rohrmitte verläuft. Die genaue Anordnung ist unkritisch, solange das Kabel nicht zu nahe am Schlitz liegt und seinen Betrieb stört. (abgesehen von der Einspeisungsstelle).

Es ist nicht notwendig, das Kabel an der Innenseite des Rohres zu befestigen, wenn es aus dem Boden herauskommt. Ein geeignetes Befestigungsverfahren besteht darin, einen N-Stecker oder eine N-Buchse im Boden einer Abschlussplatte einzubauen. Die Antenne kann vollständig vom N­Verbinder aufgebaut werden (siehe Abbildung 4).

Dieses Verfahren eignet sich besonders für den mobilen Einsatz, wo der N­Typ in einem in einer Trennwand befestigten Weibchen aufgeschraubt werden kann. Diese Durchführung kann natürlich auch für andere Bänder verwendet werden. Daraus ist ersichtlich, dass sich andere Möglichkeiten ergeben können.

BEMERKUNGEN ZUR KONSTRUKTION

1) Der Schlitz in der Rohrleitung kann mit einem Sägeblatt geschnitten und auf das Maß aufgeweitet werden. Es wird nötig sein, ein paar Löcher zu bohren, um zu beginnen.

2) Wenn es sich bei dem verwendeten Rohr um ein weiches Material handelt wie z. B. einer 35 mm Kupfer­Zentralheizungs-Rohrleitung, dann stehen verschiedene Fittings zur Verfügung. Insbesondere kann eine Rohrabschlusskappe am Ende des Rohres auf, bzw. eingelötet oder eingepresst werden. In deren Mitte lässt sich ein N­Verbinder einsetzen, um die Verbindung zu Außenwelt herzustellen.
3) Das Semi-Rigid-Koax für den Balun kann in einem Schraubstock gehalten und leicht gebogen werden, während die Schnitte hergestellt werden. Es ist darauf zu achten, dass nicht zu tief in das Dielektrikum geschnitten wird. Die Außenleiterhalbschalen sollten mit dem PTFE­Dielektrikum in Berührung bleiben und nicht vollständig auseinandergebogen werden.

4) An den Anschluspunkten können zwei Löcher gebohrt und mit Gewinde versehen werden, um die Lötfahnen zu befestigen. Alternativ können diese direkt auf dem Kupfer­ oder Messingsrohr aufgelötet und der Balun später daran befestigt werden (ein Gasbrenner wird für die Erwärmung benötigt, ein Lötkolben genügt für den weiteren Arbeitsgang).

5) Feuchtigkeit auf der Innenseite des Rohres wird den Betrieb nicht beeinflussen, abgesehen vom Balun, wenn er nass wird. Das wird zu leichten Verlusten führen. Es wird sich jedoch Wasser im Rohr ansammeln, und dies ist nicht erwünscht. Der Schlitz kann mit PTFE­Klebeband abgedichtet werden. Als Alternative kann die gesamte Anordnung in einem Behälter, wie beispielsweise einem Kunststoffabflussrohr, eingebaut werden. Diese Methode wurde erfolgreich bei GB3IOW angewandt.

BETRIEB

Schlitzantennen sind nicht neu, ein vertikaler Halbwellenschlitz entspricht einem Halbwellen­Dipol und erzeugt eine horizontale Polarisation. Das neuartige Merkmal der Alford besteht darin, daß es möglich ist, die Wellenbewegung schneller als das Licht durch den Schlitz zu bringen und dadurch ermöglicht, eine dipolartige Feldverteilung über ihre Länge zu erhalten, die um ein Vielfaches länger ist als der Halbwert der Halbwertsbreite. Der Nettogewinn ist ähnlich dem, der durch das Einspeisen mehrerer Dipole in der Phase erhalten wird, aber ohne die Notwendigkeit eines komplizierten Phasenkabelbaums. Die gewonnene Verstärkung ist direkt proportional zur Länge des Schlitzes im freien Raum in halben Wellenlängen.

Die Vorstellung, dass sich Wellen schneller als Licht bewegen, erscheint zunächst unmöglich, aber im Zeitbereich ist es ein stehendes Wellenmuster, das sich mit dieser Geschwindigkeit zu bewegen scheint. Es handelt sich hierbei um die Phasengeschwindigkeit die schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist. Die tatsächliche Welle bewegt sich mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als Licht.

Der Schlitz verhält sich wie eine Übertragungsleitung, die durch induktive Schleifen überbrückt wird (der Zylinder selbst entspricht einer unendlichen Folge von eng aneinanderliegenden Windungen). Die untere Grenzfrequenz wird dadurch bestimmt, wenn die Reiheninduktivitäten (Windungen) mit der Kapazität des Schlitzes in Resonanz kommen. Unterhalb der abgeschnittenen Frequenz können sich die Wellen nicht fortpflanzen / ausbreiten. Bei der Grenzfrequenz ist die Geschwindigkeit (und damit die Wellenlänge) unendlich. Oberhalb der Grenzfrequenz nimmt die Wellenlänge schließlich auf den Freiraumwert zu.

Im Prinzip könnte jeder Geschwindigkeitsfaktor verwendet werden, aber je höher der Geschwindigkeitsfaktor (länger der Schlitz) ist, desto kritischer werden die Dimensionen. Geschwindigkeitsfaktoren größer als etwa 10 sind aus diesem Grund unpraktisch und der normale Betriebsbereich liegt etwa 5 bis 15% oberhalb des abgeschnittenen Bereichs, d. h. mit Geschwindigkeitsfaktoren von 2 bis 0,5. Bei den gegebenen Konstruktionen beträgt der Geschwindigkeitsfaktor etwa 4 bei 1,3 GHz und die Bandbreite liegt bei 100 MHz. Der erzielte Gewinn für die angegebenen Werte beträgt etwa 8 dBi.

Die Dimensionen sind in einem gewissen Maße voneinander abhängig. Der Geschwindigkeitsfaktor wird durch die Verringerung des Rohrdurchmessers oder durch die Erhöhung der Schlitzbreite größer werden. Die Wandstärke hat auch eine Wirkung, da sie die Kapazität des Schlitzes bestimmt, sodaß ein dünnerwandiges Material ebenfalls den Geschwindigkeitsfaktor erhöht. Wenn also ein Rohr mit einem etwas kleineren Durchmesser als jenes, das für die Konstruktionen gewählt wurde, genommen wird, könnte dies durch Anwendung eines etwas schmäleren Schlitzes kompensiert werden, sodass der gleiche Geschwindigkeitsfaktor erreicht wird. Alternativ könnte die Länge des Schlitzes verringert werden. Die Antenne würde dann mit einem niedrigeren Geschwindigkeitsfaktor arbeiten, aber dies würde eine geringere Verstärkung ergeben. Für 1,3-GHz-Antennen, sollte der Durchmesser der Röhre innerhalb des Bereichs liegen der vorgegeben wurde. Jedes Rohr das weit über dieser Grenzen liegt, wird nicht richtig funktionieren.

Es ist wichtig, dass der Vorgang überprüft wird, insbesondere wenn einer der ursprünglichen Entwurfsparameter geändert wird. Dies kann durch Einspeisen der Antenne mit einem Signal bei verschiedenen Frequenzen und Betrachten der Spannungsverteilung unter Verwendung eines Leistungsmessers, Detektors oder Analysators mit einer kleinen Sonde durchgeführt werden, um das abgestrahlte Signal aufzunehmen. Die Sonde sollte in die Nähe des Rohres gehalten, aber nicht direkt vor dem Schlitz (20 oder 30 Grad ringsum vom Rand halten) und entlang seiner Länge bewegt werden. Für diesen Zweck wäre der im Mikrowellen­Newsletter (08/8 1) beschriebene Diodenstromzähler geeignet.

Der Balun nimmt die Spannung an der unsymmetrischen 50-Ohm­Leitung auf und erzeugt zwei Ausgangsspannungen relativ zur Erde (der Kabelaußenseite), die gleich der Eingangsspannung, jedoch um 180° phasenverschoben zueinander sind. Die symmetrische Last ist zwischen diesen beiden Ausgängen angeschlossen und sieht die Differenz zwischen ihnen, die doppelt so hoch ist wie die 50-Ohm-Spannung. Daher gibt es einen 4:1­Anstieg der Impedanz. Der Balun hat eine vergleichbare Bandbreite zum Schlitz, etwa 10 bis 15%. Beachten Sie, die Länge der Schnitte in der Semi­Rigid, die muss eine elektrische Viertelwelle lang sein. Da der Raum zwischen der Inenseite aus PTFE und die Umgebung um sie herum aus Luft besteht, ergibt sich ein effektiver Geschwindigkeitsfaktor von etwa 0,36. Somit ist die Länge 0,86 mal der Viertelwellenlänge des freien Raums. Liegt ein signifikanter Abstand zwischen den Semi-Rigid-Außenleiter-Halbschalen und dem PTFE vor, dann ist der Geschwindigkeitsfaktor etwas höher.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Antenne stellt ein sehr praktisches Mittel zur Realisierung einer horizontalen Polarisation mit einem omnidirektionalen Antennendiagram und einer hohen Verstärkung auf 1,3 GHz dar. Die Bandbreite reicht aus, um den gesamte Bereich abzudecken, sodass sie für alle Modi einschließlich TV geeignet ist. Die Kreisförmigkeit ist sehr gut (Verhältnis von maximaler zu minimaler Verstärkung), die typischerweise 1 dB beträgt. Diese Art der Antenne wurde auch auf anderen Bändern erfolgreich eingesetzt ­ G3JVL hat sie auf 2 m, 70 cm und 13 cm verwendet. Für weitere Einzelheiten wenden Sie sich bitte an Mike Walters G3JVL, oder an Julian Gannaway G3YGF oder an das RSGB Mikrowellen Komitee.

Viel Spaß beim Nachbau und vielen Dank an Peter für die Mühe !!!

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