Viertelwellen-Vertikalantennen-Rechner

So funktioniert es

1. 01

   Von der Viertelwelle ausgehen

   Bestimmen Sie die Wellenlänge im freien Raum, λ = c / f, und teilen Sie sie durch vier. Bei 146 MHz beträgt λ 2,053 m, eine Viertelwelle also 51,3 cm. Das ist der elektrische Zielwert für Strahler und Radials, noch ohne jede Korrektur.

2. 02

   Den Strahler für den Endeffekt kürzen

   Das offene obere Ende speichert Ladung gegenüber seiner Umgebung, und diese Kapazität lässt das Element resonieren, als wäre es länger als gemessen. Die Multiplikation mit k ≈ 0,95 nimmt das wieder heraus. Daher stammt der Rat, 5 % kürzer abzulängen. Dünner Draht im Freien liegt etwas höher, bei 0,96 bis 0,97. Dickes Rohr und massive Stäbe tragen mehr Endkapazität und wollen ein kleineres k.

3. 03

   Die Radials etwas länger schneiden

   Die Radials sind die zweite Hälfte der Antenne, kein Zubehör. Üblich ist, sie auf einer vollen elektrischen Viertelwelle zu belassen. Mit k = 0,95 am Strahler fallen sie damit rund 5 % länger aus als dieser. Längere Radials ziehen die Resonanz nach unten und den Speisewiderstand nach oben, sie dienen also als zweite Stellschraube. Manche Entwürfe gehen bis 12 % über die Strahlerlänge hinaus.

4. 04

   Die Anzahl der Radials wählen

   Für eine erhöhte Groundplane reichen drei oder vier, denn dort ist jedes Radial ein resonantes Element in freier Luft. Eine bodenmontierte Vertikalantenne ist ein anderer Fall. Dort schirmen die Radials das Feld gegen verlustbehafteten Boden ab, und jeder weitere Draht bringt noch etwas. 16 sind eine vernünftige Untergrenze im Amateurfunk, und die FCC hält 120 vergrabene Radials für ein ausgezeichnetes Erdungssystem bei AM-Sendetürmen.

5. 05

   Radials abwinkeln, dann auf Resonanz trimmen

   Ein λ/4-Monopol über einer idealen Groundplane hat am Speisepunkt rund 36,5 Ω. Werden die Radials um etwa 45° nach unten geneigt, steigt der Wert auf annähernd 50 Ω und passt damit direkt zu Koax. Zugleich kippt die Abstrahlung etwas weiter Richtung Horizont. Schneiden Sie danach alles 2 bis 3 % zu lang, beobachten Sie das VSWR-Minimum und kürzen Sie den Strahler. Rund 1 % Länge verschiebt die Resonanz um etwa 1 % in der Frequenz.

Formeln

Rechenbeispiel

FAQ

Warum braucht eine Viertelwellen-Vertikalantenne Radials?

Weil sie die zweite Hälfte der Antenne sind. Ein Monopol ist ein Schenkel eines Dipols, und die Groundplane liefert das Spiegelbild des zweiten Schenkels samt Rückweg für den Strom der Speiseleitung. Fehlt sie, läuft dieser Strom außen am Koaxschirm zurück. Der Schirm strahlt dann mit, verstimmt die Antenne und bringt RF dorthin, wo sie niemand haben will.

Wie viele Radials braucht eine Viertelwellen-Vertikalantenne?

Drei oder vier bei einer erhöhten Groundplane, wo jedes Radial ein resonantes Element in freier Luft ist. Bodenmontiert sieht es anders aus. Dort schirmen die Radials das Nahfeld gegen verlustbehafteten Boden ab, und mehr Drähte helfen weiter. 16 sind im Amateurfunk ein vernünftiges Minimum, und die FCC bezeichnet 120 vergrabene Radials als ausgezeichnetes Erdungssystem für AM-Sendetürme.

Warum ergeben abgewinkelte Radials 50 Ohm?

Ein dünner λ/4-Monopol über einer idealen Groundplane zeigt rund 36,5 Ω, also die Hälfte der 73 Ω eines Dipols, weil er nur in den halben Raum strahlt. Nach unten geneigte Radials rücken die Antenne in Richtung vertikaler Dipol und heben den Speisewiderstand an. Irgendwo bei 42 bis 45° durchläuft er 50 Ω. Genau deshalb winkelt die klassische Groundplane ihre Radials ab.

Spielt der Durchmesser des Strahlers eine Rolle?

Ja, in zweifacher Hinsicht. Ein dickeres Element trägt mehr Endkapazität, resoniert deshalb bei etwas kleinerer physischer Länge und will ein kleineres k. Außerdem wird es breitbandiger. Deshalb bestehen kommerzielle VHF-Groundplanes aus Rohr und nicht aus Draht. Auf Gewinn und Diagramm wirkt sich der Durchmesser kaum aus.

Wie stimme ich eine Viertelwellen-Vertikalantenne ab?

Lang schneiden und trimmen. Geben Sie dem Strahler 2 bis 3 % zu, montieren Sie die Antenne dort, wo sie später steht, und kürzen Sie dann millimeterweise, während Sie das VSWR-Minimum verfolgen. Als Faustformel verschiebt 1 % weniger Länge die Resonanz um etwa 1 % nach oben. Trimmen Sie zuerst den Strahler, denn die Radials bestimmen vor allem die Impedanz.

Passende Anleitungen

• Antennendiagramme & das Sensorfeld — eine Viertelwellen-Vertikalantenne strahlt im Azimut rund, dazu passt das eingebaute Omni-Diagramm
• Höhen: AGL vs. AMSL — eine erhöhte Groundplane geht als Höhe über Grund in den Simulator ein, nicht über dem Meeresspiegel

Quellen & weiterführende Links

• 47 CFR § 73.189 — Minimum antenna heights or field strength requirements ↗ — der FCC-Standard für Erdungssysteme bodenmontierter Vertikalantennen: vergrabene Radials von mindestens einer Viertelwelle, nicht weniger als 90, 120 gelten als ausgezeichnet
• The ARRL Antenna Book for Radio Communications, 25th ed. (ARRL) ↗ — die praktische Standardreferenz für Groundplane-Antennen, Radialsysteme und die Faustformel 234 / f, in den Kapiteln zu Dipolen und Monopolen sowie zum Einfluss des Bodens
• 1/4 Wave Ground Plane Antenna Calculator — M0UKD ↗ — Baupraxis aus dem Amateurfunk: Verkürzungsfaktor 0,95, Radials länger als der Strahler und 45° Neigung für eine 50-Ω-Speisung
• Monopole antenna — Wikipedia ↗ — Resonanzlänge 0,95 · λ/4 = 71,25 / f (MHz), 36,5 Ω Strahlungswiderstand und 5,19 dBi Gewinn über idealer Groundplane

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