Vertikal 160m/80m

- Auslegen von Radials auf dem Boden. Hintergrund: elevated Radials sollten mindestens 0.05 lambda hoch aufgespannt sein, was wg. der nicht vorhersehbaren Verhältnisse vor Ort kaum sichergestellt werden kann. (Zahlenbeispiel: 0.05*160m = 8m; ein für die Durchführung nicht zu realisierender Wert.)

- Beschränkung auf 32 Radials à 20m Länge (willkürliche Festlegung).

- Ausführung des traps als Koaxial-Schwingkreis, um den Einsatz diskreter Kondensatoren zu vermeiden.

- Draht für 80m um den Teleskopmast gewickelt (1 Schlag pro Segment Teleskopmast) und Verwendung dicker Litze. Drahtdurchmesser für 160m nur 1mm und Verwendung von Stahllitze V2A 7x7x0.05, um den Windwiderstand und das Gewicht gering zu halten.

- Montage des traps am Teleskopmast, möglichst weit oben. Dann ist das 80m-Element zwar zu kurz, aber der trap zieht nicht mit seinem Eigengewicht an der dünnen Spitze des Teleskopmasts.

- Auslegung der Vertikal für eine Sendeleistung von 500 Watt. Das ist die Leistung der vorhandenen PA 500 Watt (Tokyo High Power HL1.1KFX)

- Anpassung der Fusspunktwiderstände mit Matchbox MFJ-994BRT. Diese Matchbox passt leistungsmässig zur PA und gewichtsmässig zum Fluggepäck. Durch BIAS-Tee Versorgung ist eine getrennte Steuerleitung nicht erforderlich.

2. Strahlerlängen 160m/80m

Die Länge des Strahlers für 80m wurde den Längen Verhältnissen am Teleskopmast angepasst. Aus Stabilitätsgründen wurde der trap an der Verbindung des dritt- und zweitletzten Segments des Fiberglassmastes angeordnet. Der Anfangsteil des 160m Strahlers folgt diesen beiden Segmenten vertikal nach oben und geht dann erst weiter zur seitlichen Abspannung schräg nach unten. Die Länge dieses Strahlerteils wurde so gewählt, dass sich auf 160m ungefähr der gleiche Imaginärteil einstellt wie bei der Resonanz auf 80m.

Länge verwendeter Strahler-1 (80m):

14,91 m graue Litze,

d-aussen=3mm

d-Cu=1.5mm

Länge verwendeter Strahler-2 (160m):

12,90 m Stahllitze V2A 1mm,

Länge vertikal über trap: 2.10m

Länge schräg nach unten: 10.80m

Tabelle 1: Strahler Angaben zu Drahtlängen

Für 80m ist nur die Drahtlänge bis zum Trap wirksam, da der Trap auf Resonanz auf 80m ausgelegt ist. Auf 160m wirkt der Trap als Verlängerungsinduktivität für den zweiten Teil der Drahtlänge.

Die hier vorgenommene Wahl, also die Resonanzfrequenz genau auf das 80m Band auszulegen, ist nicht die verlustärmste, wie hier https://www.w8ji.com/traps.htm nachzulesen ist. Aus Vereinfachungsgründen wurde sie beibehalten, da die zusätzlichen Verluste relativ gering sind. Siehe dazu auch

Für eine Modellierung der Anordnung in EZNEC als LOAD werden die Angaben zur Induktivität und Kapazität des trap Schwingkreises benötigt.

3. Koax-Trap effektive Kapazität Messung

In der Literatur finden sich verschiedene Softwarepakete zur Auslegung von Koax-Traps. Allen gemeinsam ist, dass sie davon ausgehen, dass das Koax als einlagige Spule gewickelt wird. Hier sollte aber die Spule in „Kelemen“-Manier gewickelt werden, also mehr als Bündel. Dazu wurde mit einer Überlänge Koax begonnen, gemessen, gekürzt, gemessen, usw., bis die Resonanzfrequenz im 80m cw-Bereich lag.

Um diesen Schwingkreis als Komponente, also als „load“ in EZNEC einzubauen, braucht man Angaben zur Kapazität, zur Induktivität und idealerweise zum Verlustwiderstand der Induktivität oder der Güte. Die Induktivität steht nicht mit ausreichender Genauigkeit zur Verfügung, dafür aber die Resonanzfrequenz und die Kapazität, die man entweder durch Ausmessen der verwendeten Koaxkabellänge und Datenblattangaben herausbekommt oder man findet sie heraus mit einem Kapazitätsmessgerät.

Achtung! Diese so gefundenen Werte sind nicht die effektive Kapazität des Schwingkreises. In verschiedenen Artikeln ist angegeben, dass die effektive Induktivität die 4-fachen Wert der Induktivität des Aussenmantel besitzt und die effektive Kapazität ein viertel der Kapazität des Koaxkabels hat.

Um endgültige Klärung in die Verhältnisse zu bringen, bietet sich eine Nachmessung mit Hilfe einer Zusatzkapazität an. Dazu wird die Resonananzfrequenz z.B. mit einem Dipper einmal ohne und anschliessend mit parallel geschalteter Zusatzkapazität gemessen. Mit dieser Berechnung ergibt sich die effektive Kapazität des Koax-Trap Schwingkreises:

                                      (1) ohne Zusatzkapazität
                       (2) mit Zusatzkapazität
           (2) in (1) eingesetzt ergibt:
        ausmultipliziert:
                       und nach C1 aufgelöst:

Zahlenwerte eingesetzt ergibt: C₁ ergibt sich zu etwa 65 pF.

Dieser Wert stimmt in etwa mit dem im folgenden ermittelten Wert überein:

Koaxkabel Typ	RG-142	Teflon Koax
Länge Koaxkabel	2,54 m
Anzahl Windungen	9
mittlerer Durchmesser	0,10 m	ca.
Kapazität gemessen	238,7 pF	Messgerät ELC-131D
Kapazität effektiv	59,7 pF	Korrektur = /4
Resonanzfrequenz	3,511 MHz	gemessen mit Dipper dl2fi
Induktivität berechnet	8,52 uH	Schwingkreisformel
Induktivität effektiv	34,08 uH	Korrektur x4
Messung Kreisgüte	-61,04 dB	Notchmethode
Kreisgüte	596	@(ziemlich hoch)

Tabelle 2: Trap 80m Daten

Neues Bild.png
Abbildung 1: trap Verluste bei 160m

Abbildung 2: trap Verluste bei 80m

4. EZNEC Modell und Auswahl ground

Abbildung 3: Modell EZNEC

Zur Abschätzung des zu erwartenden Fusspunktwiderstands und der Verluste ist es hilfreich, eine Modellierung in EZNEC durchzuführen. Bei der Modellierung von auf dem Boden aufgestellten Vertikalantennen sind Besonderheiten bei der Auswahl des verwendeten grounds zu beachten.

Das EZNEC User Manual schreibt dazu: (Auswahl der Texte mit Bezug zum Projekt)

(Zitat Anfang, Übersetzung durch https://translate.google.com/ )

Eine Erdung vom Typ „Real/MININEC“ wird nur empfohlen, wenn eine direkte Verbindung zur Erde hergestellt werden muss, z. B. bei der Modellierung einer bodenmontierten Vertikalen. In anderen Fällen sollte ein Boden „Real/High Accuracy“ verwendet werden.
Wie die Bodenmodell Typ „Real/High Accuracy“ berücksichtigt das Modell vom Typ „Real/MININEC“ die Bodenleitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante (relative Permittivität oder relative dielektrische Leitfähigkeit ε_r) bei der Berechnung des Strahlungsdiagramms und des Gewinns. Bei der Berechnung der Impedanzen und Ströme wird der Boden jedoch als perfekt angesehen. Der Nettoeffekt besteht darin, dass eine Verbindung zur Erdung vom Typ „Real/MININEC“ (im Gegensatz zum Erdungsmodell „Real/High Accuracy“) keinen Widerstand aufweist, sodass kein Erdleitungsverlust auftritt, aber dennoch die Auswirkung der Erdung auf das Strahlungsdiagramm enthalten ist. Bei Verwendung von Strom- oder Spannungsquellen sind Impedanzen und Ströme, die mit „Real/MININEC“-Erdung berechnet werden, dieselben wie für „Perfect Ground“.
Die Erdung vom Typ „Real/MININEC“ führt zu einer schnelleren Berechnung als die Erdung „Real/MININEC“ und ist zufriedenstellend, wenn die Antenne keine horizontalen Drähte enthält, die niedriger als etwa 0,2 Wellenlängen über dem Boden sind, oder höher, wenn der Draht viel länger als eine halbe Wellenlänge ist . Der Geschwindigkeitsunterschied ist jedoch bei Modellen mit der von EZNEC+ und Standard-EZNEC zugelassenen Größe gering. Daher wird für diese Programme eine Erdung „Real/High Accuracy“ empfohlen, sofern keine direkte Erdung erforderlich ist. Bei der Modellierung von geerdeten Drähten, z. B. Vertikalen, wird eine Erdung vom Typ „Real/MININEC“ benötigt. Bei Verwendung von „Real/MININEC“-Erdung müssen geerdete Drähte am geerdeten Segment mit einer Last beaufschlagt werden, wenn ein Erdungssystemverlust simuliert werden soll.

Ergebnisse sollten jedoch bis zu einer Wellenlänge von mindestens 0,005 λ oder etwa 15 cm (6 Zoll) bei 10 MHz oder mehreren Drahtdurchmessern, je nachdem, welcher Wert höher ist, gut sein. Bei Verwendung von „Real/High Accuracy“ wird eine Sommerfeld-Norton-Interpolationstabelle berechnet. Obwohl diese Berechnung mit modernen Computern recht schnell ist, wird die resultierende Tabelle auf der Festplatte gespeichert. Wenn zukünftige Läufe eine Tabelle mit ähnlichen Werten erfordern, wird eine bereits berechnete Tabelle gelesen und verwendet, anstatt die Berechnungen zu wiederholen. Der Schlüsselparameter, der bestimmt, ob eine vorhandene Tabelle nahe genug ist, ist die komplexe Permittivität des Bodens (die eine Funktion der Frequenz sowie der Bodenleitfähigkeit und -permittivität ist). Wenn eine Tabelle für eine Größe innerhalb einer benutzerdefinierten Toleranz der erforderlichen Größe gefunden wird, wird sie verwendet. Sie können diese Toleranz bei Bedarf über das Menü Control Center-Optionen ändern. Ein Toleranzwert von etwa einem Prozent ist ausreichend, wenn horizontale Drähte nicht extrem bodennah sind. In Situationen, die eine hohe Genauigkeit erfordern oder in denen niedrige horizontale Drähte vorhanden sind, wird eine viel geringere Toleranz empfohlen, möglicherweise 0,05% oder sogar 0%.

Der Erdungstyp „Real/High Accuracy“ sollte immer dann verwendet werden, wenn das Modell niedrige horizontale Drähte enthält.

Manchmal ist es notwendig, eine Erdungsverbindung herzustellen und zugleich eine hochgenaue Erdung zu verwenden. Ein Beispiel für diese Situation ist die Modellierung einer Beverage-Antenne, bei der eine Verbindung für den Abschlusswiderstand erforderlich ist. Ein anderes Beispiel ist eine invertierte L-Antenne, bei der der horizontale Teil kleiner als etwa 0,2 Wellenlängen über dem Boden ist.

Die Wirkung von Radials auf dem Boden wird weitgehend missverstanden. Bei einer typischen vertikalen Antenne mit z.B. Viertelwellenlänge hat der Boden zwei unterschiedliche und etwas unabhängige Effekte. Zum einen wird der in die Basis der Antenne fließende Strom durch einen gleichen Strom ausgeglichen, der von der Erde zum anderen Zuleitungsleiter fließt. Dieser Strom fließt durch den Boden und verursacht dabei Verluste. Der Hauptzweck eines (evtl. vergrabenen) Bodensystems besteht darin, diesen Verlust durch Erhöhen der Leitfähigkeit des Bodens in der Nähe der Antenne zu verringern. Ein schlechtes Radial-Bodensystems verringert die Antenneneffizienz. Es verringert die Stärke des abgestrahlten Feldes, ändert jedoch nicht das Antennenmuster.

Der zweite Effekt wird weniger oft berücksichtigt, ist aber oft von viel größerer Bedeutung. Das Höhenmuster einer Antenne wird durch eine Kombination eines Feldes erzeugt, das sich direkt von der Antenne zu einem Punkt im Raum über dem Horizont bewegt, und dem Feld, das denselben Punkt erreicht, nachdem es vom Boden reflektiert wurde. Die relative Stärke und Phase dieser beiden Felder machen die Strahlungskeulen und Nullstellen des vertikalen Musters aus. Wie sich herausstellt, werden vertikal polarisierte Wellen von der Bodenreflexion anders beeinflusst als horizontal polarisierte Wellen. Während horizontal polarisierte Wellen selbst auf relativ schlechtem Boden (außer in großen Winkeln) nahezu perfekt reflektieren, tun dies vertikal polarisierte Wellen nicht und sind am stärksten betroffen, wenn sie in einem niedrigen Winkel reflektiert werden. Der Nettoeffekt besteht darin, dass das Strahlungsdiagramm einer vertikal polarisierten Antenne durch die Bodenreflexion stark verändert wird. Bei realem Boden kommt es zu einem sehr signifikanten Verlust des Feldes mit geringem Winkel. Dies kann veranschaulicht werden, indem das Beispielmodell Vert1.ez ausgeführt, die 2D-Kurve des Höhenmusters gespeichert, der Bodentyp in „Perfekt“ geändert und erneut ausgeführt wird. Das Hinzufügen der zuvor gespeicherten Spur zu der mit „Perfect Ground erstellten Kurve zeigt diesen Effekt grafisch. Beachten Sie, dass Vert1 das Erdungsmodell vom Typ „Real/High Accuracy“ verwendet, das keinen leitenden Verlust enthält (der erste oben beschriebene Effekt), sondern nur die Erdreflexionseffekte. Die Bodenreflexionen, die die Reflexionen mit geringem Winkelmuster verursachen, finden weiter von der Antenne entfernt statt als die meisten gängigen radialen Bodensysteme, sodass radiale Bodensysteme nur geringe oder keine Auswirkungen auf das Phänomen der Bodenreflexion haben.

(Zitat Ende)

Das EZNEC User Manual gibt zum Wert für die „Average Gain“ an:

Die durchschnittliche Verstärkung ist die Gesamtleistung im Fernfeld (bestimmt durch Integration des Fernfelds in alle Richtungen) geteilt durch die von den Quellen an die Antenne gelieferte Leistung.

Eine zweite Verwendung für Average Gain ist die Bewertung des Verlusts, der durch den Drahtwiderstand oder die Reaktion des Feldes mit einer endlich leitenden ("realen") ground entsteht.

Für das vorhandene Projekt
- 160m Vertikal mit trap 80m und 32 radials à 22m,
- source data und Average dB = f(ε_r, S/m),
- f = 1,83 MHz,
- Leitfähigkeit Draht, hier angesetzt für Edelstahl mit ϱ = 7^e-07 (spezifischer Widerstand)

sind die Werte für source data und Average Gain bei verschieden Boden-Leitfähigkeiten und -ε_r durch EZNEC exemplarisch berechnet worden.

sourcedata S/m		ε_r
sourcedata S/m		3	5	13	80
S/m	0,001	19,68 - J 117,5	20,29 - J 118,8	21,13 - J 122,0	21,64 - J 126,3
	0,005	18,60 - J 127,0	18,70 - J 126,9	19,12 - J 126,6	21,09 - J 126,7
	0,05	20,98 - J 126,8	20,98 - J 126,8	20,97 - J 126,8	20,81 - J 126,9
	0,1	20,58 - J 125,9	20,58 - J 125,9	20,57 - J 125,8	20,44 - J 125,9

Tabelle 3: sourcedata = f ( epsilon-r, S/m)

Average Gain dB		ε_r
Average Gain dB		3	5	13	80
S/m	0,001	-8,94	-8,93	-8,40	-6,42
	0,005	-6,13	-6,16	-6,28	-6,18
	0,05	-4,75	-4,75	-4,75	-4,75
	0,1	-4,36	-4,36	-4,36	-4,35

Tabelle 4: Average Gain = f ( epsilon-r, S/m)

Zumindest für den real Anteil des Fußpunktwiderstandes, aber im Prinzip auch für dessen Blindanteil, sind keine wirklichen Abhängigkeiten von Leitfähigkeit und ε_r zu erkennen.

Für die Average Gain sieht man dagegen in Tabelle 4 sehr wohl eine Verschlechterung des Gewinns bei schlecht leitendem und trockenen ground.

Dazu ein Vergleich der pattern der hier beschriebenen Vertikalantenne, einmal mit konstant gehaltenem ε_r und dann mit konstant gehaltenem Leitwert.

Abbildung 4: Boden 0.1 S/m bzw. 0.001 S/m, epsilon-r = konst.

Abbildung 5: epsilon-r = 3 bzw. 80, Bodenleitfähigkeit = konst.

Es ist zu erkennen, dass die Bodenleitfähigkeit sich auf den Gewinn auswirkt, während sich das ε_r des Bodens praktisch nicht auswirkt.

5. LTspice Modellierung matching network

Für einen Überblick der zu erwartenden Ströme und Spannungen eignet sich sehr gut die Software „Ltspice“. Hier die Werte für 160m und 80m.

Die verwendeten Werte dienen lediglich als Anhaltswerte und sollen einen groben Überblick über die zu erwartenden Verhältnisse geben.

Eine Messung durch die letztlich verwendete matchbox erfolgt im nächsten Abschnitt.

Abbildung 6: Spice matching 160m

Abbildung 7: Spice matching 80m

Zur Kontrolle des richtigen matching wurde hier in die obigen Modelle noch eine SWR-Messung eingefügt.

6. Matching Network Messung

160m, 1.853MHz
80m, 3.53 MHz

Das matching network sollte unter möglichst realen Einsatzbedingungen vermessen werden, d.h. bei Anschluss der gemessenen Fußpunktimpedanzen auf 160m und 80m, um Aufschluss über die Verluste im matching network zu bekommen.

Also mit den Abschlussimpedanzen Z 22 - j137 Ohm bei 1.83 MHz und Z 25.4 - j181.8 Ohm bei 3.53 MHz.

7. Abschätzung matching Verluste mit TLW

Die Software TLW bietet eine komfortable Möglichkeit zur Abschätzung der im matching Netzwerk gemachten Verluste. Werte aus Messung vor Ort:

Abbildung 8: matching 160m

8. Fusspunktwiderstand Vergleich gemessen und EZNEC

Aufbau in Tiniburg bei DL8OH am 6.7.2019;
Länge Vertikal-Anteil = 14,80m
Länge L-Anteil = 12,90m +14,80 = 27,70m, Verlängerung um L-Anteil Trap.
Alle Werte gemessen direkt am Anschlusskasten für Strahler und Erdnetz. Es wurden ca. 32 Radials à ca. 22m Aludraht Ø 1mm flach ausgelegt auf dem Grasboden.

Frequenz

Messung mit dg8saq bei DL8OH

EZNEC source data (gerundet),

32 radials à 20m, 0,1m über gnd

Real/High Accuracy

MHz

re [Ohm]

re-mittel[Ohm]

im [Ohm]

im-mittel [Ohm]

re [Ohm]

im [Ohm]

1,83

23,185

23,005

23,058

23,1

-137,31

-135,93

-137,29

-136,8

-j127

3,53

25,24

25,01

24,878

25,0

-184,61

-184,71

-185,04

-184,8

-j257

Tabelle 5: Vergleich gemessene Werte Tiniburg gegen EZNEC Modellierung

Aufbau in 8R1 gemessen am 27.11.2019 morgens mit Metro VNA:

Frequenz	Messung mit Metro VNA		EZNEC source data (gerundet), 32 radials à 20m, 0,1m über gnd Real/High Accuracy
MHz	re [Ohm]	im [Ohm]	re [Ohm]	im [Ohm]
1,825	24,08	j150,5*	21	-j127
3,525	20,29	j245,4*	20	-j257
* Vorzeichen nicht angezeigt bei der verwendeten Messeinstellung

Tabelle 6: Vergleich gemessene Werte 8R1 1. Messung gegen EZNEC Modellierung

Achtung: der gleichzeitige Sendebetrieb auf 30m an der CrankIR war bei der Messung zu beobachten. Die Ablesung der Werte erfolgte in den Pausen von 30m.

Aufbau in 8R1 gemessen am 28.11.2019 mit Metro VNA, morgens vor dem Abbau:

Frequenz	Messung mit Metro VNA		EZNEC source data, 32 radials à 20m, 0,1m über gnd Real/High Accuracy
MHz	re	im	re	im
1,825	23,4	j149,1*	21	-j127
3,525	19,7	j238,8*	20	-j257
* Vorzeichen nicht angezeigt bei der verwendeten Messeinstellung

Tabelle 7: Vergleich gemessene Werte 8R1 1. Messung gegen EZNEC Modellierung

9. Zusammenfassung

Eine Vertikal