Neue Langyagi-Konzepte für UKW

58. UKW-Tagung Weinheim 2013
Neue Langyagi-Konzepte für UKW
Martin Steyer, DK7ZB
[email protected]
Seit den richtungsweisenden Entwicklungsarbeiten von DL6WU [1, 2], die auf experimenteller Grundlage basierten, gab es in den darauf folgenden 25 Jahren zwei weitere
Entwicklungslinien von Langyagis.
Mit Hilfe computergestützter Optimierung wurden 1990 die DL6WU-Yagis von DJ9BV [3]
weiterentwickelt. Bei beiden Konzepten ist der Strahlungswiderstand des Erregers auf 50 Ω
festgelegt. Es wird allerdings kein gestreckter Dipol eingesetzt, sondern ein ein 200-ΩFaltdipol, der mit Hilfe einer Halbwellenumwegleitung symmetriert und auf 50 Ω transformiert
wird.
Ebenfalls mit Hilfe von Optimierungs- und Analyse-Programmen [4, 5] und experimenteller
Arbeit wurde von DK7ZB eine neue Reihe von Langyagis entworfen und 1997 vorgestellt [6].
Grundlage waren drei Beobachtungen: Bei der klassischen Langyagi-Struktur nach DL6WU
waren bei einem Strahlungswiderstand im Bereich 25-35 Ω bessere Kompromißeigenschaften bezüglich der Gewichtung von Gewinn, Rückdämpfung und Bandbreite zu
erzielen. Zum anderen war auf einfache Weise mit Hilfe einer aus zwei parallelen
Viertelwellenstücken von 75-Ω-Koaxkabeln nicht nur eine Impedanztransformation auf 50 Ω
möglich. Erstaunlicherweise war auch die Mantelwellenunterdrückung damit sehr gut, so daß
sich ein symmetrisches Richtdiagramm ergab. Die dritte Beobachtung war, daß entgegen
der bis dahin vorherrschenden Meinung ein mechanisch komplexerer Faltdipol in einer
Langyagi keineswegs eine höhere Bandbreite als ein gestreckter Dipol aufweist.
Zwei weitere Konstruktionsmerkmale zeichneten die DK7ZB-Langyagis aus. Das war einmal
der schnelle Übergang der Direktorkette in die Wellenleiterzone mit extrem hohen Abständen
der Elemente. Dadurch wiesen die Yagis zu dieser Zeit die wenigsten Elemente je
Boomlänge auf. Zum anderen wurden am Ende bei verkürztem Abstand wieder längere
Direktoren eingefügt, was zu einem verbesserten Stromprofil und erhöhtem Gewinn führt. So
kam man beispielsweise bei einer 3-λ-Yagi mit 10 Elementen aus, wogegen seinerzeit die
bekannte 16-Element-Tonna-Yagi bei etwa gleicher Boomlänge erheblich mehr Elemente
hatte.
In den letzten 10 Jahren gab es dann eine ganze Reihe neuer Ansätze, von denen die
wichtigsten, die auch experimentell erprobt sind, hier vorgestellt werden sollen. Das Prinzip
einer Langyagi-Struktur ist in Bild 1 zu sehen, welche der Zonen in den unterschiedlichen
Entwürfen eine besondere Rolle spielen, wird nachfolgend erörtert.
Das Entwicklungsziel, mit Hilfe eines optimierten Stromprofils hohe Gewinne zu realisieren,
erkennt man in Bild 2. Nur der letzte Direktor in der Endzone ist stärker verkürzt, um einen
reflektionsfreien Übergang der Welle in den Freiraum zu erreichen. Gut erkennbar ist, daß
bei den 28-Ω-Yagis das Strommaximum im Strahler auftritt und die Ströme der Direktoren bis
zum vorletzten auf einem hohen Niveau gehalten werden.
Zur Verdeutlichung wird dies noch einmal in einer anderen Darstellung in Bild 3 abgebildet.
Das YU7EF-Prinzip
Führt man die Wellenleiter- und Endzone so aus, daß sich eine stärkere Verkürzung der
Direktoren in der Übergangszone und zum Ende hin ergibt, kann bei optimaler Staffelung
eine starke Unterdrückung der ersten Nebenkeule in Vorwärtsrichtung erreicht werden.
Besonders der meist größere vertikale Anteil wird bei den YU7EF-Entwürfen erheblich
reduziert [7]. Da die Elementströme dabei stärker absinken als bei konventionellen Yagis ist
dies allerdings mit einem Gewinnabfall verbunden.
In den ersten vorgestellten Yagis hat Pop, YU7EF, versucht, diesen Effekt zu kompensieren.
Dabei ist die Rückdämpfung aber relativ schlecht und die Bandbreite sehr gering. Das
Stromprofil einer solchen älteren Yagi vom Typ 13b zeigt Bild 4. Deutlich zu sehen ist auch,
daß bei den 50-Ω-Yagis der höchste Elementstrom im ersten Direktor auftritt. Damit ist
dieses dicht am Erreger angeordnete Element kein eigentlicher Direktor im engeren Sinne,
sondern eher ein „open-sleeve“-Element und bildet mit dem gespeisten Element ein
gekoppeltes System. Die Richtdiagramme sind in den Bildern 5 und 6 aufgeführt.
Inzwischen liegt der Schwerpunkt seiner neueren Bauvorschläge bei hohem G/T-Wert,
größerer Bandbreite und besserer Rückwärtsunterdrückung. Dabei nimmt er den reduzierten
Gewinn bewußt in Kauf. Die nachstehend aufgeführten Yagis von UA9TC, G0KSC und
DG7YBN basieren auf der YU7EF-Direktorkette, haben aber ein anderes Erregerzentrum als
das bei YU7EF.
UA9TC-Yagis mit abgeknickten Reflektorenden
Eine Beobachtung, die schon Les Moxon (G6XN) machte, ist die, daß an den Enden
rechtwinklig geknickte Reflektoren, bzw. Erreger eine erhöhte Rückdämpfung und damit ein
verbessertes Richtdiagramm aufweisen. Die 2-Element-Moxon-Yagi dürfte allen
Antennenbauern bekannt sein. Der Grund liegt darin, daß an den Enden, wo das
Spannungsmaximum herrscht, eine Annäherung der Elemente und damit eine stärkere
Verkopplung erfolgt und sich eine verbesserte Phasenverschiebung für das V/R-Verhältnis
einstellt.
Boris, UA9TC, hat erstmals einen solchen an den Enden rechtwinklig abgeknickten
Reflektor eingesetzt [8]. Mit einer nach YU7EF ausgeführten Direktorkette und einem
allerdings stark auf Kosten des Gewinns ausgelegtem breitbandigen Entwurf soll die UA9TC13RS mit einem 8 m langen Boom als Beispiel dienen. Gegenüber der genauso langen
DK7ZB-12opt bedeutet das 0,25 dB Mindergewinn, was bei Langyagis allerdings schon
Welten sind. Das Schema und das Stromprofil ist in Bild 7 zu sehen, das erstaunliche SWRDiagramm in Bild 8.
OP-DES-Yagis von G0KSC mit abgeknickten Erregerenden
Exakt die gleiche Wirkung stellt sich ein, wenn die Enden des Strahlers zum Reflektor hin
gebogen werden wie es Justin, G0KSC, vorschlägt. Dieses Prinzip des Erregerzentrums ist
in Bild 9 zu sehen. Hier habe ich einfach die UA9TC-Yagi umkonstruiert. Gewinn, Bandbreite
und Richtdiagramm sind bei ebenfalls 50 Ω Impedanz praktisch identisch.
G0KSC ist bekannt für kreative Begriffe, OP-DES bei ihm steht bei ihm für „Opposing PhaseDriven Element System“ [9].
Rückgebogener Strahler nach DG7YBN
Dieses wohl erstmals von K6STI vorgeschlagene Modell wurde von Hartmut, DG7YBN, mit
der Direktorkette von YU7EF kombiniert [10]. Dabei wird der Strahler nicht rechtwinklig an
den Enden gebogen, sondern ab einem bestimmten Punkt nähern sich die Strahlerhälften
konti- nuierlich dem Reflektor. Hierbei ergeben sich einige Vorteile gegenüber den
vorangehend beschriebenen Yagis. Bild 10 zeigt das Schema des Erregerzentrums.
Zum einen ist die Phasenverschiebung
günstiger, außerdem kann man so besser
einen Faltdipol einsetzen, um mit 200 Ω
und einer Halbwellen-Umwegleitung zu
speisen. Das sehr saubere Stromprofil
erkennt man in Bild 11.
Interessant ist in diesem Zusammenhang,
daß es sich eigentlich um eine 28-Ω-Yagi
handelt. Biegt man nämlich die Strahlerenden zurück, womit wieder ein gestreckter
Erreger entsteht, so hat dieser exakt 28 Ω
Impedanz ohne Blindanteile.
Die Annäherung der Enden hebt den reellen Anteil am Strahlungswiderstand auf die
Kabelimpedanz von 50 Ω an. Dabei ist bemerkenswert, dass in einem weiten Bereich durch
Veränderung des Abknick-Winkels der reelle Anteil des Strahlerwiderstandes ohne
gleichzeitiges Auftreten von Blindanteilen eingestellt werden kann. Mit Hilfe dieser
Erkenntnisse ergibt sich wohl noch einiges an Entwicklungspotential.
Auch die Richtdiagramme (Bilder 12 und 13) zeigen einen sehr guten Verlauf. Die Nebenund Rückzipfel sind optimal unterdrückt.
Der Anpassungsverlauf in Bild 16 zeigt einen breitbandigen Charakter, bis 146 MHz steigt
das SWR nur auf einen Wert von 1,5 an. Allerdings fällt auf, daß im Azimutdiagramm in der
Ebene quer zum Strahler Nebenzipfel auftreten. Diesen Effekt gibt es bei klassischen
gestreckten Erregern nicht, bei diesen ist dort eine tiefe Nullstelle.
OWL-Yagis („optimized wide band low impedance Yagis“)
Diese Yagis basieren auf einer sehr niederohmigen Impedanz im Bereich von 10-20 Ω. Sie
wird sinnvollerweise auf 12,5 Ω festgelegt. Dieser Impedanzwert bietet zwei Vorteile. Zum
einen kann man die schon vor 20 Jahren beschriebene DK7ZB-Speisung über zwei parallele
50-Ω-Viertelwellenkabel einsetzen. Zum anderen ist eine einfache Impedanztransformation
1:4 über einen Faltdipol oder eine liegende Rechteckschleife möglich. Mit beiden Methoden
kommt man dann auf die Kabelimpedanz von 50 Ω.
12,5-Ω-Yagis wurden erstmals von DK7ZB beschrieben, dabei wird ein sehr dicht am
Strahler befindlicher Reflektor für hohe Rückdämpfung eingesetzt. Justin, G0KSC,
entdeckte, daß zusätzlich auch ein sehr nah angeordneter Direktor 1 zu interessanten
Eigenschaften führt [11]. Mit dieser sehr eng gekoppelten Erregerzelle kann eine eine hohe
Rückdämpfung und ein nebenzipfelarmes Richtdiagramm erreicht werden. Zusätzlich läßt es
sich bei hohem Gewinn für eine große Bandbreite auslegen. Kombiniert man dieses Prinzip
mit einer YU7EF-Direktoranordnung, kann man einen Teil des Gewinnverlustes durch die
gegenüber konventionellen Yagis längere Wellenleiterzone wieder ausgleichen.
12,5-Ω-OWL-Yagis
Als Beispiel soll eine 8,7 m lange 14-Element-DK7ZB-Yagi dienen. Sie verbindet die G0KSCErregerzelle mit einer YU7EF-Direktorkette. Die Strombelegung der Elemente ist in Bild 17
zu sehen. Typisch für eine OWL-Yagi ist, dass der höchste Strom im Erreger auftritt.
Sie kann mit einem Faltdipol für direkte 50-Ω-Speisung ausgestattet werden. Interessant
dazu sind zwei bemerkenswerte Erkenntnisse. Ein Faltdipol weist offensichtlich in sich schon
eine gewisse Symmetrierung auf, wenn er mit unsymmetrischem Koaxkabel gespeist wird
[12].
Zum anderen war ein direkter Ersatz durch einen Faltdipol nicht möglich. Dank guter
Kontakte zur Firma KONNI habe ich mir einen ganzen Set Faltdipole mit gestaffelten Längen
zum Experimentieren anfertigen lassen. In jedem Fall war eine auf 12,5 +/-j 0 Ω optimierte
Yagi durch direkten Ersatz eines Faltdipols nicht auf 50 +/- j 0 Ω zu bringen. Es war immer
ein zusätzlicher Feinabgleich durch Variation der Länge und Position von Direktor 1
notwendig. Die gleiche Beobachtung habe ich übrigens ebenso mit 50/200-Ω-Yagis
gemacht.
Die Diagramme der OWL-Yagi (Bilder 18 und 19) zeigen eine sehr gut unterdrückte erste
Nebenkeule und eine gute rückwärtige Strahlungsunterdrückung.
Bild 20 zeigt, daß der Anpassungsverlauf sehr gleichmäßig ist, ab 145,5 MHz steigt das
SWR schneller an.
LFA-Yagis von G0KSC
Eine andere Möglichkeit eine OWL-Yagi zu speisen, ist die einer liegenden Rechteckschleife
(Bild 21). Justin, G0KSC, nennt diese Art von Yagi „Loop-fed-Array“ [9]. Die liegende Loop
allein hat je nach Längenverhältnissen eine Impedanz zwischen 280 und 310 Ω, was der
eines klassischen Faltdipols entspricht. Die Strahlungscharakteristik ist aber anders, wie es
Bild 22 zeigt.
Der mit der Loop erzielte Zusatzgewinn spielt aber in der Praxis wohl keine Rolle. Er wird
auch zum größten Teil wieder wieder aufgezehrt durch den Effekt, daß die Erregerzone auf
Kosten der Wellenleiterzone größer wird.
Zudem speist G0KSC bei manchen LFA-Yagis auf der Reflektorseite, was eigentlich
bezüglich des oben angeführten Diagramms der einzelnen Schleife kontraproduktiv ist.
Trotzdem ergeben sich bezüglich der Bandbreite und des Richtdiagramms interessante
Möglichkeiten, wie die Entwürfe von G0KSC zeigen.
Das Schema und das Stromprofil einer 11-El.-LFA erkennt man in Bild 23. Dabei fällt auch
der Direktor 3 mit dem sinkenden Elementstrom wie bei vielen YU7EF-Yagis auf.
Die horizontalen Richtdiagramme sind in den Bildern 24 und 25 abgebildet.
FLOWA-Yagis von G4CQM
Einen gänzlich anderen Ansatz wählt Derek, G4CQM [13]. Der Begriff FLOWA steht für „Flat
Line Optimized Wideband Antenna“. Er ist auch ein Verfechter der „50-Ω-direct-feed“Methode mit einem echten 50-Ω-Halbwellendipol als Erreger, aber er setzt im Gegensatz zu
G0KSC, der mit „particle-swarm“-Optimierer arbeitet, auf das Werkzeug YO-professionel von
K6STI. YO basiert auf einem klassischen Evolutionsalgorithmus. Um eine größere
Breitbandigkeit zu erreichen, werden bei den FLOWA-Yagis zusätzlich kürzere und enger
gestaffelte Direktoren in die Yagi-Struktur eingefügt. Diese nach dem „open-sleeve“-Prinzip
gekoppelten näher nebeneinander liegenden Direktoren weisen unorthodoxe Längen auf,
führen aber zu breitbandigerem Design. In Bild 26 ist dieses Prinzip zu sehen. Die Elemente
5 und 7 (Direktoren 3 und 5) in der Übergangszone weisen absolut untypische Abstände und
Ströme auf.
Die FLOWA-Yagis weisen eine noch größere Bandbreite auf als die bisher vorgestellten
Yagis. Auch der SWR-Verlauf entspricht dem klassischer Yagis, d.h. oberhalb und unterhalb
der Entwurfsfrequenz steigt das SWR kontinuierlich an. Bei den anderen vorgestellten Yagis
entspricht das SWR etwa dem einer bandfilterartigen Struktur mit zwei Resonanzen.
Außerhalb dieses Bereichs steigt das SWR zum Teil sehr schnell an, was meist nicht mehr
mit abgebildet wird.
In Bild 27 ist die Bandbreite der 12-Element-FLOWA mit einer Boomlänge von 8 m zu
erkennen.
Bild 27: Die erstaunliche Bandbreite der G4CQM-FLOWA-Yagi
Die Rauschtemperatur Ta ist allerdings höher als bei den anderen Yagis, weil die ersten
Nebenzipfel in der horizontalen und vertikalenen Ebene noch ausgeprägt sind. Die Bilder 28
und 29 geben die Diagramme dazu wieder. In der Folge ist die Bandbreite zwar extrem groß,
aber der G/T-Wert nur durchschnittlich.
Abschließende Betrachtungen
Hochleistungsyagis können nach wie vor im Eigenbau erstellt werden. Erfreulicherweise sind
die meisten notwendigen Informationen zu den Abmessungen und zur Speisung im WorldWide-Web zu finden. Die entsprechenden Links sind unten angegeben. Der bauwillige
Amateur hat nun die Qual der Wahl, welches Konzept er realisieren will. Vorsicht ist
allerdings angebracht, wenn allzu vollmundig neue, sensationelle Entwicklungen
angekündigt werden. Wie wir gesehen haben erfolgen Verbesserungen von Yagis in kleinen
Schritten, an denen meist mehrere Designer beteiligt sind.
Quellennachweise:
[1] Hoch, G. (DL6WU): Wirkungsweise und optimale Dimensionierung von Yagi- Antennen,
UKW-Berichte 17 (1977), Heft 1, S. 27
[2] Hoch, G. (DL6WU): Mehr Gewinn mit Yagi-Antennen, UKW-Berichte 18 (1978), Heft 1, S.
2
[3] Bertelsmeier, R. (DJ9BV): Yagi-Antennas for 144MHz , DUBUS, 1/1990, S. 19-30
[4]: Beezley, B. (K6STI): Programm Yagi-Optimizer (YO), Versionen 6.5 und 7.2.3, Linda
Vista Drive, San Marcos, CA 92069, USA (nicht mehr erhältlich)
[5]: Programm EZNEC+ Ver. 5.0.59 von Roy Lewallen (W7EL), P.O.Box 6658, Beaverton, OR 97007,
USA (e-Mail [email protected]), http://www.eznec.com
[6] Steyer, M. (DK7ZB): Hochleistungsyagis für das 2-m-Band in 28-Ω-Technik,
FUNKAMATEUR (46) 1997, Heft 1, S. 72
[7] Ljubisa, P. (YU7EF): YU7EF-Antennas, http://www.yu7ef.com
[8] Kragin, B. (UA9TC): http://www.vhfdx.ru/faylyi/view-details/shemyi-i-opisaniya/ant-ua9tc
[9] Johnson, Justin (G0KSC): Homepage http://www.g0ksc.co.uk/
[10] Klüver, H. (DG7YBN): 144/432 MHz Long Yagis with a bent Driven Element, Dubus Technik
XII, S. 97
[11] Johnson, Justin (G0KSC): The Optimized Wideband Low Impedance Yagi (OWL),
DUBUS 39 (2010), H. 1, S. 82-94
[12] Buxton, C., Stutzman, W., Nealy, R. and Orndorff, A.: The folded dipole: A self balancing
antenna, Microwave and Optical Technology Letters (2001), Vol. 29, Issue 3
[13] Hillegard, D.(G4CQM): Homepage unter http://g4cqm.www.idnet.com/