Aufstellung und Abstrahlung

Der Boden wirkt an zwei Stellen

Vertikalantennen gelten als Antennen für flache Abstrahlung und damit für DX. Ob eine Vertikalantenne das am eigenen Standort hält, entscheiden der Boden in ihrer Umgebung und Leiter in ihrer Nähe. Beispiel ist der Viertelwellenstrahler für 14,2 MHz aus Lektion 1.

Eine Vertikalantenne am Boden arbeitet mit dem Erdreich zusammen, und zwar auf zwei verschiedene Arten. Die eine bestimmt den Wirkungsgrad, die andere die flache Abstrahlung^[1]. Gegen die erste helfen Radials, gegen die zweite nicht.

Nahe der Antenne fließt der Rückstrom. Was davon durch das Erdreich statt über die Radials fließt, wird dort zu Wärme und zählt zum Verlustwiderstand (Lektion 2 und Modul 1, Lektion 4). Auch trockener Sand leitet, wenn auch schlecht, ein Isolator ist er nicht. Mehr Radials senken diesen Verlust deshalb auch über sehr schlecht leitendem Boden. In einer 12db-Simulation (NEC-2, Radials knapp über dem Boden) steigt der Gewinn dort mit jeder Verdopplung ihrer Zahl von 4 bis 64 Radials.

Weiter draußen entsteht die flache Abstrahlung. Im Fernfeld überlagern sich die direkte Welle und die am Boden gespiegelte. Über ideal leitendem Boden verstärken sie sich bis zum Horizont. Über realem Boden dreht die Spiegelung bei streifendem Einfall die Phase um 180°, direkte und gespiegelte Raumwelle löschen sich am Horizont aus^[1].

Bei einer Vertikalantenne am Boden schwächt die gespiegelte Welle die direkte unterhalb eines bestimmten Winkels, des Pseudo-Brewster-Winkels, darüber verstärkt sie sie. Über Meerwasser liegt dieser Winkel unter einem Grad^[1]. Je schlechter der Boden leitet, desto höher liegt er, und mit ihm rückt das Maximum der Abstrahlung nach oben.

Die Kurven sind eine 12db-Rechnung, die nur die Spiegelung der Raumwelle enthält, mit den Bodenwerten aus Cebiks Modellen^[2] und der Fresnel-Gleichung für die Spiegelung^[3]. Über sehr gut leitendem Boden liegt das Maximum auf 14,2 MHz bei rund 23°, über sehr schlecht leitendem bei rund 29°, jeweils oberhalb des Pseudo-Brewster-Winkels. Bei 10° Erhebung, wichtig für DX, liegen beide in dieser Rechnung rund 5 dB auseinander.

Wo die Radials nicht hinreichen

Die Impedanz am Fußpunkt hängt am Boden unter und direkt neben der Antenne. Wo das Maximum der Abstrahlung liegt und wie stark sie zum Horizont hin abfällt, bestimmt dagegen der Boden ab einer Entfernung von mindestens rund einer Wellenlänge^[4]. Je flacher der Winkel, desto weiter draußen liegt der Boden, der zählt. Übliche Radials von 0,1 bis 0,5 λ reichen nicht dorthin^[1].

Der Winkel der stärksten Abstrahlung hängt deshalb von der Bodenart ab und praktisch nicht vom Radialnetz, solange die Radials nicht mehrere Wellenlängen lang sind^[1].

Am Meer oder über einer feuchten, gut leitenden Ebene ist eine Vertikalantenne deshalb im Vorteil. Über sehr schlecht leitendem Boden holen Radials die Verluste zurück, aber nicht die Spiegelung, dort kann eine waagerechte Antenne in ausreichender Höhe die bessere Wahl sein^[1]. Echter Boden ist zudem nie ganz einheitlich und ändert sich oft schon auf kurze Entfernung. Rechenwerte für Bodenarten sind deshalb Anhaltswerte.

Leiter neben dem Strahler: Richtung und Länge

Leiter in der Nähe nehmen HF-Strom auf und strahlen mit (Modul 1, Lektion 4). Bei einer Vertikalantenne kommt es besonders auf ihre Richtung an. Ein Leiter nimmt Strom vor allem aus dem Anteil des elektrischen Felds auf, der entlang des Leiters zeigt. Auf Höhe der Mitte eines senkrechten Dipols zeigt dieses Feld aus Symmetriegründen senkrecht, in der Nähe wie in der Ferne. Nahe den Strahlerenden kommt in der Nähe ein waagerechter Anteil dazu. Zwei gekreuzte, mittig gespeiste Dipole, die genau senkrecht zueinander stehen, koppeln deshalb nicht^[5].

Ein senkrechter Leiter neben dem Strahler, etwa ein Fallrohr, ein Mast oder eine Stange, koppelt deshalb stark. Ein waagerechter Leiter liegt quer zum Hauptanteil des Felds und nimmt meist deutlich weniger auf, auch wenn er lang ist.

Bei der Länge koppelt ein einzelner paralleler Leiter am stärksten, wenn sie nahe einer Resonanz liegt. Leitende Abspannseile, deren Länge nahe einem Vielfachen der Viertelwelle liegt, verzerren das Strahlungsdiagramm, deshalb werden sie mit Isolatoren in nicht resonante Stücke geteilt^[6]. Bäume, die kurz gegen eine Viertelwelle sind, koppeln dagegen meist wenig^[1].

Viele parallele Stäbe mit Abständen deutlich unter der Wellenlänge wirken für ein Feld in ihrer Richtung fast wie eine Metallwand und werfen es zurück. Ein Feld quer zu ihnen lassen dieselben Stäbe weitgehend durch^[7]. Bei gleicher Menge Metall entscheidet also die Richtung.

Wie ein Leiter in der Nähe wirkt, zeigt sich an Resonanz und Widerstand am Fußpunkt. Ist der Fußpunktwiderstand deutlich niedriger als erwartet, kann Kopplung mit Leitern in der Nähe der Grund sein^[1]. In derselben 12db-Simulation sinkt er allerdings auch über sehr schlecht leitendem Boden mit 64 Radials unter den Wert über ideal leitendem Boden, rund 30 statt 37 Ω, ein niedriger Wert ist also ein Hinweis, kein Nachweis. Das Diagramm ändert sich mit, auch wenn du es nicht misst.