Der Viertelwellenstrahler und sein Gegengewicht

Die fehlende Hälfte

Stellst du einen Arm eines Halbwellendipols senkrecht auf und speist ihn am unteren Ende, entsteht ein Viertelwellenstrahler, auch Monopol genannt. Ihm fehlt der zweite Arm. Was dessen Aufgabe übernimmt, bestimmt die Impedanz am Fußpunkt und die Verluste mit. Auf 14,2 MHz ist eine Viertelwelle rechnerisch $c/(4f) \approx 5{,}3$ m lang, gebaut wird er wie der Dipol etwas kürzer (Modul 2, Lektion 1).

Die Speisung am Fußpunkt hat zwei Anschlüsse. Fließt in einem Augenblick Strom vom Innenleiter in den Strahler, fließt am Schirm ein gleich großer Strom zurück, eine halbe Periode später ist es umgekehrt. Am Dipol führt diesen Rückstrom der zweite Arm, am Viertelwellenstrahler das Gegengewicht: eine leitende Fläche, einige Radials oder der Boden selbst. Es ist kein Zubehör, es vervollständigt die Antenne.

Der Name stammt aus der Frühzeit der Funktechnik und führt leicht in die Irre: Ausbalanciert wird nichts, und die Drähte sind kein Zusatzteil, sondern die zweite Hälfte der Antenne. Ein Fachbeitrag hält das Wort deshalb für irreführend und überflüssig^[7]. Weil es in Literatur und Prüfungsfragenkatalog steht (Frage NG106), verwendet es auch die Antennenschule, immer in dieser Bedeutung.

Das Spiegelbild

Am einfachsten zu verstehen ist der Strahler auf einer unendlich großen, ideal leitenden Ebene. Oberhalb der Ebene sind die Felder dann dieselben wie die eines Dipols aus Strahler und Spiegelbild im freien Raum. Das Spiegelbild steht gleich lang senkrecht unter dem Strahler, und sein Strom fließt gleichphasig. Beim waagerechten Dipol über ideal leitendem Boden ist es umgekehrt, dort fließt der Strom im Spiegelbild gegenphasig (Modul 1, Lektion 4). Den Rückstrom führt die Ebene selbst: Fließt der Strom im Strahler gerade nach oben, fließt er in ihrer Oberfläche von allen Seiten auf den Fußpunkt zu.

Strom und Spannung verteilen sich wie auf einem Arm des Dipols. Am Fußpunkt ist der Strom am größten, an der Spitze null, dort liegt die höchste Spannung (Modul 1, Lektion 1).

Unterhalb der Ebene gibt es kein Feld. Bei gleichem Strom am Fußpunkt strahlt der Viertelwellenstrahler deshalb halb so viel Leistung ab wie der ganze Dipol, und sein Strahlungswiderstand ist halb so groß^[1]. In einer 12db-Simulation (NEC-2, 14,2 MHz, Kupferdraht 2 mm) hat ein resonanter Strahler auf ideal leitender Ebene rund 36 Ω, der gleich gebaute Dipol im freien Raum rund 73 Ω.

Radials statt Ebene

Eine unendlich große Metallfläche gibt es nicht. Die Groundplane ersetzt sie durch einige Drähte, die Radials, die am Fußpunkt beginnen und ungefähr eine Viertelwelle lang sind. Sie führen den Rückstrom. Dabei strahlen sie auch, aber gegenüberliegende Radials führen Ströme in entgegengesetzte Richtungen, und bei waagerechten Radials heben sich ihre Felder in der Ferne weitgehend auf. Abgestrahlt wird vor allem vom senkrechten Strahler, obwohl die Radials zusammen mehr Draht haben als er.

Ein Gegengewicht ist keine Schutzerdung. Die Radials einer Groundplane erfüllen ihre Aufgabe auch ohne Verbindung zum Erdreich^[3]. Liegen blanke Drähte auf dem Rasen, berühren sie zwar den Boden, ihre Aufgabe an der Antenne ist das aber nicht. Für Blitzschutz und gegen statische Aufladung wird zusätzlich eine eigene Erdung empfohlen^[6].

Ein Abfluss für Leistung sind Radials ebenso wenig, auch nicht für reflektierte Leistung. Bei Fehlanpassung läuft sie als rücklaufende Welle auf dem Koax, was aus ihr wird, hängt von den Reflexionen an den Enden der Leitung und den Verlusten ab (Modul 1, Lektion 5). Ihr Strom gehört zur Antenne wie der Strom im unteren Arm eines Dipols. Verluste entstehen dabei im Widerstand des Drahts und im Boden (Modul 1, Lektion 4).

Auch viele Radials ergeben keine unendliche Ebene, das zeigt sich am Fußpunkt. In derselben 12db-Simulation im freien Raum hat eine Groundplane mit vier waagerechten Radials rund 22 Ω, mit 8, 16 oder 32 Radials ändert sich das um weniger als 1 Ω. Das gilt für die Impedanz im freien Raum. Liegen die Radials auf verlustbehaftetem Boden, bestimmt ihre Zahl vor allem die Verluste, das zeigt Lektion 2.

Mit vier um 45° nach unten geneigten Radials sind es rund 53 Ω. Geneigte Radials strahlen mit ihrem senkrechten Anteil mit, ihre waagerechten Anteile heben sich weiter auf^[2]. Je steiler sie nach unten zeigen, desto mehr wird aus der Groundplane ein vertikaler Dipol.

Über echtem Boden

Steht der Strahler direkt auf dem Boden, übernimmt das Erdreich die Rolle der Ebene. Den Rückstrom führt dann eine Schicht nahe der Oberfläche rund um den Fußpunkt. Wie tief und wie weit er sich verteilt, hängt von Frequenz, Boden und Aufbau ab, üblich ist die Vorstellung eines Umkreises von etwa einer Viertelwelle^[6], eine scharfe Grenze ist das nicht. Erdreich leitet viel schlechter als Metall, ein Teil der Leistung wird dort zu Wärme. Radials auf oder im Boden geben dem Strom einen besser leitenden Weg. Wie viele du brauchst und wie lang sie sein müssen, am Boden und in der Höhe, zeigt Lektion 2. Was geschieht, wenn das Gegengewicht fehlt, zeigt Lektion 5.

Der vertikale Dipol

Ein vertikaler Dipol ist ein senkrecht aufgehängter Halbwellendipol. Er bringt seine zweite Hälfte selbst mit: Den Rückstrom, den bei der Groundplane die Radials führen, trägt bei ihm der untere Arm. In einer 12db-Simulation für 14,2 MHz brachte ein Netz aus 32 Radials auf dem Boden unter einem vertikalen Dipol weniger als 0,1 dB, solange sein unteres Ende mindestens eine Viertelwelle über den Radials hing. Hing das untere Ende 0,3 m darüber, waren es je nach Boden bis rund 0,3 dB. Radials am Boden rechnet NEC-2 nur näherungsweise, eine ältere Modellrechnung mit NEC-4 kam dicht über dem Boden auf etwas mehr^[4]. Das Netz verbessert dann den Boden unter der Antenne, ein Gegengewicht wird es dadurch nicht.

Dafür ist er doppelt so lang wie der Viertelwellenstrahler, auf 20 m rund 10 m, und er braucht eine Stütze, an der sein unteres Ende frei über dem Boden hängt. Gespeist wird er in der Mitte. Hoch über dem Boden hat er dort in der 12db-Simulation rund 70 bis 74 Ω wie der waagerechte Dipol, hängt sein unteres Ende 0,3 m über dem Boden, sind es je nach Boden rund 89 bis 98 Ω.

Weil der Speisepunkt in der Mitte liegt, muss das Koax durch das Feld der Antenne. Verläuft es nicht rechtwinklig zum Draht, koppelt dessen Feld Strom auf die Leitung, umso mehr, je näher sie dem Draht kommt^[5]. Wie du das Kabel wegführst, zeigt Modul 4, Lektion 5.