Radials richtig bauen

Wozu Radials am Boden dienen

Als Gegengewicht deiner Vertikalantenne legst du Radials, auf den Boden oder frei darüber. Wie viele du brauchst und wie lang sie sein müssen, hängt davon ab, wo sie liegen.

Der Strom im Strahler braucht einen Rückweg, das Gegengewicht bildet die fehlende Hälfte der Antenne (Lektion 1). Steht der Fußpunkt am Boden, nimmt ohne Radials ein großer Teil dieses Rückstroms den Weg durch das Erdreich. Dazu regt das Feld des Strahlers in der Nähe Ströme im Boden an, auch ohne leitende Verbindung. Erdreich leitet schlecht, die Ströme erwärmen es, und dieser Verlust liegt als Verlustwiderstand $R_V$ in Reihe mit dem Strahlungswiderstand (Modul 1, Lektion 4). Radials aus Kupfer geben dem Rückstrom einen Weg mit wenig Verlust.

Zum Fußpunkt hin drängt sich der Rückstrom auf kleinere Kreise zusammen, dort ist er am dichtesten. Deshalb sind die Verluste im Boden nahe der Antenne hoch, und dort setzt ein Radialnetz an.

Stell dir vor, Besucher gehen von allen Seiten über den Rasen zu einem Pavillon: Je näher sie ihm kommen, desto enger drängen sie sich auf einem kleineren Kreis, und gerade dort lohnt ein befestigter Weg. Anders als Besucher sucht sich der Strom keinen Weg aus, er verteilt sich nach Feldern und Impedanzen von Drähten und Erdreich.

Wie viel ein Radialnetz bringt, zeigten Messungen auf 7,2 MHz an vier verschiedenen Vertikalantennen: Gegenüber einem einzelnen Erdspieß brachte ein Radialnetz viele dB. Gemessen wurde über gutem Boden, über durchschnittlichem oder schlechtem Boden kann der Gewinn noch deutlich größer sein^[1]. Was der Boden weiter draußen bewirkt, wo kein Radialnetz mehr hinreicht, zeigt Lektion 4.

Bei knappem Draht mehr Radials statt längerer

Nahe am Fußpunkt liegen die Radials dicht beieinander, nach außen laufen sie auseinander. Wo die Lücken groß werden, fließt der Rückstrom wieder durch das Erdreich zwischen den Drähten statt durch die Drähte selbst^[4]. Den Abstand der Radialenden rechnest du als Umfang durch Zahl, $2\pi L / N$, mit der Länge $L$ eines Radials und der Zahl $N$ der Radials. Als dicht gelten Drähte, die weniger als 0,05 λ auseinander liegen. Die Drahtdicke spielt dabei kaum eine Rolle, Zahl und Länge der Drähte entscheiden^[3].

Die Grafik zeigt Messungen an einem Viertelwellenstrahler auf 7,2 MHz mit Radials auf dem Boden. Von 4 auf 16 Radials mit 10,1 m stieg das Signal um knapp 3,8 dB, von 16 auf 32 um weitere 0,4 dB. In diesen Messungen war mit 16 Radials der größte Teil des möglichen Gewinns erreicht. Der Autor rät deshalb, statt eine optimale Länge zu suchen, mindestens 16 zu legen, und wer wenig Draht hat, legt mehr kürzere statt weniger langer^[1]. Wie viele an deinem Standort sinnvoll sind, hängt auch von Boden und Platz ab.

Eine ältere NEC-Modellrechnung für 1,8 MHz über durchschnittlichem Boden, von 12db nicht nachgerechnet, kommt zum selben Schluss: Mit wenig Draht schnitten Radials von λ/8 besser ab als längere, erst mit viel mehr Draht lohnen λ/4 und länger^[2]. Wie groß die Unterschiede sind, hängt vom Boden ab. Messung und Modell gelten für die untersuchten Aufbauten, Frequenzen und Böden, nicht automatisch für jedes Radialnetz.

Am Boden müssen Radials nicht resonant sein

Ein Draht auf oder im Erdreich ist an den Boden gekoppelt und wird von ihm gedämpft. In einem blanken, vergrabenen Radial nimmt der Strom vom Fußpunkt aus meist stetig nach außen ab, unabhängig von seiner Länge^[1]. Auf eine Resonanz abzugleichen, bringt bei solchen Radials nichts^[4].

Ein isolierter Draht auf dem Rasen verhält sich deutlich anders. Auf ihm verteilt sich der Strom wellenförmig wie auf einem erhöhten Radial, und der Boden belastet ihn, seine Resonanz liegt tiefer als in freier Luft, um wie viel, hängt vom Boden ab^[1]. Ein solches Radial mit rund λ/4 kann dann unter dem Band resonant sein. Bei wenigen solchen Radials wandert das Strommaximum vom Fußpunkt hinaus auf die Drähte, und die Verluste im Boden steigen. Deshalb schnitten in der Messung vier Radials mit 6,4 m um 3 dB besser ab als vier mit 10,1 m. Ab 16 Radials war dieser Effekt fast verschwunden^[1]. Radials am Boden gleichst du also nicht ab, du legst genug davon.

Erhöhte Radials gehören zur Antenne

Hängen die Radials frei über dem Boden, führen sie den Rückstrom nahe am Fußpunkt selbst. Strom im Erdreich gibt es weiter. In einer Modellstudie verteilt sich das Feld am Boden unter 16 erhöhten Radials deutlich gleichmäßiger als unter vier, die direkt unter jedem Draht ein ausgeprägtes Maximum erzeugen^[5]. Bei den Messungen auf 7,2 MHz lagen vier Radials mit λ/4 in 1,2 m Höhe innerhalb von 0,2 dB von 64 Radials auf dem Boden^[1].

Für die Resonanz am Fußpunkt zählen erhöhte Radials wie der zweite Arm eines Dipols, sie bilden mit dem Strahler zusammen die Antenne. Im einfachsten Fall sind Strahler und Radials jeder für sich resonant, beide etwa λ/4 lang. Dann ist der Strom am Fußpunkt am größten und fällt zu den Enden auf null, wie in der Grafik. Resonant wird der Fußpunkt aber auch mit anderen Paaren, etwa mit einem etwas längeren Strahler und kürzeren Radials^[5].

Wie eng beide zusammenhängen, zeigt eine 12db-Simulation für 14,2 MHz mit waagerechten Radials 2 m über mittlerem Boden. Ist der Strahler so lang, dass er mit vier gleich langen Radials resonant ist (hier λ/4), ändert sich die abgestimmte Länge der Radials mit ihrer Zahl wenig, von 2 auf 16 Radials wird sie gut ein Zehntel kürzer. Ist der Strahler 2,5 % länger, brauchen 16 Radials nur rund zwei Drittel von λ/4, ist er 2,5 % kürzer, rund das 1,2-Fache. Eine Modellstudie für das 80-m-Band kommt zum selben Ergebnis^[5]. Ein erhöhtes Gegengewicht, das deutlich kleiner ist als λ/4, wirkt am Fußpunkt als Kapazität, wie ein zu kurzer Dipolarm^[5] (Modul 1, Lektion 2). Wie stark, hängt mit Strahlerlänge, Zahl, Höhe und Umgebung der Radials zusammen. Du gleichst deshalb am fertigen Aufbau ab, mit dem Messgerät am Fußpunkt.

Wenige erhöhte Radials sind empfindlich. Schon kleine Unterschiede in Länge oder Lage, Leiter in der Nähe und wechselnder Boden darunter verschieben Resonanz, Impedanz, Diagramm und Wirkungsgrad^[5]. Mehr Radials machen den Aufbau unempfindlicher.

Empfohlen werden mindestens 10 bis 12 Radials, möglichst symmetrisch verteilt, und eine Mantelwellensperre am Fußpunkt (Modul 2, Lektion 3)^[6].

Ein zu kleines Gegengewicht nimmt den Rückstrom außerdem nicht ganz auf. Ohne Sperre wird dann die Außenseite des Koaxschirms Teil des Rückwegs, und mit weniger Radials wird das schlimmer^[7]. Wie viel Strom tatsächlich auf dem Kabel fließt, hängt auch von Länge und Führung des Kabels und von der Umgebung ab. Die Folgen zeigt Lektion 5.