10m Band J-Pole Antenne für Portabelbetrieb und Contest

Einleitung

Die 10 m Band J-Pole Antenne eignet sich besonders für portablen Einsatz im 28-MHz-Band. Sie kommt ohne Radialsystem aus, lässt sich mechanisch einfach realisieren und bietet eine saubere Anpassung bei resonanter Auslegung.

Ziel dieses Projekts war der Aufbau einer leichten, transportablen Vertikalantenne für den Contest- und Portabelbetrieb am Glasfaser-Teleskopmast. Neben der Dimensionierung und praktischen Umsetzung werden hier die gemessenen Anpassungswerte sowie die Erfahrungen aus einem Contest-Einsatz dokumentiert.

Die vorgestellte 10 m J-Pole Antenne basiert auf einem λ/2-Strahler mit λ/4-Stub und wurde für den SSB-Bereich im 10-m-Band bei 28,4 MHz optimiert.

Konzept und Funktionsprinzip der 10 m Band J-Pole Antenne

Die J-Pole-Antenne für das 10-m-Amateurfunkband ist eine vertikal polarisierte, nicht geerdete Antenne, die sich durch einfache Konstruktion und gute Abstrahleigenschaften auszeichnet. Sie basiert auf zwei Hauptkomponenten:

1. λ/2-Strahler
   Der Hauptstrahler der J-Pole-Antenne hat die Länge einer halben Welle (λ/2) des Betriebsfrequenzbereichs. Dieser Strahler erzeugt die elektromagnetische Abstrahlung und sorgt für eine vertikale Polarisation des Funksignals.
2. λ/4-Anpassstub (Matching Stub)
   Angeschlossen an den λ/2-Strahler ist ein Viertelwellen-Anpassstub (λ/4), der die Impedanz am Speisepunkt auf 50 Ω transformiert. Der Stub bildet die charakteristische „J“-Form der Antenne und sorgt dafür, dass ein Standard-Koaxialkabel direkt angeschlossen werden kann, ohne zusätzliche Anpassungsschaltungen.
3. Speisepunkt mit 50 Ω
   Der Speisepunkt befindet sich nahe am Ende des λ/4-Stubs. Hier wird das Koaxialkabel angeschlossen, wobei die Antenne direkt auf die typische Funkgeräte-Impedanz von 50 Ω abgestimmt ist. Dies ermöglicht eine effiziente Energieübertragung ohne nennenswerte Reflexionen. Um Mantelwellen auf dem Schirm des Koaxkabels zu vermeiden, sollte grundsätzlich eine Mantelwellensperre nahe am Einspeisepunkt verwendet werden.
4. Stromverteilung
   Die Stromverteilung auf der Antenne ist charakteristisch:
   • Jeweils am unteren und oberen Ende des λ/2-Strahlers ist der Strom minimal, während die Spannung maximal ist
   • In der Mitte vom λ/2-Strahler ist der Strom maximal
5. Vorteil gegenüber Groundplane-Antennen
   Im Vergleich zu klassischen Groundplane-Antennen benötigt die J-Pole keine Radials oder Erdung. Sie ist somit besonders einfach zu montieren, z. B. an einem frei stehenden Mast, und liefert trotzdem eine gute Rundstrahlcharakteristik in der horizontalen Ebene sowie eine flache Abstrahlung und eine geringe Bodenabhängigkeit.

Mantelwellen und Speiseleitungseinfluss

Wie bei vielen unsymmetrisch gespeisten Vertikalantennen können auch bei der J-Pole Mantelwellen auf der Außenseite des Koaxialkabels auftreten.

Obwohl der Stub formal symmetrisch aufgebaut ist, erfolgt die Einspeisung mit Koaxialkabel. Durch die Unsymmetrie zwischen Innen- und Außenleiter kann ein Teil des HF-Stroms dann auf dem Koaxschirm weiterfließen.

Auswirkungen von Mantelwellen

• Veränderung der effektiven Antennenlänge
• Verschiebung der Resonanzfrequenz
• Verfälschung der Messwerte (SWR/S₁₁)

Im Extremfall wird das Koaxkabel selbst Teil der Antenne. Als Gegenmaßnahme eignet sich eine HF-Sperre (Common-Mode-Choke). Ziel ist eine Mantelwellenimpedanz von mindestens 500 Ω bei 28 MHz. Dieser Wert kann durch mehrere Ferrithülsen auf dem Koaxkabel recht einfach erreicht werden.

Dimensionierung

Als Designvorgaben wurden folgende Parameter festgelegt:

• Mittenfrequenz: 28,400 MHz
• Nutzbare Bandbreite: 500 kHz (bei S11 < −15 dB)
• Speisepunktimpedanz: 50 Ω mit möglichst geringem Blindanteil

Die geometrischen Abmessungen ergeben sich aus der bekannten Beziehung:$$\lambda = \frac{300}{f}$$mit f in MHz und $\lambda$ in Metern.

Für 28,400 MHz ergibt sich:

• Wellenlänge λ =10,56 m
• λ/2 = 5,28 m
• λ/4 = 2,64 m

Diese Werte stellen Idealmaße im Freiraum dar. In der Praxis verkürzen Leiterdurchmesser, Endkapazitäten sowie das umgebende Dielektrikum die elektrische Länge. Je nach Ausführung ist daher ein Verkürzungsfaktor zwischen etwa 0,93 und 0,96 zu berücksichtigen.

Zur Plausibilitätskontrolle wurden die Abmessungen zusätzlich mit einem Online-Rechner von M0UKD ermittelt. Das Tool berechnet nach Eingabe von Frequenz und Verkürzungsfaktor direkt die Längen von Strahler und Stub und enthält zudem eine anschauliche Beschreibung des Antennentyps.

Leiterabstand und Einspeisepunkt

Die charakteristische Impedanz einer Zweidrahtleitung in Luft berechnet sich näherungsweise zu:$$Z_0 \approx 276 \cdot \log_{10}\!\left(\frac{2s}{d}\right)$$mit s = Drahtabstand (Mitte–Mitte) und d = Drahtdurchmesser.

Das M0UKD-Tool schlägt für den Stub bei 28,400 MHz einen Leiterabstand von etwa 230 mm vor. Daraus resultiert eine Leitungsimpedanz von über 650 Ω. Für eine portabel einsetzbare Antenne ist ein solch weiter Abstand mechanisch unpraktisch und windanfällig.

Viele realisierte J-Pole-Konstruktionen verwenden deutlich kleinere Abstände und damit niedrigere Leitungsimpedanzen. Daher erfolgte ein erster Testaufbau mit: Leiterabstand: 40 mm und Drahtdurchmesser: 1 mm
Hieraus ergibt sich eine Impedanz von ca. 525 Ω. Dieser Wert stellt einen guten Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und elektrischer Funktion dar.

Wahl des Speisepunktes

Die Position des Speisepunktes entlang des λ/4-Stubs bestimmt die resultierende Eingangsimpedanz maßgeblich.

• Zu weit unten → sehr niedrige Impedanz
• Zu weit oben → hohe Impedanz

Nur an einer Stelle ergibt sich die gewünschte Anpassung von 50 Ω.

Das M0UKD-Tool gibt hierfür einen Abstand von 253 mm vom Kurzschluss an. Aufgrund des geringeren Leiterabstandes und der damit veränderten Leitungsimpedanz musste dieser Wert experimentell über S₁₁-Messungen angepasst werden. Im praktischen Aufbau ergab sich eine optimale Einspeiseposition bei 145 mm oberhalb des Kurzschlusses.

Mechanischer Aufbau am Glasfaser-Teleskopmast

• Befestigung mit Clips aus dem 3D-Drucker, passend zu den Segmentdurchmessern vom Mast.
• Der Stub ist mit insgesamt 10 Clips fixiert, die auf seine Länge verteilt sind.
• Der Strahler wird an der Mastspitze befestigt und dann bis zum Stub ca. 2 bis 3 Mal um den Mast gewendelt. Eine zusätzliche Befestigung ist nicht erforderlich.
• Koaxführung mit Mantelwellensperre (Ferrithülsen direkt auf der Leitung) am Mast
• In der Regel reicht es den Mast am Boden und in ca. 1 Meter Höhe zu fixieren. Bei normalem Wind kann komplett auf eine Abspannung verzichtet werden.
• Das Transportmaß (ohne Mast) ist sehr klein, ideal für Portabelbetrieb. Die ganze Antenne passt leicht in einen kleinen Stoffsack mit ca. 25 cm Länge.

Anpassungsmessungen

Messung mit dem zuvor kalibrierten nanoVNA. Mittenfrequenz 28,0 MHz Span 8 MHz.
Der Marker #1 ist auf 28,400 MHz eingestellt.
Die grüne Kurve im Smith Diagramm zeigt eine Schleife, deren Mitte ziemlich genau im 50 Ω Punkt liegt. Daran erkennt man die saubere Resonanz und die gute Anpassung im Bereich um die Mittenfrequenz.
Die gelbe Kurve zeigt die Anpassung S₁₁ mit ca. -25 dB und die blaue Kurve das SWR 1,11 bei 28,400 MHz.
Auf den im SSB Betrieb verwendeten Frequenzen kann die Antenne direkt ohne Tuner an das Funkgerät angeschlossen werden. Nachfolgend exemplarisch einige Messwerte:

F /MHz                S11 /dB                SWR
28,080                  -12,0                      1,7
28,400                  -25,0                      1,1
28,800                  -10,1                      2,0

Fazit

Der mechanische und elektrische Aufwand für die 10 m Band J-Pole Antenne bleibt überschaubar. Materialkosten, Aufbauzeit und Transportaufwand stehen in einem sehr guten Verhältnis zur erzielten Performance. Simulationen zeigen, dass die J-Pole bei niedriger Aufbauhöhe etwas mehr Gewinn und eine flachere Abstrahlung als die Tripleg hat.

Die Erprobung unter realen Contestbedingungen bestätigt die zuvor durchgeführten Berechnungen und Anpassungsmessungen. Im direkten Vergleich mit früher eingesetzten Antennen – λ/4-Tripleg (vertikal), klassischer λ/2-Dipol sowie Oblong (beide horizontal polarisiert) – lieferte die J-Pole die besten Ergebnisse.

Sowohl die erzielte QSO-Zahl als auch die Signalberichte fielen günstiger aus. Subjektiv zeigte sich zudem eine stabilere Lesbarkeit bei schwächeren Gegenstationen. Der flache vertikale Abstrahlwinkel und die saubere Anpassung wirken sich insbesondere bei Portabelbetrieb an Standorten mit freier Sicht positiv aus.

Mein Eindruck nach mehreren Funkaktivitäten

Gegenüber einer λ/4-Vertikalantenne benötigt die J-Pole kein separates Radialsystem, was den Aufbau deutlich vereinfacht. Im Vergleich zum horizontalen λ/2-Dipol ergibt sich bei vertikaler Polarisation ein Vorteil bei vielen Portabel- und Mobilstationen, die auch vertikal polarisiert arbeiten. Durch das kreisrunde Horizontaldiagramm ist auch kein Antennenrotor nötig, ein klarer Portabel-Vorteil. Für mich ist diese Antenne zumindest beim 10 Meter Contest der klare Favorit.