Einleitung
Diese kompakte Dualband Antenne kombiniert das 2 m Band (145 MHz) und das 70 cm Band (435 MHz) auf einem gemeinsamen Boom. Ziel der Konstruktion war eine verlustarme, mechanisch einfache Yagi ohne zusätzliche Antennenweiche im Eigenbau zu erstellen.
Durch das geringe Gewicht, die überschaubare Elementanzahl und die moderate Boomlänge eignet sich die Antenne besonders für portablen Betrieb, Fieldday oder SOTA-Einsätze.
Darüber hinaus ist sie ideal für minimalistischen Satellitenfunk über LEO-Satelliten geeignet. In Kombination mit einem Handfunkgerät lässt sich die Antenne problemlos von Hand nachführen. Der Gewinn von rund 4 dBd auf 2 m und über 6 dBd auf 70 cm ist ausreichend für viele FM- oder lineare Transponder-Satelliten im Low-Earth-Orbit, ohne dass eine komplexe Azimut-/Elevationsmechanik erforderlich ist.
Durch den Verzicht auf einen Diplexer reduzieren sich nicht nur die Verluste, sondern auch die Fehleranfälligkeit im portablen Einsatz.
Die Dualband Antenne eignet sich auch sehr gut für die Teilnahme in VHF- / UHF-Contesten mit leichter Ausrüstung.
Konstruktion
Der 2-m-Strahler ist direkt gespeist und als λ/2-Dipol mit Kabelbalun ausgeführt. Das 70-cm-Element ist parasitär gekoppelt, wodurch eine einfache und verlustarme Dualband-Yagi für 2 m und 70 cm entsteht, die sich besonders für den portablen Satellitenbetrieb im Amateurfunk eignet.
Die Antennenelemente bestehen aus 3,2-mm-Aluminiumstäben. Die Halter sind mit einem 3D-Drucker gefertigt und auf dem Boom montiert. Diese Konstruktion ermöglicht einen kostengünstigen Selbstbau einer leistungsfähigen 2 m/70 cm Amateurfunk-Yagi.
Zuerst habe ich die Teile nur auf den Boom aufgeclipst, so lassen sie sich noch ausrichten und die genauen Maße einstellen. Erst danach habe ich den Boom gebohrt und die Halter mit kleinen Schrauben fixiert. Die Elemente sitzen mit etwas Abstand über dem Boom. Gehalten werden sie lediglich durch ein kurzes Stück Kunststoff, innen im Halter ist „viel Luft“. Somit ist nahezu keine Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften vorhanden. Ich übernahm die im Freiraummodell mit EZNEC Simulation ermittelten Abmessungen unverändert in die praktische Umsetzung.
Reflektor und Strahler für 2 m sind aus zwei Teilen zusammengesetzt. Die Verbindung erfolgt in speziellen Haltern aus dem 3D-Drucker mit Lüsterklemmen. Beim Strahler teilt man die Lüsterklemme in der Mitte und lötet das Koaxkabel direkt an die beiden Hälften.
Mantelwellensperre
Bei der Speisung eines symmetrischen Dipols mit einem Koaxkabel treten durch die Kopplung in der Regel Ströme auf dem Außenleiter des Kabels auf. Diese Mantelwellen können zu einer unerwünschten Verformung des Antennendiagramms führen und sollten daher möglichst minimiert werden.
Häufig wird dazu ein Übertrager (Balun) eingesetzt. Um das Konzept der Einfachheit dieser Antenne fortzusetzen, verwende ich hier jedoch eine einfache und in der Praxis erprobte Lösung. Unmittelbar hinter dem Anschlusskasten des Strahlers wird das Koaxkabel sechsmal um das Boomrohr gewickelt. Die dadurch entstandene Induktivität stellt für den Strom auf dem Außenleiter einen hohen Widerstand dar und reduziert ihn drastisch. Die Anzahl der Windungen habe ich durch praktische Versuche ermittelt. Sie stellt eine Kompromiss dar, welcher für die beiden Frequenzbereiche gut funktioniert.
Antennendaten
2 m Mittenfrequenz: 145,800 MHz
Gewinn ca. 4,0 dBd (6,1 dBi)
70 cm Mittenfrequenz: 437,500 MHz
Gewinn ca. 6,1 dBd (8,25 dBi)
Die Gewinnangaben beruhen auf meinen Simulationsergebnissen mit dem Programm EZNEC. In der Praxis ist davon auszugehen, dass aufgrund von Verlusten der Gewinn etwas geringer ausfällt. Dennoch sind die Werte in Anbetracht der Handlichkeit dieser Antenne sehr beachtlich.
Dimensionierung
Als Basis dient ein Entwurf von DK7ZB bestehend aus einer 2-Element Yagi für das 2 m Band und einer 3-Element Yagi für das 70 cm Band. Die besondere Speisung ermöglicht den Betrieb beider Antennen über ein einziges Koaxkabel. Dadurch entfallen verlustbehaftete Antennenweichen oder vergleichbare Kopplungsnetzwerke.
Gegenüber dem Originaldesign veränderte ich die Elementdurchmesser und auch die Mittenfrequenzen, wodurch sich die elektrischen Längen der Elemente änderten. Daher korrigierte ich die Originalmaße und optimierte die Geometrie iterativ mit EZNEC. In der folgenden Tabelle sind die berechneten Maße aufgeführt. Die mechanische Fertigungstoleranz darf ±0,5 mm nicht überschreiten, da sich sonst Resonanzlage, Eingangsimpedanz und Richtdiagramm messbar verschieben.
| # | Element (alle mit Ø 3,2 mm) | Länge | Position auf dem Träger | Kommentar |
| 1 | Reflektor 2 m | 1028 mm | 0 mm | zwei Teile mit je 514 mm |
| 2 | Reflektor 70 cm | 326 mm | 230 mm | |
| 3 | Strahler 2 m | 948 mm | 370 mm | zwei Teile mit je 472 mm |
| 4 | Strahler 70 cm (parasitär) | 326 mm | 392 mm | |
| 5 | Direktor 70 cm | 300 mm | 500 mm |
- Für die gesamte Antenne werden nur drei Aluminiumstäbe mit jeweils 1 Meter Länge benötigt.
- Aus einem Stab werden die drei kurzen Elemente für das 70 cm Band hergestellt.
- Die beiden anderen Stäbe werden so geteilt, dass jeweils das längere Stück für den Reflektor und das Kürzere für den Strahler verwendet werden kann.
- Damit lässt sich die Antenne nahezu verschnittfrei herstellen.
Simulation mit EZNEC
Wires und Sources
Strahlungsdiagramme im Freifeld
Horizontaldiagramm 2 m und 70 cm
Vertikaldiagramm 2m und 70 cm
Die Richtdiagramme entsprechen den Erwartungen. Lediglich auf 70 cm treten im Horizontaldiagramm leichte Nebenkeulen auf, verursacht durch den Strom auf dem etwa drei Halbwellen langen 2 m Strahler, sowie durch die parasitäre Kopplung des 70-cm-Elements.
SWR / Anpassung
Anpassung 2 m SWR 1:1,07 S11 = -29 dB
Anpassung 70 cm SWR 1:1,07 S11 = -30 dB
Der Anpassungsverlauf ist auf beiden Bändern breitbandig und gutmütig. An den Designfrequenzen beträgt die Rückflussdämpfung etwa −30 dB und sorgt damit für eine ausgezeichnete Leistungsanpassung. Die Antenne kann mit leichten Abstichen auch im unteren Bereich der Bänder für SSB Betrieb eingesetzt werden.
Elementströme
Messungen mit nanoVNA
Die gemessenen Ergebnisse stimmen sehr gut mit den zuvor in EZNEC berechneten Werten überein.
Wie zu erwarten, zeigt die Antenne ihre optimale Anpassung in der Nähe der jeweiligen Designfrequenzen. Die Messungen bestätigen, dass:
- die Resonanzfrequenzen korrekt getroffen wurden
- keine nennenswerten Verluste auftreten
- und die parasitäre Kopplung der Elemente wie vorgesehen funktioniert
Im Bereich von 100 MHz bis 500 MHz sind zwei scharfe Resonanzen zu erkennen.
Die schmalen grau hinterlegten Bereiche stellen das 2 m und 70 cm Band dar.
Die Diagramme weiter unten zeigen jeweils gedehnt den Bereich um die Designfrequenzen (grüner Marker).
Anpassung im Frequenzbereich 142 – 150 MHz
Der grau hinterlegte Bereich ist das 2 m Band (144 – 146 MHz)
Anpassung im Frequenzbereich 430 – 440 MHz (gesamtes 70 cm Band)
- Der Abstand zwischen dem parasitär erregten 70 cm Element und dem 2 m Strahler bestimmt maßgeblich die Anpassung
- Die Position vom parasitär erregen 70 cm Element wurde ausgehend von den Maßen aus der Simulations ganz minimal verändert
- Dadurch konnten die Daten noch etwas verbessert werden. Im Nutzbereich lässt sich ein SWR deutlich besser als 1:1,2 erreichen.
- Erst nach dem Test und eventuellen Abgleich werden die Halter mit Schauben auf dem Boom fixiert.
Hinweise zum Nachbau
Die Elementhalter für die Dualband Antenne 2 m 70 cm werden im 3D-Druckverfahren aus PLA hergestellt, wobei die zugehörigen Druckdaten (STL) weiter unten zum Download bereitstehen. Dabei sind die Abmessungen der Halter bewusst so ausgelegt, dass die Elemente stramm und spielfrei sitzen.
Vor der Montage werden die Aluminiumstäbe exakt auf das angegebene Längenmaß zugeschnitten und anschließend an den Enden mit einer kleinen Fase versehen. Dadurch lassen sie sich deutlich leichter mit einem Hammer in die Halter einsetzen. Falls beim 3D-Druck dennoch Grate entstehen oder die Bohrungen etwas zu eng ausfallen, können diese bei Bedarf einfach mit einem passenden Bohrer nachgearbeitet werden.
Als Boom kommt ein handelsübliches Elektroinstallationsrohr aus Kunststoff mit 20 mm Durchmesser zum Einsatz. Die Elementhalter werden zunächst auf das Rohr aufgeclipst, danach ausgerichtet und anschließend fest verschraubt. Hierbei haben sich insbesondere rostfreie, selbstschneidende Edelstahlschrauben der Größe M2,6 × 8 mm bewährt. Nach dem Vorbohren mit einem 2-mm-Bohrer lassen sie sich leicht eindrehen und sorgen für eine dauerhaft stabile Verbindung.
Strahler und Reflektor
Die elektrische Verbindung des Strahlers mit dem Koaxkabel erfolgt über eine halbierte Lüsterklemme, die aus lötbarem Material bestehen und für einen Leiterquerschnitt von 6 mm² ausgelegt sein sollte. Die beiden Klemmenteile werden zuerst mit dem Koaxkabel verlötet. Anschließend werden die Strahlerelemente seitlich in die Elementhalter eingeschlagen, sowie in die Lüsterklemme eingeführt und danach fest verschraubt.
Beim Reflektor der Dualband Antenne erfolgt die Montage nach demselben Prinzip, jedoch wird hier eine vollständige Lüsterklemme verwendet, um die beiden Elementhälften elektrisch miteinander zu verbinden.
- Für die Feinabstimmung der Eigenbau Antenne können die Elementhälften von Strahler und Reflektor
- in den Lüsterklemmen jeweils um bis zu 2 mm nach außen verschoben werden,
- wodurch sich die Resonanzfrequenz um etwa 500 kHz nach unten verlagern lässt.
Detailaufnahmen
Die folgende Bildergalerie ergänzt den Aufbau der Dualband Antenne 2 m 70 cm zum Eigenbau mit Detailaufnahmen von Strahler, Reflektor sowie den Montagepunkten. Beim Anklicken öffnen sich die Bilder in vergrößerter Ansicht, sodass sich die Konstruktion im Detail besser nachvollziehen lässt.
Downloads
Download des Antennenmodells für EzNEC, sowie grafische Simulationsergebnisse.
Download der STL-Files zur Herstellung der Kunststoffteile mit einem 3D-Drucker.
Die 3D-Druckdateien stehen unter der Lizenz CC BY-NC 4.0 (Namensnennung, keine kommerzielle Nutzung).