I-MAX 2000  

Das Schaltbild zeigt die bekannte I-MAX 2000 Vertikal Antenne von Solarcon. Eine schon seit Jahren beliebte und vielfach verwendete 5/8 Lambda Antenne für das 10m und 11m Band und zudem als 1/2 Lambda für das 15m Band einsetzbare Antenne. Außerdem genießt diese Antenne einen sehr guten Ruf als vertikale DX-Antenne, aber auch ihr grundsolider elektrischer sowie mechanischer Aufbau machen diese Stationsantenne besonders widerstandsfähig gegenüber rauhen Wetterbedingungen. Eine solche Antenne lässt sich hinsichtlich ihrer zu erwartenden Strahlungseigenschaften relativ einfach z. B. mit der Antennen-Software ENZNEC Pro2+ simulieren. 

Grundsätzliches zu den Simulationen

Angenommen wird eine Antennen-Montagehöhe (Einspeisehöhe der Antenne) von 9m über Grund auf einem Metallmast, welcher selbst direkt mit dem Boden verbunden (geerdet) ist. Der Metallmast ist integraler Bestandteil jeder einzelnen Antennen-Modellierungen "Over Real Ground" bzw. "In Free Space".  Für die Simulation über realem Grund findet eine mittlere Bodenleitfähigkeit von 0.005 S/m Berücksichtigung. 

Simulationen im Vergleich

Um zu verstehen welchen Einfluss zusätzlich montierte Radials (4 Stück, 200 cm lang, ca. 45 Grad nach unten abgewinkelt) auf eine 5/8 Vertikal-Antenne in einer Einspeisehöhe von 9m über Grund haben, muss man sich erst einmal mit der Simulation im Freiraum (In Free Space) beschäftigen (Abb. A und B).

Die Simulation A - einer 5/8 Antenne ohne Radials im Freiraum zeigt, aufgrund fehlender Erde und Radials, ein deutlich unterhalb des Horizonts ausgerichtetes Strahlungsbild mit einem zirka 40% Anteil von der gesamten Strahlungsleistung.   

Die Simulation B - einer 5/8 Antenne mit Radials dagegen zeigt, aufgrund fehlender Erde ein immer noch deutlich unterhalb des Horizonts ausgerichtetes Strahlungsbild, jedoch in diesem Beispiel nur noch mit einem zirka 30%  Anteil von der gesamten Strahlungsleistung.

Ergebnis

In der Simulation A (ohne Radials) wird im Vergleich zur Simulation B (mit Radials) weitaus mehr an HF-Energie unterhalb des Horizonts in den Freiraum abgegeben bzw. empfangen. Aber auch die in vertikaler Richtung abgestrahlte bzw. empfangende HF-Energie ist mit zusätzlich montierten Radials augenscheinlich etwas geringer ausfallend. 

Signal vs. Noise

Nun aber betrachten wir uns die Simulationen unter realen Bedingungen über leitendem Grund (Abb. C, C-1, C-2 und D, D-1, D-2). Erwartungsgemäß sehen hier die Strahlungseigenschaften einer 5/8 Vertikal-Antenne ganz anders aus. 

Die Simulation C - einer 5/8 Antenne ohne Radials und über realer Bodenbeschaffenheit, weist aufgrund der Erdeinflüsse ein nur oberhalb des Horizonts ausgerichtetes Strahlungsbild auf, welches überwiegend eine sehr flache Hauptkeule und zwei leicht nach oben gerichtete Nebenzipfel (Höcker) zeigt.  

Die Simulation D - einer 5/8 Antenne mit Radials und über realer Bodenbeschaffenheit, weist aufgrund zusätzlicher Radials nunmehr eine zusätzliche sowie große Strahlungskeule um die 45 Grad auf. Auch sind die Strahlungseigenschaften in vertikaler Ausrichtung gegenüber der Himmelsstrahlung (Rausch- bzw. Störstrahlung aus dem Nahfeld) deutlich gedämpft. Aber auch die überwiegend vertikal über den Boden eingeschleppte Störstrahlung aus dem Nahfeld wird durch den Einsatz zusätzlicher Radials deutlich gemindert (vgl. Simulation A und B im Freiraum). Dieser positive Effekt zeigt sich auch bei der Simulation D selbst, wo sich die beiden Strahlungskeulen insgesamt vom Boden sichtlich gelöst haben. Im Vergleich dazu bei der Simulation C, wo die Haupstrahlungskeule als Einheit parallel zum Boden verläuft. 

Die Simulationen C-1 und D-1 geben einen noch besseren Aufschluss darüber, welchen Einfluss die Himmels- bzw. Störstrahlung im unmittelbaren Bereich der vertikalen Antenne hat.  Während in der Simulation C-1 (ohne Radials) die Energiedichte (grüner Kreis) in unmittelbarer Nähe zur Antenne horizontal gleichmäßig hoch ausfällt, zeigt die Simulation D-1 (mit Radials) eine horizontal stark abfallende Energiedichte (grüner Kreis) in Richtung Antenne. 

Die Simulationen C-2 und D-2 zeigen den Stromverlauf (Strahler, Radials inkl. Metallmast) und veranschaulichen auch auf diese Weise sehr eindrucksvoll, wie eine 5/8 Vertikal-Antenne ohne und mit Radial-Kit ausgestattet mit dem Nah- und Fernfeld interagiert. Das zusätzliche Radial-Kit entkoppelt quasi den 5/8 Antennenstrahler von den Einflüssen des Metallmastes bzw. denen des Bodens und dämpft die auf diesem Wege eingeschleppte Störstrahlung aus den Nahfeld. Wobei der eigentliche Antennen-Gewinn gleich dem höchsten Antennen-Strom ist, der liegt in der Simulation C-2 (ohne Radials) im Bereich des Mastes. Wogegen der höchste Strom in der Simulation D-2 (mit Radials) im Bereich des Antennen-Strahlers fließt.

Bei einem mit der Erde verbundenen Metallmasten (geerdet), der zudem dicht an einem Wohnebäude steht,  wird eine 5/8 Vertikal-Antenne ohne Radial-Kit zwangsläufig u. a. mit der vom Wohngebäude ausgehenden Störstrahlung belastet. 

Fazit

Gain vs. Signal to Noise Ratio

Den Simulationen über realem Grund @ 0.005 S/m (Abb. C und D) zufolge darf bei der Montage von zusätzlichen Radials augenscheinlich kein zusätzlicher Antennen-Gewinn erwartet werden, so wie es zumindest der Hersteller verspricht. Das Gegenteil scheint sogar der Fall zu sein. Ohne Radials ergibt sich ein Gewinn von 3.37 dBi, während mit Radials nur ein Gewinn von 3.1 dBi erzielt wird. Diese zirka 0.3 dBi sind allerdings nur auf dem Papier als Antennen-Gewinn rechnerisch gegeben, in der Realität wird das keinen wahrnehmbaren Unterschied ausmachen.  

Der eigentliche Gewinn liegt jedoch im Vorhandensein einer zweiten und kräftigen Strahlungskeule bei zirka 45 Grad, die auch mittlere Entfernungen zwischen zirka 500 km bis 2500 km stark begünstigt. Aber vor allem die Dämpfung der vertikal auftretenden Störstrahlung aus dem Nahfeld, die direkt bzw. über den Boden und Masten eingeschleppt auf den 5/8 Strahler trifft, macht den Unterschied aus und entscheidet darüber, ob ein HF-Signal ggf. noch gehört wird oder im Störrauschpegel untergeht. 

Abschließend betrachtet zeigen die Simulationen recht deutlich, dass die zusätzliche Montage eines Radial-Kits nicht den Antennen-Gewinn als solches, aber durchaus die S/N Performance verbessern kann. Auf Basis dieser Simulationen darf davon ausgegangen werden, dass das S/N Ratio (Signal-/Rausch-Verhältnis) sich um zirka 10 dB +/- verbessert. Das entspricht zirka eineinhalb S-Stufen oder anders ausgedrückt, ist dies der Unterschied gleich einem vermeintlichen HF-Signal, welches mit 100 Watt statt mit 10 Watt ausgesendet empfangen wird.

Postskriptum

Dieser mit den Simulationen aufgezeigte positive Effekt, dass sich die S/N Performance mittels eines Radial-Kits verbessern lässt, wird womöglich nur von denjenigem Funkanwender beobachtet werden, der seine Station (Antenne) in einem relativ stark belastetem elektromagnetischen Umfeld (Man-Made-Noise) betreiben muss. Aber auch im umgekehrten Falle darf ein Funkanwender annehmen, dass die ggf. durch seine Sendeanlage im Nahfeld verursachte BCI und TVI Einstrahlung durch den Einsatz eines zusätzlichen Radial-Kits gleichermaßen reduziert wird.

Einspeisehöhe 18m

Hier als Nachtrag ein Simulationsvergleich (Abb. E und F) einer 5/8 Antennen ohne Radial-Kit vs. mit Radial-Kit, jetzt jedoch bei einer Antennen-Aufbauhöhe von 18 m über realem Grund. 

Die Simulation E (ohne Radials) zeigt im Vergleich zur Simulation F (mit Radials) zwar einen um zirka 3.3 dBi höheren Antennen-Gewinn, aber dies nur zu Gunsten der Strahlungskeule @ zirka 70 Grad. Zudem ist die Hauptstrahlungskeule überwiegend vertikal orientiert, die den Empfang der Himmels- bzw. Störstrahlung aus dem Nahfeld stark begünstigt und das S/N Ratio insgesamt verschlechtert. Eine Gegebenheit, die von vielen Funkanwendern auch in der Realität durch einen deutlich hörbaren Störrauschpegel beobachtet wird. 

Performance vs. Aufbauhöhe

Die beiden Simulationen E und F (18m Aufbauhöhe bzw. Einspeisehöhe, ohne und mit Radials) lassen gut erkennen, dass zusätzliche Radials (Abb. F) auch bei einer größeren Aufbauhöhe keinen rechnerischen Antennen-Gewinn bringen.  Der eigentliche Gewinn liegt auch hier wieder in der Strahlungskeule @ zirka 45 Grad, den im Allgemeinen flachem Strahlungsverhalten und dem deutlich geringen Eintrag von Himmels- und Störstrahlung aus dem Nahfeld kommend.

So ist zwar die umliegende Bebauungsdichte- und höhe zweifelsfrei bestimmend für die Aufbauhöhe (Einspeisehöhe) einer Vertikal-Antenne, um eine gute Performance insbesondere im Bereich der Bodenwellenausbreitung zu erzielen, jedoch verschlechtert sich gleichermaßen das S/N Ratio durch die verstärkt einwirkende Himmelsstrahlung und der vertikal wirksamen Störstrahlung aus dem Nahfeld. Zusätzlich montierte Radials können diesen Umstand entgegenwirken und die S/N Ratio Performance auch in diesem Fall signifikant verbessern. Den Simulationen zufolge, ermöglicht erst eine relativ bodennahe Montage (Montagehöhe kleiner 10m) einer 5/8 Vertikal-Antenne (ohne Radials) eine Hauptstrahlungkeule mit einem geringen Erhebungswinkel und sorgt damit für günstige Strahlungseigenschaften bei DX-Verbindungen. 

Eye-Opener  

Eigentlich nichts wirklich Neues, was ich hier über die 5/8 Vertikal-Antenne aufgezeigt habe. Dennoch zeigen gerade solche Simulationen sehr eindrucksvoll, wie eine bestehende bzw. geplante Antennenanlage mit dem Nah- und Fernfeld interagiert. Und so war es dann auch bei mir, als ich nach zirka einem Jahrzehnt bei meiner I-MAX 2000 Antenne ein zusätzliches Radial-Kit montiert habe. Dadurch hat sich mit nahezu 2-Stufen die Signal to Noise Performance sehr deutlich verbessert. Diese um 12 dB bessere Performance ist in jeder Hinsicht ein "Eye-Opener". Ich höre viel mehr DX-Stationen und insbesondere verstehe ich jetzt regionale Stationen im Bereich der Bodenwellen-Ausbreitung viel besser, welche ohne Radials sonst mit relativ starker Störstrahlung aus dem Nahfeld kommend belastet waren. 

S-Meter oben - Störstrahlungsrauschen ohne Radials

S-Meter unten - Störstrahlungsrauschen mit Radials

Postskriptum

Allerdings ist eine I-MAX 2000 Antenne inkl. Radial-Kit und mit einem SWR von zirka 4:1 nicht mehr wirklich für das 15m Band besonders geeignet. Aber auch in diesem Zusammenhang zeigt sich, dass die Antennen-Performance bei Mehrband-Nutzung (großer Bandbreite) i. d. R. schlechter wird.