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                                                                                                                        Wels, am 2012-06-20

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Die Bi-Quad Antenne ist sehr beliebt beim sogenannten 'Wardriving' zum Aufspüren von WLAN-Netzen.
Sie zeichnet sich durch hohen Antennengewinn, einfache Bauweise und einen Fußpunktwiderstand von 60Ohm aus, was perfekt zu einem koaxialen Kabel passt. Aber lässt sich diese Antenne auch sinnvoll für DVB-T benutzen?

Wie man aus der Abbildung sehen kann, besteht sie Antenne aus zwei Leiterschleifen mit jeweils genau lambda Umfang bzw. lambda/4 Kantenlänge.
Die quadratische Form ist hier keine Pflicht, wichtig ist der Umfang von einer Wellenlänge, man kann also ebenso kreisförmige oder elliptische oder brillenförmige Antennen realisieren.



Berechnung
Jede Antenne ist ein Resonator, der strenggenommen für genau eine Frequenz berechnet wird, im Falle von DVB-T wird also auf die Mitte des benötigten Frequenzbereiches optimiert. Zusätzlich wird die verringerte Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle auf dem Kupferleiter mit 97,5% der Freiraumlichtgeschwindigkeit angenommen, was bei der Berechnung von lambda berücksichtigt wird.
Verkürzungsfaktor = 0,975

Lichtgescwindigkeit im Vakuum 299.792.458m/s = 299.792km/s = 3.10^8   ~ 300Mm/s
Frequenz  = Kanalnummer x 8 MHz + 306 MHz 
17-Kanäle im  UHF Band-IV (21-37) Kanalbandbreite +-4 MHz   474MHz .. 602MHz
32-Kanäle im   UHF Band-V (K38..K43..K69)Kanalbandbreite 8 MHz  610MHz .. 858MHz
(fmin 474MHz + fmax 858MHz) / 2 = fmid666 MHz besser jedoch Frequenz des DVB-T-Senders
z.B. ORF-Linz-Kanal 43 horizontal   Freq. = 43 x 8MHz + 306MHz = 650,0 MHz

Lambda = 300Mm/sec / fmid = 300 / 650MHz = 0,4615m

Kantenlänge = Lambda x Verkürzungsfaktor / 4 = 461,5mm x 0,975 / 4 = 112,49mm

Für eine minimale Frequenz von fmin=474 MHz und eine maximale Frequenz von fmax=826 MHz  (fmid=650 MHz) ergeben sich also 11,2cm Kantenlänge.
Zur Anfertigung der Antenne empfiehlt es sich also, in der Mitte beginnend eine Art liegende 8 (oo) zu formen.
Benutzt wird dazu ein Stück massiver Kupferdraht (keine Litze, Stärke etwa 2,5mm² .. 4mm²)
Der Kupferdraht wird, beginnend an einem der beiden Anschlüsse, in lambda/4 Stücken entsprechend der Form gefaltet,
die Drahtenden werden anschließend miteinander sauber verlötet.
Tipp: Ev. Draht 5mm länger abschneiden beide Drahtenden bis zur Hälfte abfeilen und überlappt zusammenlöten.

Antennenbreite = Lambda x 0,35 (ergibt sich aus c^2=a^2+b^2 ODER Wurzel aus 2 = 1,4142
B = 461,5mm x 0,35 = 162mm
Antennen-Höhe = 2 x Breite =  Lambda x 0,70
H = 461,5mm x 0,70 = 323mm

Um Kurzschlüsse an SAT-Receivern (TV-Karten) mit 5V-Antennenspeisung zu verhindern, sollte unbedingt noch ein keramischer 500V Kondensator  zwischen Innenleiter des Koax-Kabels und den Antennenanschluss geschaltet werden, der zweite Antennenanschluss wird dann direkt mit dem Schirm des Kabels verbunden. Der Kondensator sollte die normale Funktion der Antenne nicht behindern,
deswegen sollte die Reaktanz Xc des keramischen Kondensators bei der niedrigsten Frequenz nicht mehr als 1 Ohm betragen:

Xc = 1 Ohm

Cser = 1 / (2 x pi x fmin x Xc) = 1 / ( 2 x 3,14 x 474.000.000Hz x 1Ohm) = 335,769^12  (abrunden auf E12-Wert 330pF/500V)
http://de.wikipedia.org/wiki/E-Reihe

Wenn nur ORF Kanal 43 gesehen wird Cser = 1 / ( 6,28 x 650.000.000Hz) = 244,978^12 (abrunden auf E12-Wert  220pF/500V



Erste Tests

Die Antenne wird aus 1.5mm²  besser 2.5mm²  (Dm 1,8mm) Kupferdraht oder 2mm verkupferten Schweißdraht aufgebaut.
Die Empfangsleistung der Antenne ist bereits ohne Reflektor gut.

Sender Polarisation  horizontal - die Bi-Quad-Antenne steht vertikal (eine stehende  8) (ORF-Linz-Kanal 43 Lichtenbeg  horizontal  daher Bi-Quad stehend)
Polarisation  vertikal - die Bi-Quad-Antenne liegt (eine liegende  Acht   oo)

Bei schwierigen Empfangsverhältnissen  wäre es überlegenswert, jeder Frequenz eine eigene Antenne mit Reflektor zuzuordnen.


Ein Reflektor
Die Empfangsleistung - und gleichzeitig die Richtwirkung - einer Antenne kann durch Direktoren und Reflektoren weiter verbessert werden.
Für den Reflektor bieten sich bei dieser Antenne drei verschiedene Varianten an:

1) Eine durchgehende Metallfläche
2) Eine weitere geschlossene Bi-Quad mit etwa 3% größerem Umfang
3) Drei Reflektorstäbe in lambda/4 Abstand


1) Eine durchgehende Metallfläche
Als Reflektor wird die durchgehende Metallfläche gewählt, da bei dieser Variante die Metallfläche die Antenne selbst stützen kann.
Als Stützpunkte eignen sich ein Anschluss (derjenige der direkt am Schirm des Kabels angeschlossen ist) sowie in der obersten Abbildung die äußersten Eckpunkte der liegenden Acht. Diese Punkte dürfen problemlos geerdet werden bzw. mit dem Reflektor verbunden sein.
Der Reflektor wird etwa eine Achtel-Wellenlänge (Lambda 1/8 diesmal ohne Verkürzungsfaktor 0.975 berechnet !)
vom Bi-Quad entfernt montiert (Mitte zu Mitte).
Ra = Reflektorabstand nicht so genau notendig = 0,2..0,125..0,1 Lambda 1/5..1/8..1/10 

Lambda = 300Mm/sec / fmid = 300 / 650MHz = 0,4615m
Ra = Lambda x 0,125 = 461,5mm x 0,125 = 57,68mm  (58mm)

Größe des Reflektors wenn genügend Platz vorhande > = Lamda  (460x460mm)
Mindestgröße Rechnung:
Reflektorbreite = 0,65 Lambda x 0,65  = 461,5mm  x 0,65 = 300 mm
Länge des Reflektors = Gesamlänge der Doppelquad + 0,1 Lambda überstand auf beiden Seiten,
Gesamtlänge  =  0,2 Lambda (lambda 1/5) + Antennen-Länge = 461,5mm x 0,2 + 323mm = 415mm (natürlich mittig)


2) Eine weitere geschlossene Bi-Quad mit etwa 3% größerem Umfang als Reflektor
Kantenlänge = Lambda x Verkürzungsfaktor / 4 = 461,5mm x 0,975 / 4 = 112,49mm
Reflektor-Kantenlänge = 112,49mm x 1,03 = 115,86mm
RA=58mm (Rechnung siehe oben)


3)  3 Stk. Reflektorstäbe in lambda/4 Abstand
Rl = Reflektorstablänge lamda + 3% = 112,49mm x 1,03 = 115,86mm
Ra = Reflektorabstand 0,2..0,13..0,1 lambda = 461,5mm x 0,125 = 57,68mm  (58mm)
Sa = Stockungsabstand (Höhenabstand des oberen und unteren Reflektor vom mittleren Reflektor aus) entspricht der Kantenlänge
Kantenlänge = Lambda x Verkürzungsfaktor / 4 = 461,5mm x 0,975 / 4 = 112,49mm
Boom  aus Plexiglas 10x 80x450mm mit 3 Reflektor-Bohrungen

Seiten-Abstand lambda/8
                     |
                     |     o
                     |      Höhen-Abstand = lamda/4 x 0,975
                     |     o
                     |       Höhen-Abstand = lamda/4 x 0,975
                     |     o
                     |


Bei Dachantennen währe optimal eine Erweiterung mit einem HF-Verstärker am Fusspunkt der Antenne, sinnvoll erscheinen etwa 20dB Gain.

http://wirbel.htpc-forum.de/electronics/biquad/index2.html
https://de.wikipedia.org/wiki/Quadantenne#Eigenschaften


Links:

http://de.wikipedia.org/wiki/Quadantenne

Englischsprachige Seiten

http://martybugs.net/wireless/biquad/
http://martybugs.net/reviews/biquad.cgi
http://martybugs.net/wireless/conifermods.cgi
http://martybugs.net/wireless/biquad/double.cgi
http://martybugs.net/wireless/antennacomp.cgi

http://www.trevormarshall.com/biquad.htm


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Impressum: Fritz Prenninger, Haidestr. 11A, A-4600 Wels,Ober-Österreich, mailto:[email protected]
ENDE