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WORKSHOP DRAHTANTENNEN
Für Kurzwelle kann man einfache und gut funktionierende
Antennen selbst bauen. Vor allem auf den unteren
Bändern und beim Portabelbetrieb lohnt sich der Kauf von
Kurzwellenantennen in der Regel nicht. Mit Drahtantennen
lassen sich mit sehr geringem finanziellen und materiellen
Aufwand bereits beachtliche Funkerfolge erzielen.
1
Monoband Drahtantennen für Kurzwelle
Bei Monoband Drahtantennen handelt es sich meistens um einen Draht einer bestimmten
Länge, der auf einem bestimmten Frequenzintervall resonant ist, und sich somit als
einfache Antenne für ein bestimmtes Kurzwellenband eignet.
1.1
Halbwellen-Dipol
Die Länge L des Halbwellen-Dipols
beträgt ungefähr eine halbe
Wellenlänge λ. Es gilt:
L (m)=
 (m)
150
=
2
f (MHz)
Die Länge eines Schenkels beträgt
dementsprechend:
L 
=
2 4
Die Impedanz des Halbwellen-Dipols beträgt in diesem Fall in etwa 50 Ω, wodurch er
durch ein Koaxialkabel von 50 Ω gespeist werden kann.
1.1.1 Horizontales Strahlungsdiagramm
Das nebenstehende Diagramm zeigt das
horizontale
Strahlungsdiagramm
eines
waagerechten
Halbwellen-Dipols
im
Freiraum.
Die Hauptstrahlrichtung des HalbwellenDipols ist senkrecht zu sich selbst. Soll der
Halbwellen-Dipol z.B nach Westen und
Osten strahlen, muss er in Nord-SüdRichtung verspannt werden.
Der Halbwellen-Dipol ist daher eine einfache
Richtantenne.
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1.1.2 Vertikales Strahlungsdiagramm
Die folgenden Diagramme zeigen die theoretischen vertikalen Strahlungsdiagramme eines
Halbwellen-Dipols, senkrecht zu seiner Länge, wenn er sich in der Höhe h über elektrisch
gut leitendem Boden befindet.
h=0.10 
h=0.15 
h=0.25 
h=0.50 
h=0.75 
h=1.00 
h=1.25
h=1.50 
h=1.75
h=2,00 
h=2,50 
h=3,00 
Der Halbwellen-Dipol soll sich in der Höhe h befinden, welcher der halben Wellenlänge
entspricht.
h=

2
Der Halbwellen-Dipol strahlt dann „flach“, was optimal für DX ist. Ein tiefer hängender
Halbwellen-Dipol strahlt hauptsächlich in die Höhe. Bei einem höher hängendem
Halbwellen-Dipol fächert sich das Strahlungsdiagramm in mehrere Keulen auf.
In der Praxis weichen die Strahlungsdiagramme teilweise drastisch von den hier gezeigten
ab. Grund sind unterschiedliche Bedingungen und weitere Einflüsse der Umgebung und
des Bodens.
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1.2
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Inverted-Vee Antenne
Die Inverted-Vee Antenne ist ein abgewinkelter
Halbwellen-Dipol, der aussieht wie ein „V“, das auf
dem Kopf steht. Die Antenne wird dann
eingesetzt, wenn man über einen zentralen Mast
und niedriger gelegene Abspannpunkte verfügt.
Der Winkel zwischen den Schenkeln sollte stumpf
sein. Die Impedanz ist in der Regel kleiner als
beim Halbwellen-Dipol.
1.3
Halbwellen Sloper
Beim Halbwellen-Sloper handelt es sich um einen
Halbwellen-Dipol, der schief aufgehängt wird.
Der mit dem Innenleiter verbundene Schenkel soll
sich zur besseren, flachen Abstrahlung, unten
befinden.
1.4
Vertikaler Winkel-Dipol
Beim vertikalen Winkel-Dipol steht der mit dem
Innenleiter verbundene Schenkel vertikal. Er kann
z.B. an einer Angelrute befestigt werden.
Der horizontal abgespannte Schenkel soll sich
mindestens einen Meter über dem Boden
befinden. Man spricht dann von einem
abgestimmten Radial. Je tiefer die Frequenz wird,
desto höher soll sich dieses Radial befinden. Es
können auch mehrere Radiale benutzt werden (oft
4).
1.5 Verkürzungsfaktor
In Leitern ist die Wellenlänge kleiner als im Freiraum. In diesem Fall muss die Wellenlänge
im Freiraum mit dem Verkürzungsfaktor VF des Leiters multipliziert werden, um die reale
Wellenlänge im Leiter zu bestimmen. Für die Länge des Dipols gilt daher in genauerer
Schreibweise:
L (m)=
λ (m)⋅VF 150⋅VF
=
2
f (MHz)
Für den Verkürzungsfaktor VF gilt ungefähr :
VF blanker Draht≈0,96 und
VF isolierter Draht ≈0,92
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1.6 Drahtlängen
Die folgende Tabelle gibt die zu benutzenden Drahtlängen des Halbwellen-Dipols für
unterschiedliche Frequenzbereiche an.
Dipollänge
Schenkellänge
Band
f (Mhz)
λ (m)
Lblank (m)
Lisol. (m)
Lblank /2 (m) Lisol. /2 (m)
160-m
1,85
162
78,0
74,6
39,0
37,3
80-m
3,70
81,0
39,0
37,3
19,5
18,6
40-m
7,10
42,3
20,3
19,4
10,1
9,70
30-m
10,13
29,6
14,2
13,6
7,10
6,80
20-m
14,20
21,1
10,1
9,70
5,05
4,85
17-m
18,15
16,5
7,95
7,60
4,00
3,80
15-m
21,25
14,1
6,80
6,50
3,40
3,25
12-m
24,95
12,0
5,75
5,55
2,90
2,75
10-m
28,50
10,5
5,05
4,85
2,55
2,40
Da Antennen sich in der Praxis durch Einflüsse der Umgebung meistens nicht wie
berechnet verhalten, ist es ratsam, die Drahtlängen etwas größer zu bemessen und die
Antenne durch symmetrisches Kürzen abzustimmen. Antennen in Bodennähe verstimmen
sich zu tieferen Frequenzen und besitzen eine kleinere Impedanz.
1.7 Praktische Tips
Multibandbetrieb mit dem Halbwellen-Dipol: In der Mitte mit 50-Ohm-Koaxialkabel
gespeiste Dipole funktionieren auch auf der 3-fachen, 5-fachen, etc Frequenz. Sie
funktionieren nicht auf der 2-fachen, 4-fachen, etc. Frequenz, weil dann eine große
Fehlanpassung vorliegt.
Isolatoren: End- und Mittenisolatoren gibt es im Antennenfachhandel in verschiedenen
Ausführungen. Sie können bei Bedarf auch selbst hergestellt werden. Dafür eignen sich
z.B. Plexiglas oder PVC-Rohre die für Abwassersysteme oder Elektroinstallation
eingesetzt werden.
NVIS-Dipol (Near Vertical Incidence Skywave): Auf 40 m und 80 m kann es interessant
sein einen Dipol relativ tief aufzuhängen (Richtwert: , 4 m Höhe für 40 m). Dieser strahlt
dann hauptsächlich vertikal und die Wellen werden an der Ionosphäre reflektiert (tagsüber
40 m, nachts 80 m) und können in einer Entfernung von bis zu 500 km um den
Sendestandpunkt empfangen werden. Da ein tief hängender Dipol niederohmig ist, kann
es sein, dass ein Antennenkoppler oder Anpassungsglied zur Anpassung benutzt werden
muss.
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1.8 Symmetrierung und Mantelwellensperre
Wird ein symmetrischer Dipol so wie bei den vorhin gezeigten Beispielen direkt mit
Koaxkabel gespeist, kann es vorkommen, dass die Koaxleitung selbst auch strahlt,
bedingt durch Mantelwellenströme auf dem Aussenleiter des Koaxkabels. Diese werden
verursacht durch die Störung der Symmetrie des Antennensystems. Der Effekt kann sich
durch Empfangsstörungen, „HF im Shack“ (Strahlung im Shack, die Geräte stören kann,
z.B. die Elektronik im benutzten Mikrofon) oder einen „heissen Transceiver“ äussern, an
dem man sich die „Finger durch HF-Strahlung verbrennt“.
Abhilfe kann man mit einer Mantelwellensperre (oder Balun) schaffen. Dabei bieten sich
unterschiedliche Varianten an:
Luftbalun aus einigen Windungen KoaxKabel. Gute Wirkung nur auf den höheren
Bändern.
1:1 Strom-Balun aus zwei bifilar
gewickelten Drähten auf hochpermeablen
Ringkernen
1:1 Ringkern-Balun mit Koax-Kabel nach
W1JR (auf Ferritkern FT140-43).
Kommerzieller Balun der Marke Diamond
(Typ BU-50).
2
2.1
Mehrband-Drahtantennen für Kurzwelle
Gekoppelte Dipole
Mehrere Halbwellendipole können an einem
gemeinsamen Speisepunkt parallel betrieben
werden. Es strahlt nur der jeweils auf der
Betriebsfrequenz resonante Dipol. Die einzelnen
Dipolschenkel sollen so verspannt werden, dass
sie sich nicht in unmittelbarer Nähe befinden.
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Doublet-Antenne
Die Doublet-Antenne ist eine einfache und
interessante Antenne für den Mehrbandbetrieb,
vor allem auf den niederfrequenten Bändern.
Erforderlich ist jedoch ein symmetrischer
Antennkoppler sowie die Speisung über
Paralleldrahtleitung. Die Länge des Dipols ist
beliebig. Die Länge der Paralleldrahtleitung muss
so gewählt werden, dass der Koppler die Antenne
auf den gewünschten Bändern anpassen kann.
Bei der Doublet-Antenne ist das Strahlungsdiagramm komplizierter. Je mehr Anteile an
halben Wellenlängen auf der Drahtlänge untergebracht werden können, desto mehr
Keulen weist das Strahlungsdiagramm auf.
2.3 Antennen mit Traps
Durch die Verwendung von Sperrkreisen (Traps), kann man Antennen herstellen, die auf 2
oder mehreren Bändern resonant sind. Nachteil ist, die größere Schmalbandigkeit, sodass
die Antenne eventuell nicht im ganzen Band resonant ist und das Risiko gegenüber von
Verstimmungen durch Umwelteinflüsse.
Das Schema zeigt einen Zweibanddipol nach W3DZZ.
2.4 RENDIPOLE für 20 m und 40 m
Die folgende Antenne ist ein Monoband-Dipol für 40 m, der in wenigen Minuten in einen
Monoband-Dipol für 20 m verwandelt werden kann.
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Stehwellen
3.1 Grundlagen
Wenn sich die Impedanz eines Mediums verändert, wird ein Teil der elektromagnetischen
Welle zurückreflektiert. Die einlaufende und die reflektierte Welle überlagern sich dann zu
einer stehenden Welle.
Diese Reflexion tritt z.B. am Antenneneingang auf, wenn die Impedanz der Antenne von
der Impedanz des speisenden Kabels (meist 50 Ω) abweicht. Man spricht dann von einer
Fehlanpassung. Einerseits steht die der Antenne zugeführte Leistung dann nur teilweise
zur Verfügung, andererseits kann durch die reflektierte Leistung der Sender Schaden
nehmen. In einer Transmissionsleitung mit vorhandenen Stehwellen entstehen außerdem
zusätzliche Verluste.
3.2 Stehwellenverhältnis, SWR
Das Stehwellenverhältnis auf der Antennenleitung (standing wave ratio, SWR) ist ein
Maß für das Verhältnis an forwärts laufender (FWD) und reflektierter (REF) Leistung. Es
gelten die folgenden Zusammenhänge:
SWR=
1+
U MAX
U MIN
und SWR=
1−
√
√
P REF
P FWD
P REF
P FWD
Unter Umax und Umin versteht man den maximalen und minimalen Wert der messbaren
Signalspannung in der Transmissionsleitung. Diese entsprechen dem maximalen und
minimalen Wert des Signals das durch Überlagerung der hinlaufenden und reflektierten
Welle entsteht.
Wenn die Antennenimpedanz Z vom Wellenwiderstand R0 der Antennenleitung abweicht
gilt für das Stehwellenverhältnis:
SWR =
R0
Z
R0>Z
wenn
und
SWR=
Z
R0
wenn
Z> R0
Zur Veranschaulichung kann auch die folgende Tabelle herangezogen werden:
Stehwellenverhältnis
1,0
1,2
1,3
1,5
2,0
2,5
3,0
5,0
10
Reflektierte Leistung in %
0
1
2
4
11
18
25
44
67
Reflektierte Spannung in %
0
9
13
20
33
43
50
67
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8
SWR und Power-Meter
Mit dem SWR und Powermeter kann sowohl
das
Stehwellenverhältnis
auf
der
Antennenleitung, sowie die vom Sender
abgegebene Leistung (FWD, forward), und
die von der Antenne wegen Fehlanpassung
reflektierte
Leistung
(REF,
reflected)
gemessen
werden.
Damit
die
Kurzwellenstation keinen Schaden nimmt,
soll das Stehwellenverhältnis unter 2 bis 3
liegen.
3.4
Anschluss des SWR-Meters
Direkt
hinter
dem
Transceiver
angeschlossen kann mit dem SWR-Meter
das SWR der Antennenanlage gemessen
werden.
Die Anpassung der Antenne kann nur
dann richtig gemessen werden, wenn das
SWR-Meter sich unmittelbar an der
Antenne befindet.
Dadurch erhält man eine Information über
die Anpassung des Senders an die
Antennenanlage. Ob die vom Sender
abgegebene Leistung auch abgestrahlt
wird oder nicht, kann bei dieser
Konfiguration nicht direkt beurteilt werden.
Durch den SWR-Wert kann man so die
Impedanz der Antenne abschätzen.
Im Teil 4 dieses Dokumentes wird das Thema SWR weiter vertieft.
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3.5 Tuner
Mit einem Tuner (auch Antennenkoppler genannt) kann ein Antennensystem, dessen
Impedanz von der Impedanz des Senders (50 Ω) abweicht, in gewissen Maßen angepasst
werden. Der Sender kann dann durch gute Anpassung seine gesamte Leistung an das
Antennensystem abgeben und nimmt keinen Schaden.
Der Tuner besteht meistens aus einem Anpassnetzwerk aus variablen Kondensatoren
und/oder Spulen in Pi- oder T-Schaltung. Es gibt auch Tuner in L-Schaltung.
Da auf der Antennenleitung jedoch weiterhin Stehwellen vorhanden sind, gibt es
zusätzliche Verluste im System. Es ist darauf zu achten, dass die verwendete
Antennenleitung dämpfungsarm ist.
Sollte eine Drahtantenne über einen
Tuner betrieben werden, so empfiehlt
sich eine symetrische Speisung über
Paralleldrahtleitung
(Doublet-Antenne).
Ein Tuner sollte, soweit möglich, immer
direkt an der Antenne betrieben werden.
Dazu eignen sich automatische Tuner im
Allwettergehäuse besonders gut.
3.6 Praktische Tips
Der Antennen-Tuner ist kein Wundermittel!
Richtig eingesetzt (direkt an der Antenne, oder abgesetzt mit Speisung über
Paralleldrahtleitung), kann der Tuner ein leistungsfähiges Antennensystem ermöglichen.
Falsch eingesetzt (z.B. Betrieb eines 40-m Dipols auf 20-m, anmatchen der 10-m
Groundplane über 30 m Coaxkabel für Betrieb auf 80-m), bringt der Tuner nur Ärger und
Enttäuschung.
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4
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10
Weitere Erkentnisse (jetzt wird es interessant)
4.1 Was ist SWR?
Wenn ein Sender über ein verlustloses Koaxkabel mit 50 Ω Wellenwiderstand an eine
Antenne mit 50 Ω Impedanz angeschlossen wird, wird die gesamte Leistung, die der
Sender an das Kabel übergibt, vom Kabel auch an die Antenne übergeben. Würde man
irgendwo im Transmissionsweg das Signal messen (z.B. die Spannung), so würde man
überall das gleiche Signal messen. Auf der Leitung existiert keine stehende Welle.
Wenn die Impedanz der Antenne von der des Kabels abweicht, als Beispiel soll die
Antennenimpedanz 100 Ω betragen, wird an der Antenne ein Teil des zugeführten Signals
in das Kabel zurückreflektiert. Das SWR beträgt dann 100/50 = 2. In diesem Fall werden
33 % der Signalspannung zurückreflektiert. Die hin- und rücklaufende Signale überlagern
sich, wodurch an gewissen Stellen der Leitung 133 % der ursprünglichen Signalspannung
gemessen werden können und an anderen Stellen nur 67 % der ursprünglichen
Signalspannung messbar sind. Auf der Leitung existiert eine stehende Welle durch
Fehlanpassung.
4.2 Bewirkt SWR, dass weniger Leistung abgestrahlt wird?
Im ersten Fall (SWR = 1) ist es klar dass 100 % der Leistung von der Antenne abgestrahlt
werden können, weil keine Reflexion stattfindet. Im zweiten Fall (SWR = 2) wird jedoch
auch die gesamte Leistung der Antenne zugeführt. Denn die 33 % der Signalspannung,
welche wieder in Richtung Sender wandert, wird dort wieder in Richtung Antenne
reflektiert, wodurch nach mehrerem Hin und Her in der Leitung, diese Leistung auch von
der Antenne abgestrahlt werden kann.
4.3 Ist großes SWR nun schlecht oder doch nicht?
In Realität besitzt jedes Antennenkabel jedoch eine gewisse Dämpfung. Als Beispiel soll
ein Kabel von 3 dB Dämpfung betrachtet werden. Dies bedeutet, dass 50 % der Leistung
im Kabel durch ohmsche und dielektische Verluste verloren geht. Dies ist jedoch nur dann
der Fall, wenn das SWR = 1 ist, und keine stehende Welle auf der Leitung existiert.
Falls Stehwellen auf der Leitung
vorhanden sind besitzt das Kabel
nämlich
eine
zusätzliche
Dämpfung!
Diese
Dämpfung
besitzt
2
Ursachen. Erstens verursachen
die durch das SWR verursachten
größeren Signalspannungen auf
der
Leitung
zusätzliche
dielektrische Verluste. Zweitens
durchläuft das reflektierte Signal
die Leitung teilweise mehrmals,
wodurch die ohmschen Verluste
verstärkt werden. Die zusätzlichen
Verluste sind umso größer, je
größer
die
ursprüngliche
Dämpfung der Leitung ist. Bei
einer dämpfungsarmen Leitung
entstehen durch hohes SWR keine
wesentlichen weiteren Verluste.
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Die Graphik zeigt, dass ein Kabel mit 3 dB Dämpfung bei SWR = 1 eine zusätzliche
Dämpfung von 0,35 dB bei SWR = 2 besitzt. Bei SWR = 3 beträgt die zusätzliche
Dämpfung 0,9 dB. In beiden Fällen machen sich diese zusätzlichen Verluste beim
Sendesignal nicht wirklich bemerkbar.
4.4
Was man noch wissen sollte
Wenn auf einer Leitung eine stehende Welle
vorhanden ist und das SWR am Anfang der
Leitung, direkt am Sender, gemessen wird, ist
das Messergebnis verfälscht und sogar
geschönt.
Das
reale
SWR
wegen
Fehlanpassung an der Antenne ist in diesem
Fall umso größer, je größer die Dämpfung des
verwendeten Kabels ist. Die nebenstehende
Graphik zeigt das SWR an der Antenne in
Abhängigkeit der Kabeldämpfung und des
SWRs am Sender.
Als Beispiel soll OM Shitty-Pitti dienen, der auf
2 Meter seine Antenne über 25 m RG-58 Kabel
speist und am Sender ein SWR von 1,8 misst.
Das Kabel hat im Fall SWR = 1 eine Dämpfung
von 5 dB. Der OM nimmt dies in Kauf und geht
davon aus, dass im Kabel 70 % der Leistung
verloren geht.
Diese Annahme ist jedoch falsch. Durch die
Dämpfung
des
Kabels
herrscht
am
Antenneneingang ein SWR von 15, wenn am
Sender ein SWR von 1,8 gemessen wird! Bei
5dB Kabeldämpfung bedeutet dies zusätzliche
Kabelverluste von 6 dB. Das Kabel besitzt also
insgesamt eine Dämpfung von 11 dB unter den
gegebenen Bedingungen.
Wenn der Sender des OMs 50 Watt Leistung bereitstellt geht durch die Kabeldämpfung 92
% der Sendeleistung verloren. Es werden nur noch 8 % der 50 W von der Antenne
abgestrahlt, was einer Leistung von 4 W entspricht!
Würde man ein Kabel mit sehr hoher Dämpfung verwenden, so würde man am Sender
stets ein SWR von fast 1 messen, egal wie groß die Fehlanpassung an der Antenne ist.
4.5 Warum Paralleldrahtleitung bei hohem SWR nicht zu schlagen ist
Paralleldrahtleitung gibt es seit den Anfängen des Amateurfunks und sie bietet auch noch
heute gewisse Vorteile. Auf Kurzwelle ist dieser Leiter extrem dämpfungsarm, was im Fall
von Fehlanpassung ein großer Vorteil sein kann. 100 Meter 450 Ω Paralleldrahtleitung
besitzen bei 30 MHz eine Dämpfung von 0,5 dB. Im Vergleich dazu besitzen gute
Koaxkabel bei gleicher Länge und Frequenz mehr Dämpfung (RG-213: 3,5 dB; Ecoflex-15:
1,5 dB).
Das folgende Beispiel soll erläutern warum man mit Parelldrahtleitung auf Kurzwelle oft im
Vorteil ist. Beide OMs betreiben eine Antenne mit Fehlanpassung über einen
Antennenkoppler:
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OM
Mr. Right
Shitty-Pitti
Doublet-Antenne für alle Bänder
Halbwellendipol für 20 Meter
Antenne
Zu arbeitende Frequenz
Antennenkoppler
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10 Meter / 28 MHz
Symmetrischer Koppler
08-15 Koppler
Antennenimpedanz
Zufällig 4500 Ω
In diesem Fall 4500 Ω
Verwendetes Kabel
Paralleldrahtleitung
Ecoflex-15
450 Ω
50 Ω
100 m (!)
30 m
Wellenwiderstand des Kabels
Kabellänge
Kabeldämpfung
SWR
0,5 dB
4500 Ω / 450 Ω = 10
4500 Ω / 50 Ω = 90
Zusätzliche Dämpfung durch SWR
0,9 dB
8 dB (!)
Gesamte Kabeldämpfung
1,4 dB
8,5 dB
Zugeführte Leistung
Abgestrahlte Leistung
12
1 000 W
725 W
140 W
Würde OM Shitty-Pitti anstatt Ecoflex-15 lediglich RG-213 benutzen, so würde die
Gesamtdämpfung 11,2 dB betragen und er würde 75 Watt abstrahle. Bei RG-58 wären es
immerhin noch 30 Watt. Aber Hauptsache OM Shitty-Pitti kann im Contest in der Kategorie
High teilnehmen.
Dies soll nicht heißen, dass Koaxkabel schlecht ist. Man sollte es lediglich bei
angepassten Antennensystemen einsetzen. Für Tuner-Betrieb mit MultibandDrahtantennen ist Coax-Kabel ungeeignet.
5
Bezugsquellen
Die folgenden Bezugsquellen können dem Anfänger das Leben erleichtern. Alternative
Quellen sind möglich.
6
•
Antennenlitze, Isolatoren, Zubehör für Paralleldrahtleitung, GFK-Masten für
Portabelbetrieb: http://www.dx-wire.de/
•
Steckmasten aus GFK und Abspannzubehör: http://www.tecadi.de/
•
Ringkerne aus Ferrit: http://ww.reichelt.de/ (FT 140-43, FT-240-43)
Quellen
•
Strahlungsdiagramme erstellt in Mathematica auf Raspberry Pi
•
Graphiken SWR von Darrin Walraven, K5DVW aus ARRL QST 2006