Interferometerpeilen
Hier geht es darum, extrem schwache bzw. weit entfernte Signale möglichst genau zu peilen, um dann mittels Kreuzpeilung das Zielgebiet einzugrenzen.
Um die Reichweite von Amateurfunk-Relais zu erhöhen, stehen diese oft erhöht auf Bergen oder Hochhäusern. Durch die „bessere Sicht“ kann man so die standortbedingte Streckendämpfung („Funkschatten“, z. B. durch Bäume, Häuser oder die Erdkrümmung) minimieren.
Nehmen wir mal an, der gesuchte Sender (z. B. ein defekter Antennenverstärker) hat eine Sendeleistung von ca. 25 mW. Die „Bodenreichweite“ im VHF-Bereich beträgt ca. 300 m bis 3.000 m. So ein leistungsschwacher Sender stört eigentlich niemanden, aber ein Relais in 47 km Entfernung konnte damals das Signal problemlos empfangen und „weiterverteilen“, siehe Karte:
Kartenvorlage: © GraphHopper.com
Um so einen Sender zu finden, muß man entweder dicht am Zielgebiet sein, oder vom Berg aus peilen (siehe Peiler 1 bis 3 in der Grafik oben). Die Krux dabei ist, wenn man nach erfolgreicher Peilung zurück in die Ebene fährt, „verschwindet“ das Signal im Rauschen (siehe Peiler 4).
Ohne Signal keine Peilung!
Einfach die (unter Umständen sehr ungenaue) Peillinie abzufahren, bringt bei großen Strecken mit hügeligem Gelände eher Frust als Erfolg!
Zwei Hochpräzisions-Peillinien zwecks Kreuzpeilung müssen her!
Interferometerpeilen mit zwei Yagi-Antennen
Für die Peilung von sehr schwachen Signalen braucht man eine Antenne mit hohem Gewinn!
Eine vertikal polarisierte 10-Element-Yagi-Antenne (siehe Bild) hat einen seitlichen Öffnungswinkel von ca. 40° (±20°). Eine horizontal polarisierte 10-Element-Yagi-Antenne hat einen seitlichen Öffnungswinkel von ca. 45°. Der Antennengewinn liegt bei etwa 10 bis 12 dBd.
Fazit:
Mit nur einer (Lang-)Yagi-Antenne kann man keine genaue Peilung machen, aber es gibt einen Trick:
Man kann zwei räumlich getrennte Antennen zu einer „kombinierten Antenne“ zusammenschalten.
Durch die Überlagerung von Wellen kann man die unsichtbaren Isophasen (Wellenfronten mit gleicher Phasenlage) „finden“.
Die räumliche Trennung beider Antennen (mit einem Abstand von mehreren Wellenlängen) vergrößert die Apertur der „Gesamt-Antenne“ erheblich! Das heißt: Der Öffnungswinkel verkleinert sich und man kann somit deutlich genauer peilen!
Dazu schaltet man z. B. zwei Yagi-Antennen über einen „Power Combiner“ zusammen. Den Ausgang schließt man dann an den Empfänger an. Somit überlagern sich die HF-Spannungen beider Dipole, die auf der gleichen Isophase empfangen, aber gegenphasig zueinander verdrahtet sind (siehe gelbe Markierung in der Skizze).
Durch die Zusammenschaltung von zwei identischen Antennen (mit gleichen Kabellängen) ergibt sich so ein kombiniertes Richtdiagramm mit einer ausgeprägten „Spalte“ in der Hauptrichtungsseite! Diese Kombination ist bestens für eine Minimumpeilung geeignet. Im Idealfall löschen sich die überlagerten Spannungen komplett aus!
Zur Information:
• In der Skizze sind zur Symmetrierung zwei λ/2-Umwegleitungen als Balun an den Dipolen der zwei Yagi-Antennen angeschlossen.
• Alternativ zur „invertierten“ Verdrahtung kann man die Antennen auch um 180° gegeneinander „gespiegelt“ (eine Antenne „auf dem Kopf“) installieren.
• Übrigens, die Antennen kann man für vertikal oder horizontal polarisierte Wellen aufbauen.
Richtdiagramm zweier zusammengeschalteter Yagi-Antennen
Ist das zu peilende Signal so schwach, daß es im Überlagerungsfall komplett ausgelöscht wird, dann kann man bei einer der beiden Antennen ein paar Direktoren abmontieren oder einen 3-dB-Abschwächer in die Koax-Leitung einfügen.
Diese Art der Peilung funktioniert auch mit zwei HB9CV-Antennen, dann allerdings mit deutlich reduziertem Antennengewinn. Man muß allerdings erst die Hauptrichtung finden, was in einem Gebiet mit Reflexionen schwer sein kann.
Wie auch immer, stehen keine identischen Antennen zur Verfügung (oder sind die Kabellängen und somit die Dämpfungen deutlich unterschiedlich), dann fällt das Minimum weniger ausgeprägt aus.
Die (Minimum-)Peilung
Ziel ist es, daß beide Yagi-Antennen in größerem Abstand auf der gleichen Isophase „einrasten“.
Aber, wie schafft man das, wo die Isophasen doch unsichtbar sind?
Zunächst legt man die Meß-Antenne (Yagi 1) auf den Boden. Sie trägt so nicht zur Peilung bei, ist also „inaktiv“.
Dann richtet man die Referenz-Antenne (Yagi 2) grob auf den Sender aus.
Wenn man jetzt die Meß-Antenne im Abstand von ca. einem Meter neben die Referenz-Antenne hält (siehe gelber Kreis), sollte das S-Meter spürbar abfallen:
Beide Antennen befinden sich auf der gleichen Isophase und die phasenvertauschten Spannungen beider Antennen „addieren“ sich (im Idealfall zu Null).
Anschließend bewegt man sich langsam mit der Meß-Antenne entlang der Isophase von der Referenz-Antenne weg (grüner Pfeil), immer mit Blick aufs S-Meter. Wenn das S-Meter stark ansteigt, dann ist das ein Indikator dafür, daß man die aktuelle Isophase verläßt! Man muß also aufpassen, daß man nicht um eine ganze Wellenlänge (bei f = 145 MHz ist λ = 2 m) „verrutscht“, also bei einem zu großen „Antennenversatz“ auf der falschen Isophase einrastet (siehe die orangene Antenne in der Grafik).
Zur Information:
Bei einer Wellenlänge von 2 m liegen die Isophasen 2 m weit auseinander.
Man muß sich also schon sehr weit von der Ideallinie entfernen, um auf der falschen Isophase zu landen, siehe auch hier. Sinnvollerweise bewegt man sich (anfangs) nur, wenn der Sender auch sendet und man das S-Meter fest im Blick hat! Um die aktuelle Isophase „sichtbar“ zu machen, kann man zwischen den zwei Antennenpositionen eine Schnur auf dem Erdboden auslegen und diese mit jeder weiteren Messung linear verlängern.
Man entfernt sich mit der Meß-Antenne so lange von der feststehenden Referenz-Antenne, bis das Koax-Kabel „zu Ende“ ist, oder man den Abstand für einen vorher gewählten, max. Peilfehler erreicht hat (siehe Tabelle 1).
Achtung:
Beim Konfigurieren der Koax-Kabel sollte man sich überlegen, wo sich später der Empfänger befindet und eine ausreichende Länge einplanen. Ich habe die Koax-Kabellängen (von den Antennen zum Combiner) auf je 10 m festgelegt.
Bei einem Antennenabstand von 10 bis 15 m muß man sich überlegen, wie man es schafft, die ganze Zeit das S-Meter fest im Blick zu halten:
Ein zweiter Mann (nur fürs S-Meter) wäre eine Lösung, oder man führt den Empfänger (Handfunke) am Gürtel mit sich. Ich habe mir für meinen ICOM R7000 ein „tönendes S-Meter“ gebaut und den Ton mittels Druckkammer-Lautsprecher über den Acker geschickt 😁, siehe ganz unten.
Nach der finalen Fein-Minimum-Peilung legt man die Meß-Antenne ab und markiert den Punkt am Erdboden (Schwerpunkt der Meß-Antenne, analog zum Mast bei der Referenz-Antenne) mit einer senkrechten Stange (oder stellt sich mit dem Kompass genau auf diesen Punkt). Dann peilt man mit dem Kompass über die zwei Stangen und addiert/subtrahiert zum Ergebnis (einen rechten Winkel von) 90°.
Voilà, da ist sie, die sehr genaue Peilung!
Gleiches wiederholt man an einem anderen Standort; fertig ist die hochpräzise Kreuzpeilung!
Info bei vertikaler Montage:
Für die Referenz-Antenne einen Holzmast oder ein Kunststoffrohr verwenden und das Koax-Kabel nach hinten, über den Reflektor ableiten.
Der Antennenversatz
Grundlage für die Berechnung des max. Peilfehlers ist der Tangens im rechtwinkligen Dreieck:
Mit einem gegebenen Versatz der Antenne von der Ideallinie (der Isophase) und dem aktuellen Antennenabstand kann man so den max. Peilwinkelfehler berechnen, siehe Grafik.
Die folgende Tabelle zeigt exemplarisch einige Ergebnisse.
Tabelle 1
Einfluß des Antennenabstandes auf den Peilfehler:
Bei zwei gekoppelten 10-Element-Yagis ist das Minimum im Antennendiagramm sehr schmal, d. h. ein Antennenversatz von ±10 cm ist absolut realistisch.
Bei den drei Kurven im Diagramm (& der Tabelle) kann man sehen, wie sich z. B. ein doppelter Antennenversatz auswirkt: Für gleiche Peilwinkel muß der Antennenabstand verdoppelt werden! Man kann ebenso sehen, daß sich ab einem Antennenabstand von 12 m beim Peilfehler relativ wenig ändert.
Ergo, ein Antennenabstand von 12 m ist meines Erachtens völlig ausreichend.
Beispiel Östringen
Hier die Karte mit zwei von insgesamt fünf Präzisionspeilungen, die ich damals entlang der Haardt (von Landau bis Grünstadt) gemacht habe:
Kartenvorlage: © GraphHopper.com
Bei einem Antennenabstand von 12 m konnte ich eine Peilgenauigkeit von ±1° erzielen (Antennenversatz: ±10 cm, siehe Tabelle 1). Das ist besser, als man es bei einem Handkompass ablesen kann!
Kartenvorlage: © GraphHopper.com
Nur mal grob fürs Gefühl, was ein kleiner Öffnungswinkel von ±1° bzw. ±2° bedeutet:
Östringen hat einen „Längsdurchmesser“ von 3,6 km, siehe grüner Kreis. Der Öffnungswinkel zwischen den zwei roten und blauen Peillinien beträgt in diesem Beispiel jeweils ca. ±2°! Man kann annähernd erahnen, wie die Linien bei 40° Öffnungswinkel aussehen würden; für eine Ortsbestimmung über eine größere Entfernung völlig inakzeptabel!
Skizze:
Mit dem Tangens im rechtwinkligen Dreieck gilt in diesem Beispiel:
Aufgelöst nach R1 und R2 gilt:
Winkel: ±1°
R1 = tan α1 * L1 = tan 1° * 47 km = 820 m („untere Hälfte“)
R2 = tan α2 * L2 = tan 1° * 56 km = 977 m („obere Hälfte“)
Summe von R1 + R2 ≈ Durchmesser = 1,8 km
Winkel: ±2°
R1 = tan α1 * L1 = tan 2° * 47 km = 1,64 km („untere Hälfte“)
R2 = tan α2 * L2 = tan 2° * 56 km = 1,96 km („obere Hälfte“)
Summe von R1 + R2 ≈ Durchmesser = 3,6 km
Tabelle 2
Die Größe des Zielkreises wächst linear mit der Entfernung. Je weiter das mögliche Ziel, desto größer das Suchgebiet. Wie man deutlich erkennen kann, ein Öffnungswinkel von ±20° ist völlig inakzeptabel! Wird das vermutete Zielgebiet mit der Entfernung zu groß, muß man den potentiellen Peilfehler (z. B. durch Vergrößern des Antennenabstandes und/oder Verringern des max. Antennenversatzes) minimieren.
„Tönendes S-Meter“
Wenn man alleine unterwegs ist, dann ist ein „tönendes S-Meter“ ein sehr nützliches Zubehör:
Ich habe den 4046-PLL-Chip so in meinen R7000 integriert, daß bei hohem S-Meter-Ausschlag über den Lautsprecher (zusätzlich zur normalen Modulation) ein hoher Dauerton hörbar wird und bei geringeren Feldstärken die Frequenz des Tons linear nach unten absinkt, bis bei S0 gar kein Ton mehr hörbar ist.
Hier der Schaltplan:
Wie man sieht, viel Elektronik braucht man also dazu nicht, wenn man zudem den NF-Zweig vom R7000 nutzt. Man beachte die sehr hochohmige Ankopplung an die S-Meter-Elektronik, die speziell an den R7000 angepaßt ist.
Für andere Empfänger gilt:
Wenn keine S-Meter-Buchse vorhanden ist, dann ist ein Eingriff in den Empfänger nötig. Eventuell muß noch eine Anpassung (z. B. Verstärker) für die S-Meterspannung vorgenommen werden. Wenn man die NF-Stufe des Empfängers nicht nutzen will/kann, dann benötigt man noch einen NF-Verstärker (z. B. LM386).Hier noch ein Beispiel für einen S-Meter-Verstärker:
