Der Magnetic-Balun; Tatsächlich ein Wunderding? 1
Beschreibungen des Magnetic-Baluns in Amateurfunkzeitschriften oder im Internet erweckten die Neugier des Autors. Ebenso fragte er sich: Wie funktionieren die gegengewichtslosen Verticals aus dem CB-Bereich? Steckte da vielleicht etwas Ahnliches dahinter? Somit also entstanden mehr Fragen, als Antworten vorhanden waren.
Wie es der Zufall wollte, bot Freund und Nachbar Wilfried, DL8MX, solch ein ominoses "Wunderding" überraschenderweise zum Testen an. Mister X, wie er allgemein genannt wird, erteilte sogar die Erlaubnis, das Teil zu offnen, wenn dies zerstorungsfrei zu schaffen ware.
Bild 1. Die interne Schaltung des Magnetic-Baluns.
Das "Innenleben" des MTFT
Dieser recht handliche und kleine MTFT (Magnettransformator?) befand sich in einem Stuck Alu-Rohr mit ca. 40 mm Durchmesser und 60 mm Lange. Bodenteil und Deckel bestehen aus Kunststoffkappen, die passgenau auf dem Rohrkörper steckten. Das Bodenteil war mit einer PL-Buchse versehen, aus dem Oberteil schaute eine 4-mm-Schraube heraus. Somit sind also Koaxkabel und Langdrahtantenne anschließbar. Mit etwas Mühe und verschiedenen Schraubenziehergroßen ging ohne Beschadigung der Deckel ab. Zum Vorschein kam ein für 100 W erstaunlich kleiner Ringkern. Dieser besitzt eine trifilare Wicklung mit verschiedenfarbigen Drähten. Nach Abloten des Drahtes am Antennenanschluss wurde das Bodenteil mit der PL-Buchse abgezogen, um diesen Ringkem näher ansehen zu konnen. Auf dem Kern befinden sich acht Windungen von drei parallelen Drahten. Durch die farbliche Unterscheidung war erkennbar, dass die Wicklungen in Reihe geschaltet waren. Die erste Wicklung geht mit dem Anfang an die Masse der PL-Buchse, das Ende davon an den Mittelstift. Von diesem Mittelstift geht der Anfang der zweiten Windung weg. Das Ende der zweiten Wicklung ist mit dem Anfang der dritten Wicklung ver1ötet, und deren Ende bildet den Langdraht-Antennenanschluss. Diese Beschaltung bildet somit keinen herkömmlichen Balun, sondem mehr einen Widerstandstransformator mit einem Transformationsverhältnis von 1:10. Nun war die Funktion erklärbar, da endgespeiste Antennen immer hochohmig sind. Somit müsste also eine Transformation von 50 auf 500 Ohm stattfmden. Soweit die Theorie.
Erste praktische Versuche
Im Beilageblatt zu diesem MTFT wird eine Mindestlänge der Drahtantenne von 6 m empfohlen, ein Erdanschluss wäre vorteilhaft. Dieser könne am PL-Stecker zum MTFT über eine Klemme oder zumindest am TRX erfolgen. 1st dies nicht machbar, müsste eine Mantelwellensperre unmittelbar am MTFT eingefügt werden. Notfalls genüge es auch, einen Drahtschenkel als Gegengewicht oder such Radials zu verwenden. Soweit zu den Aufbauempfehlungen, an denen nichts auszusetzen ist.
Die auf dem Beilageblatt geschilderten Eigenschaften, wie z. B. "Das SWR auf dieser Leitung wird in der Regel unter 3:1 liegen, die Verluste durch stehende Wellen sind dann nur gering", ließen den Autor dieses Teil schon etwas skeptischer betrachten. Noch mehr Zweifel an den beschriebenen Merkmalen des MTFT kamen auf, als eM französischer OM zitiert wurde, der angeblich mit dem MTFT und einer 20 m langen Windom-Nachbildung (1/3 zu 2/3) auf alien Amateurbandern ein SWR von besser als 1,5 erreicht hatte und somit keinerlei Tuner benotigte.
Unter Berücksichtigung der o. g. Empfehlungen wurde eine Drahtantenne aufgebaut. Vom Dachfenster des Shacks im ersten Stock des Hauses wurde ein 15,5 m langer Kupferlackdraht mit 0,8 mm2 Querschnitt zu einer 9 m hohen Angelrute gezogen. Unmittelbar am Fenster wurde der Magnetic-Balun angeschlossen, und fiber 1 m RG58U ging es auf einen Koaxumschalter (zwei Antennen auf einen TRX). Am anderen Schalteranschluss war ein 40/80-m-Dipol angeschlossen. Zum TRX führte ein ebenfalls 1 m langes Stuck RG58U. Am zweiten Antenneneingang des TS-570 war der geerdete Beam (FB33) angeschlossen. Eine zusätzliche Erdleitung lag am Gehause des TRX. Die Vorbedingungen schienen somit alle erfüllt.
Beginnend bei 80 m konnte bis 30 m kein brauchbares SWR festgestellt werden. Entweder lag es bei 6 (Minimum), oder der sonst recht gutmütige Tuner des TS-570 konnte keine Anpassung herstellen. Auf 20 und 17 m gab es mit einem SWR von 1,6 hingegen keine Anpassprobleme. Zwischen 15 und 10 m bestanden wiederum schlechte oder keine Anpassmoglichkeiten.
Nun wollte ich es genau wissen. Kurzerhand wurden alle Erdverbindungen vom TRX getrennt, der Koaxschalter wurde entfemt und vom MTFT eine direkte Koaxleitung ohne Mantelwellensperre zum TS-570 gelegt. Das gleiche Spiel von Neuem, beginnend wieder auf 80 m. Der Tuner passte nun auf 80 m mit einem SWR von 3 an. Auf 20 und 15 m stellte sich ein SWR von 1,3 bzw. 2,5 ein. Die anderen Bander waren wieder nicht oder nur sehr schlecht (min. 6) anpassbar. Gegengewicht ja oder nein - das spielt also eine ganz wesentliche Rolle bei der Anpassung einer derartigen Antennenkonfiguration. Es ist zwar mit einer handbedienten Loder Pi-Matchbox auch ein SWR von 6 und mehr anpassbar, dies scheint aber kaum sinnvoll.
Bild 2. Balkendiagramm zu SWR-Verhaltnissen an einer 15,5-m-Langdrahtantenne mit MTFTs in verschiedenen Ausführungen, mit und ohne Gegengewicht.
Der zweite Versuch
Eine Vertikalantenne mit 7,5 m Draht in einer Angelrute wurde im Garten ca. 1 m über Grund aufgebaut und an den MTFT angeschlossen. Als TRX diente wiederum der TS-570 mit eingebauter Matchbox. Die Zuleitung vom TRX zur Antenne bestand aus 12 m RG58U. Laut Bedienungsanleitung garantiert Kenwood ein Anmatchen mit dem eingebauten Tuner bis zu einem SWR von 3. Mit einem undefinierten Gegengewicht (nur ein Draht) von 6,5 m Länge, lose am Boden ausgelegt, wurde nun das SWR von 80 bis 10 m überschlägig ermittelt. Überraschenderweise passte der TS-570 bis auf 80 m (SWR ca. 11) alle Bander mit dieser Antennenkonstruktion problemlos an. Das schlechteste SWR von 3,2 stellte sich auf 10 MHz ein. Das beste SWR war 1,5 auf 7,05 MHz.
Spezialfall 80 m
Da der Mensch, besonders der Funkamateur, nie zufrieden ist, wurde versucht, auch den 80-m-Bereich mit dem Magnetic-Balun und dieser 7,5-m-Antenne in den Griff zu bekommen. Es wurde eine Rollspule zwischen MTFT und Antennenfußpunkt geschalten und nach einigen Versuchen auch eine Induktivität gefunden, bei der das SWR auf 80 m nahezu 1 war. Die Indulctivität betrug 10 µH. Ohne die Rollspule nachzudrehen, war nun mit der Matchbox des TS-570 auch Betrieb über den gesamten 80-m-Bereich gut moglich.
Eine 10-µH-Spule mit 1,5 mm2 isoliertem Installationsdraht wurde nun kurzerhand auf ein 40-mm-Abwasserrohr gewickelt. Dazu sind 20 Windungen dicht an dicht notwendig. Nimmt man das manuelle Einfügen dieser Spule für den reinen 80-m-Betrieb in Kauf, ist dies doch eine hervorragende Losung für den Portabelbetrieb oder einen antennengeschadigten OM, zumal es nicht unbedingt eine Angelnite als Antennentrager sein muss.
Das war nun ein absolut positives Ergebnis, das so nicht erwartet wurde. Ist dieser MTFT also doch ein "Wunderding"?
Mobilbetrieb?
Weitere umfangreiche Versuche bezüglich einer Strahlerverkürzung verliefen positiv. Dabei gilt es natürlich immer zu bedenken, dass die Relation von Strahlungs- zu Verlustwiderstand und somit der Wirkungsgrad nur mit Endkapazitat zu vergroßern ist.
Von einer vorhandenen KW-Mobilantenne aus soliden Militarbestanden waren verschiedenlange Strahlersegmente vorhanden. Diese werden am Flohmarkt als aneinanderschraubbare 1-m- und 50-cm-Stücke angeboten. Dazu natürlich noch ein solider Keramikfuß. Die in der Mobilhalterung enthaltene Anpassschaltung wurde abgeklemmt und vom Magnetic-Balun eine 30 cm lange Drahtverbindung zum Antennenfuß hergestellt. Nach verschiedenen SWR-Messungen mit unterschiedlichen Strahlerlangen stellte sich heraus, dass eine Länge von 3,5 m geeignet ist, auf 20 bis 10 m zu arbeiten. Ohne jegliche Verlängerungsspulen und auch noch ohne Gegengewicht passte der Tuner des TS-570 diese Frequenzen problemlos an. Übrigens: Der FT-857 mit der Matchbox FC-30 dagegen weigerte sich strikt, eine Antenne mit einem SWR von schlechter als 3 anzupassen. Das beste SWR mit 1,6 fand sich auf 14,3 MHz, das schlechteste SWR war auf 28,5 MHz mit 3,3. Die dazwischenliegenden Bander lieferten SWRs bei 1,8, 2,5 und 3.
Eine kleine Verlangerungsspule von 2,5 µH im Fußpunkt optimierte das SWR bei 20 und 17 m auf 1,2. Die Spule wurde mit 7 Windungen aus isoliertem 1,5-mm2-Installationsdraht auf 40-mm-Abwasserrohr gewickelt.
Ob nun mit oder ohne Verlangerungsspule, das sind Feinheiten, die letztendlich jeder OM für sich selbst entscheiden muss. Bei einem SWR von 3,3 nimmt man jedenfalls einen Leistungsrückgang um ca. 30 % in Kauf. Durch den geringeren Wirkungsgrad einer verkürzten Antenne sind die Verluste noch deutlich großer.
Geht's noch kleiner und besser?
Animiert durch die Erfolgserlebnisse mit 7,5 m und 3,5 m Strahlerlänge in der Kombination mit dem Magnetic-Balun wurde getestet, ob eine weitere Verkleinerung des Strahlers machbar sei. Wenn moglich, sollte diese Antenne darn sogar ohne Matchbox zu betreiben sein? Die Überlegungen waren nun: Wenn man auf 40 m mit einem Strahler von 7,5 m ein SWR von nahezu 1 erhalt, und das ohne jeden weiteren Anpassaufwand, also nur mit dem Magnetic-Balun allein, muss sich dieser verkürzend auf den Strahler auswirken. Für 7,05 MHz betragt die mechanische Viertelwellenlange 10,63 m. 7,5 m sind ca. 70 % davon. Schlussfolgerung: Dieser Verlängerungsfaktor müsste doch auch auf andere Frequenzen übertragbar sein. Für die hoheren Frequenzen (10-28 MHz) wurden nun zuerst die Viertelwellen-Solllängen errechnet, davon anschließend die verkürzten 70-%-Längen. Von 10 MHz (30 m) ausgehend und pro Band aufsteigend ergab dies Langen von 5,25, 3,69, 2,91, 2,46, 2,1 und 1,8 m. Mit diesen Längen zu den entsprechenden Bändern wurde nun versucht, nur mit dem Magnetic-Balun das SWR auf 1 zu bringen. Dies wurde aber in keinem Fall erreicht. Auch geringfügige Langenveranderungen des Strahlers führten nicht zum gewünschten Erfolg. Es wurde zwar Anpassung mit dem Tuner des TS-570 erreicht, aber im Minimum nur bei einem SWR von 2. Die Frage war nun: Wie und mit welchem Aufwand wären die Verhaltnisse zu verbessern?
Ein "alter Hut" ist bekannterweise, dass man Strahler mit Induktivitäten elektrisch verlangern kann. Es wurde zuerst ein 18-MHz-Strahler von rund 3 m Länge erstellt und mit einer 4-µH-Rollspule beschaltet. Bei Spulenstellung in Mitte und 10 W auf 18,13 MHz erfolgte eine problemlose Anpassung über den Tuner des TS-570. Das SWR betrug 2,2. Durch vorsichtige Veranderung der Rollspule fand sich eine Stellung, bei der ein SWR von 1,2 als Optimum erreicht wurde. Dies gelang ohne jedes Gegengewicht. Die Indulctivitat betrug 3,1µH ein relativ kleiner Wert. Der Reihe each wurden auf diese Art und Weise alle Bänder von 30 bis 10 m untersucht und die verschiedenen möglichen Längen mit den zugehörigen Induktivitäten ermittelt. Dabei stellte sich überraschenderweise heraus, dass auf 20 m bei 3 m Strahlerlänge und 5,4 µH das SWR über das gesamte Band nicht über 1,3 stieg.
Ein ähnlich gutes breitbandiges Verhalten zeigte sich such bei den anderen Bändern ab 17 m aufwarts. Ganz bewusst wurden bei diesen Versuchen keine Längen über 3 m gewahlt, da die STVZO maximal 4 m über der Straße zulasst. Für 40 und 80 m erfolgten keine weiteren Untersuchungen wegen des geringen Wirkungsgrads und der hohen erforderlichen Induktivitäten. Das 30-m-Band dürfte kaum in Frage kommen, da dort nur CW zulassig ist. Wie die Tabelle zeigt, haben wires auf 20 m bei einer Strahlerlange von 2,5 m mit dem groBten L von 6,9 µH zu tun. Diese Induktivität lasst sich mit ca. 16 Windungen aus installationsdraht auf 40-mm-Abwasserrohr realisieren. Übrigens wurde mit dieser 20-m-Variante am 7.9.2003 (Asien-Contest) vom Garten aus in ca. 1 m Hohe aufgebaut, gegen 18.00 MESZ dreimal Japan gearbeitet (JE3WVA/P3, JA6GCE und JA7NVF).
| Verlän:erungs-Induktivitäten | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Strahlerlange | 80 m | 40 m | 30 m | 20 m | 17 m | 15 m | 12 m | 10 m |
| 7,5m | 10 µH | ohne | - | - | - | - | - | - |
| 3 m | 31 µH | 0,15 µH | 8,5 µH | 2,5 µH | 1,8 µH | 0,6 µH | - | - |
| 2,5 m | - | - | 9 µH | 6,9 µH | 2,7 µH | 2,2 µH | - | - |
| 2 m | - | - | - | - | 3,9 µH | 2,3 µH | 1,6 µH | - |
| 1,5 m | - | - | - | - | - | 3 µH | 1,9 µH | 1,2 µH |
Bild 3. Verhalten von Ferrit- (ohne Gegengewicht) und Zeilentrafokern mit und ohne Gegengewicht an einer 3 m langen Vertical, 1 m über Grund aufgebaut.
Bild 4. MTFT auf Zeilentrafokern mit Mantelwellendrossl auf Ferritstabkern.
Bild 5. SWR mit Ferrit-MTFT an einer 4,5-m-Vertical mit und ohne Gegengewicht.
Bild 6. SWR mit Pulvereisen-MTFT an einem 7,5-m-Vertikalstrahler mit Gegengewicht.
Bild 7. Selbstgebaute Verkingerungsspulen 2,4 und 10 µH auf 40-mm-Abwasserrohr.
Bild 8. Eigenbau-MTFT in einer Feuchtraumdose an einem Glasfasermast mit Vertikalantenne und 10-µH-Verlängerungs-spule.
Bild 9. Ein Zeilentrafo-Kern als MTFT auf 80 m mit 7,5-m-Vertical, die mit einer 10-µH-Spule angepasst wurde.
Gunther Grünbeck, DH1NAW.
Teil 1 - Teil 2.