Rob's web

Wahrheiten und Irrtümer: Energieübertragung vom Sender zur Antenne 2

Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - CQ-DL - Wahrheiten und Irrtümer: Energieübertragung vom Sender zur Antenne 2

Bis jetzt haben wir die Ausdrücke Vorwärtsleistung und Rückwärtsleistung bewußt vermieden, obwohl die Skalen von vielen SWR-Metern neben dem SWR auch diese Leistungen anzeigen. Es ist tatsächlich so, daß die vom Sender gelieferte Wirkleistung der abgelesenen Vorwärtsleistung minus der reflektierten Leistung entspricht. Voraussetzung ist, daß das Instrument eine vernünftige Qualität hat und keine Mantelwellen auf dem Kabel vorhanden sind. Mantelwellen wurden bereits erwähnt und erklärt. Sie entstehen, wenn das Speisekabel in das strahlende Antennensystem einbezogen wird.

4. Leistungsanpassung bei Transistorund Röhrensendern

Nicht nur die Optimierung, sondern auch die Folgen bei falscher Anpassung, also bei Stehwellen, soll besprochen werden. Dabei gehen wir zunächst von Transistorsendern aus, die auf eine Last von 50 Ohm reell ihre volle Leistung liefern. Röhrensender haben immer variable π-Filter zwischen der Senderöhre und der Ausgangsbuchse und sind deshalb bedeutend flexibler in bezug auf Stehwellen. Röhrensender werden deshalb am Schluß dieses Teiles 4 nur kurz erwähnt.

Die allgemeine Elektrotechnik lehrt für den einfachsten Fall einer Leistungsquelle, daß deren Ersatzschaltbild eine feste Spannungsquelle mit einem festen Innenwiderstand in Serie dazu sei. Maximale Leistungsabgabe dieser Schaltung findet statt, wenn der Lastwiderstand gleich dem Innenwiderstand ist. Bei Fehlanpassung ergibt sich eine Leistungsreduktion gemäß Abb. 7.

Fig 7
Abb. 7: Leistungsabgabe in Funktion des Lastwiderstandes an einer einf achen Leistungsquelle. Zur Vereinfachung sind nur ohmsche Widerstände angenommen.

Hätte der Lastwiderstand zusätzlich Blindkomponenten in Serie, könnte die Leistungsabgabe der Abb. 7 nicht erreicht werden. Dieses Ersatzschema trifft bei normalen Amateursendern mit Transistoren nicht zu. Nicht nur die Leistungsabgabe verhält sich unterschiedlich, sondern es treten auch bei unvorsichtiger Einstellung am Sender Nichtlinearitäten und Überlastungen der Endtransistoren auf. Moderne Transceiver haben zwar ausgeklügelte Regelschaltungen (ALC / automatic level control), welche das Schlimmste verhüten, insbesondere das Zerstören der Transistoren. Die möglichen Nachteile der ALC werden noch behandelt. Nehmen wir also die Transistorendstufe als unsere Leistungsquelle. Eine etwas vereinfachte Betrachtungsweise führt trotzdem genügend genau zu den Schlüssen, die für uns wichtig sind. Abb. 8 zeigt eine qualitative Transistorcharakteristik und drei unterschiedliche Arbeitsgeraden 1 bis 3. Man erkennt sofort, daß eine Stromquelle für die Ersatzschaltung richtig wäre. Denn der Transistor liefert am Kollektor einen Strom, der vom Basisstrom und der Stromverstärkung des Transistors abhängig ist. Die Spannung zwischen Kollektor und Emitter spielt eine untergeordnete Rolle. Aber diese Stromquelle hat eine Grenze, nämlich die treibende Spannung von gemeinhin 12 V.

Fig 8
Abb. 8: Leistungstransistor im B-Betrieb. Arbeitsgerade 1 entspricht nach dem Ausgangsübertrager einer Lastkurve von 50 Ohm reell. Gerade 2 ist für eine ohmsche Last von 25 Ohm (SWR 2:1) und Gerade 3 für 100 Ohm (SWR 2:1) gedacht.

Normalerweise sind bei SSB-Sendern zwei gleiche Transistoren im Gegentakt eingesetzt. Es genügt jedoch, nur die eine Seite, also z. B. die positive Halbwelle der HF-Ansteuerung, zu betrachten. Die negative Halbwelle wird in genau gleicher Art vom Gegentakttransistor bewältigt.

Zunächst die vom Hersteller des Transceivers als optimal gewählte Arbeitsgerade 1 der Abb. B. Der Leistungs-Sendetransistor wird dank des angenommenen Windungszahlverhältnisses von 7:1 des Ausgangsübertragers mit 1 Ohm belastet. Der Spitzenwert des Basisstromes beträgt 0,4 A. Mit diesem Basisstrom und einer Gegentakt-Endstufe erreicht man 100 W HF. Um eine lineare Verstärkung zu haben, ist es nicht zulässig, den Basisstrom höher zu treiben. Zwar könnte man bis zu 30 % mehr HF-Leistung herausholen, weil sowohl der Kollektorstrom als auch die Kollektorspannungsänderung leicht zunehmen, aber eben vollständig verzerrt. Eine Obersteuerung auf Leistungen größer 100 Watt ist bei FM-Sendungen evtl. dann zulässig, wenn sehr gute Filter für die so erzeugten Oberwellen nachgeschaltet sind. Bei SSB jedoch erzeugt man mit Übersteuerung Intermodulation und breitbandige Aussendungen (Splatter), ebenso Oberwellen.

Nun die Arbeitsgerade 2. Sie entspricht einer Last von 25 Ohm reell und damit einem SWR von 2:1. Der Spitzenwert des Basisstromes sei unverändert 0,4 A. Die am Lastwiderstand entstehende Spannungsänderung Δ U2 beträgt jetzt nur noch 5:0 V gegenüber Δ U1 von 9,4 V der Lastkurve 1. Weil die Kennlinien-schar der Basisströme mit höherer Kollektorspannung etwas ansteigt, nimmt dementsprechend der Kollektorstrom sehr wenig zu. Trotzdem fällt die Ausgangsleistung von 100 Watt auf rund 70 Watt, was aus der Abb. 8 herauslesbar ist. Praktische Messungen ergaben 65 bis 80 W. Die Streuungen hängen mit den jeweils vorliegenden Transistorcharakteristiken zusammen. Im einfachen Ersatzschaltbild der Elektrotechnik nach Abb. 7 wären mit 25 Ohm Last immer noch 90 % der Maximalleistung erhältlich. Sehr bemerkenswert ist allerdings, daß die Linearität bei zu niederohmiger Last nicht leidet. Um so mehr leidet der Transistor unter stark angestiegener Verlustleistung.

Zur Arbeitsgeraden 3. Sie entspricht einer Last von 100 Ohm reell und damit wiederum einem SWR von 2:1. Unser SWR-Meter unterscheidet ja nicht - wie früher bereits gesehen - zwischen den beiden Fällen 25 und 100 Ohm Last. Aber wir werden sehen, daß die Endstufe unterschiedlich reagiert. Als wichtigste Erkenntnis gilt die maßlose Verzerrung (Begrenzung) der Sinushalbwellen ab 0,2 A Basisstrom. Dem Transistor ist es bezüglich Verlustleistung sehr wohl. Bei zu hochohmiger Senderlast ist die Ansteuerung der Endtransistoren unbedingt zu reduzieren. Die Leistungsabgabe sinkt in dieser Betriebssituation ebenfalls. Der Kollektorstrom fällt auf die Hälfte, während die Spannung Δ U3 nur wenig zunimmt gegenüber Δ U1. Die erhältliche Leistung wird etwa 70 % bis 85 % der vollen 100 W betragen. Auch hier beträchtlich weniger als in der Ersatzschaltung nach Abb. 7, die ja, wie früher bereits erwähnt, für Transistorsender nicht zutrifft.

Abb. 8 hat gezeigt, wie ungeschickt eine falsche ohmsche Last in der Endstufe wirkt. Praktische Messungen an einem Transceiver mit abgeschalteter ALC ergaben die Resultate der Abb. 9. Sie stimmen bei 25 Ohm gut mit den Betrachtungen der Abb. 8 überein.

Fig 9
Abb. 9: Gemessene Leistungsverminderung an einer Transistor-Endstufe bei falscher ohmscher Last und konstanter Ansteuerung der Basis für 100 Watt HF an 50 Ohm Last.

Lasten über etwa 80 Ohm liefern entgegen der Theorie leicht höhere Leistung. Das täuscht, weil ein wesentlicher Anteil in Oberwellen steckt. Mit Sicherheit liegt die Leistung der uns interessierenden Grundwelle unterhalb der punktierten Linie.

Falsche ohmsche Lastwiderstände sind in der Praxis seltene Ausnahmen. Fast immer ist die Last bei Stehwellen komplex. Das bedeutet eine Kapazität oder eine Induktivität in Serie zu einem rein ohmschen Widerstand. Wir merken uns, daß komplexe Lasten keine Verbesserung bringen, auch dann nicht, wenn der ohmsche Anteil zufällig 50 Ohm beträgt. Es ist eben bei SWR 2:1 einem Wirkwiderstand von 50 Ohm ein Blindwiderstand von etwa 35 Ohm zuzuordnen.

Im Kennlinienfeld der Abb. 8 weiten sich die geraden Arbeitskennlinien bei komplexen Lasten zu Ellipsen aus. Man sieht leicht ein, daß Ellipsen die Linearitätsgrenzen im Kennlinienfeld eher schneller erreichen als die geraden Linien der ohmschen Lasten.

Mit komplexen Lasten wächst auch die Gefahr von Selbsterregung bzw. wilden Schwingungen in der Endstufe. Nicht jeder Sendertyp beherrscht gefahrlos beliebige komplexe Lasten. Auf diese Weise hat sich schon manche Transistorendstufe angeblich grundlos verabschiedet. Die ALC nützt dabei wenig bis nichts, weil sie nur die Verstärkung von Vorstufen im Sender zurückregelt, während sich die Endstufe ungehindert selbständig zerstören kann.

Grundsätzliche Gedanken zur ALC

Diese automatische Pegelregelung mildert die schlimmsten Folgen bei Fehlanpassungen oder Obersteuerung bei zu hohem Drive auf die Endstufe. Nicht jede ALC-Schaltung ist diesbezüglich perfekt. Aber auch eine sogenannte perfekte Schaltung hat einen verbleibenden Nachteil. Jeder Regelvorgang verzerrt Sinusschwingungen, solange er quasi in Bewegung ist bzw. die Regelspannung sich verändert. Damit erzeugen wir Intermodulationen (Splatter) und Oberwellen zur "hellen Freude" der Nachbarn. Gewisse Transceiver zeigen auch Klicks-Erscheinungen in Telegraphie, wenn die ALC bei jedem Punkt oder Strich ansprechen muß. Für saubere Aussendungen gilt: Drive nur so knapp aufdrehen, daß die ALC nicht oder nur selten bei "Sprachspitzen" anspricht ! Diese Regel gilt nicht nur hei Betrieb mit Stehwellen direkt am Sender, sondern auch bei SWR 1:1.

Fassen wir die Resultate der Betrachtungen über die Lastanpassung an Transistorsendern zusammen.

Eine selten betrachtete Tatsache ist außerdem, daß ein nicht voll ausgesteuerter Transistorsender eigentlich mit einem höheren Widerstand als 50 Ohm belastet werden müßte. Das ist in Abb. 8 ersichtlich. Mit nur 0,2 A Basisansteuerung wäre die Arbeitsgerade 3 die beste Lastkurve. Sie entspricht 100 Ohm Last. Warum? Sie nutzt bei 5 A Kollektorstrom die volle Kollektorspannung aus und ergäbe noch 50 W, während die 50-Ohm-Lastgerade 1 bei 5 A Kollektorstrom nur noch die halbe Kollektorspannung ausnutzt. Das ergibt noch 25 W Ausgangsleistung. Dazu die Abb. 10, welche die Ausgangsleistung bei voller, halber und 1/4 Ansteuerung in Funktion des Lastwiderstandes zeigt.

Fig 10
Abb. 10: Ausgangsleistung eines Transistorsenders in Funktion des Lastwiderstandes bei unterschiedlichen Ansteuerungen der Endtransistoren. Die punktierte Kurve entspricht der Standard-Quellenschaltung, mit der oft fälschlicherweise operiert wird. Siehe Abb. 7.

Ein letzter Hinweis zu Transistorsendern. Selbstverständlich stellt die Transistorendstufe nicht immer eine Leistungsquelle ohne interne Reaktanzen dar. Besonders im VHF- und UHF-Bereich machen sich interne Kapazitäten und Induktivitäten der Anschlüsse bemerkbar. Hier gilt dann, daß die Leistungsanpassung schon senderintern mit dem konjugiert komplexen Wert zu erfolgen hat. Das heißt, man kompensiert intern Kapazitäten mit Induktivitäten und umgekehrt. Bei käuflichen Sendern brauchen wir uns darum nicht zu kümmern. Der Hersteller hat die Anpassung bereits auf 50 Ohm reell vorgenommen. Aber die Bandbreite eines VHF-UHF-Senders bzw. eines Hybridbausteines ist immer sehr eingeschränkt, weil ja diese Kompensation nur bei einer Frequenz ideal gelöst werden kann. KW-Endstufen lassen sich für eine Bandbreite von 1,8 bis 30 MHz realisieren. Das Verhältnis beträgt 30:1,8 = 16,7. Ein UHF-Hybrid, der von 430 bis 480 MHz tauglich ist, überstreicht ein Frequenzverhältnis von nur 480:430 = 1,12.

Besitzer von Röhrenendstufen haben weniger Sorgen um die Anpaßprobleme. Röhren sind sehr hochohmig - bis zu einigen kOhm - zu belasten. Deshalb sind Röhrensender immer mit variablen 7-Filtern ausgerüstet. Sie erlauben eine Transformation auf Lasten von etwa 20 bis 150 Ohm. Gleichzeitig kann man komplexe Lasten kompensieren. Der Durchschnitt der Röhrensender oder Linearverstärker verkraftet SWR bis 3:1. Für höhere SWR wäre ein zusätzlicher Tuner vorteilhaft.

Wann ist das im Röhrensender eingebaute ir-Filter nicht mehr in der Lage, die richtige Anpassung zu schaffen? Die Antwort ist einfach. Sobald eines der Abstimmittel für maximale Ausgangsleistung an seinen Anschlag gedreht werden muß, besteht bereits Verdacht, daß das Optimum nicht mehr erreicht wird.

Wie sich eine Röhrenendstufe bei einer Fehlanpassung (π-Filter am Ende seines Abstimmbereiches oder grundsätzlich falsch eingestellt) verhält, wird hier nicht behandelt. Eines ist sicher, Röhrensender haben keine automatischen Pegelregelungen (höchstens sehr primitive). Amateure mit Röhrensendern wissen genau, daß sich diese definitiv "abmelden", wenn man ihnen zu stark unpäßliche Lasten anbietet bzw. das 7-Filter nicht richtig abstimmt. Manch einer schützt sich dagegen sogar optisch mit einem Autorückspiegel, hinter dem Sender montiert, denn Lüftungsöffnungen sind oft geeignet, die Senderöhren auf Rotglut zu beobachten.

Auch die Linearität in einer Röhrenendstufe leidet, wenn das π-Filter nicht sorgfältig abgestimmt wird. Der optimale Lastwiderstand ändet sich ganz ähnlich wie bei Transistorsendern mit dem Grad der Ansteuerung. Eine kleine Ansteuerung verlangt einen hochohmigen Lastwiderstand und umgekehrt. Ein Röhrensender wird immer mit kleiner Ansteuerung auf maximale Leistungsabgabe vorabgestimmt. Erhöht man anschließend die Ansteuerung, muß das 7-Filter unbedingt nachgestimmt werden, und zwar wiederum auf maximale Leistungsabgabe. Wer dies nicht tut, erzeugt zwar etwas mehr Leistung, aber auf Kosten der Verzerrungen und Oberwellen. Denn es liegt eine analoge Situation vor, wie sie bei Transistorsendern mit zu hohem Lastwiderstand in Abb. 8 bereits beschrieben wurde. Es ging dort um die Arbeitsgerade 3, welche mit zu hoher Ansteuerung in den nichtlinearen Bereich übersteuert ist. Das Nachstimmen in einem zweiten oder sogar in einem dritten Schritt paßt jedesmal den Lastwiderstand an den geänderten Betriebszustand der Senderöhre an, und die Linearität bleibt einigermaßen erhalten.

5. Die Matchbox bzw. der Antennentuner, Transmatch

Alle Betrachtungen in den vorangestellten Teilen 1 bis 4 haben auf die Notwendigkeit einer Matchbox hingewiesen. Deren Aufgabe ist es, die Eingangsimpedanz des Antennenkabels, also in der Regel einen komplexen Widerstand, verlustlos so zu verändern, daß ein reeller Widerstand von 50 Ohm am Eingang der Matchbox resultiert.

Die Theorie lehrt, daß maximale Leistungsabgabe an eine Last dann erfolgt, wenn die Lastimpedanz dem konjugiert komplexen Wert der Energiequelle entspricht. Das ist die allgemeine Aussage zur Leistungsanpassung. Konjugiert komplex besagt ganz einfach, daß sich in einem Stromkreis, bestehend aus Generator und Last, alle Blindwiderstände kompensieren müssen. Es besteht Serienresonanz, und die reellen Widerstände müssen gleich sein. Hat die Quelle z. B. eine Serieninduktivität, muß die Last eine Serienkapazität mit demselben Blindwiderstand haben. Außerdem müssen die beiden ohmschen Widerstände gleich sein. In Formeln ausgedrückt: Hat der Generator die Impedanz Zg = Rg + jXg, muß die Last für Leitungsanpassung Z1 = Rg - jXg haben. Die Abb. 11 zeigt nun, was mit einer Matchbox erreicht wird, nachdem sie richtig abgestimmt ist.

Fig 11
Abb. 11: Impedanzangaben an den Kabelanschlußstellen Matchbox-Kabel und Kabel-Antenne bei abgestimmter Matchbox. Es tritt an jeder Stelle der konjugiert komplexe Impedanzwert in Erscheinung.

Das wichtigste Ergebnis ist, daß die Antenne am Kabelende eine Speiseimpedanz Ze "sieht", die genau dem konjugiert komplexen Wert ihrer eigenen Impedanz entspricht. Das bedeutet aber optimale Leistungsanpassung.

Der Beweis hierfür ist nicht einfach. M. W. Maxwell erklärt es mit Mehrfachreflexionen an beiden Verbindungsstellen, wobei alle von der Matchbox gemäß Reflexionsfaktor zurückgeworfenen Wellen immer wieder beim Tuner in Phase zur ersten Vorwärtswelle neu auf die Leitung geschickt werden. Die Stehwellen bleiben also auf dem Speisekabel bestehen, und trotzdem "sieht" der Sender eine Last von 50 Ohm reell. Dabei spielt es absolut keine Rolle, an welcher Stelle die Matchbox im Koaxkabel eingefügt ist. Selbstverständlich sieht die Matchbox je nach Ort unterschiedliche Zin zum Kabel und muß neu abgestimmt werden. Aber das Resulat ist immer dasselbe: Das Antennensystem - also Antenne, Kabel und Matchbox - ist mit verlustfreien Elementen auf Resonanz gebracht und hat am Eingang der Matchbox keine Reaktanzen mehr. Außerdem ist der ohmsche Anteil der Antennenimpedanz auf 50 Ohm transformiert.

Nach einem weit verbreiteten Irrtum sollte die Matchbox immer am Speisepunkt der Antenne montiert sein. Das stimmt gemäß obigen Ausführungen nicht. Die Matchbox wird sicher viel bequemer zu bedienen sein, wenn sie im Shack neben dem Sender steht. Es gibt allerdings Gründe, in Spezialfällen die Matchbox bei der Antenne zu montieren. Es sind dies extrem hohe SWR und gleichzeitig dünne, lange Speisekabel mit hohen Dämpfungswerten. Das wäre beispielsweise der Fall, wenn irgendein Stück Antennendraht von wenigen Metern Länge im Estrich verlegt als Sendeantenne von 1,8 bis 29,7 MHz dienen sollte. Das gibt mit Garantie SWR bis über 10:1, und ein Kabel vom Typ RG58 hat auf eine Länge von vielleicht 30 m auch schon rechte Dämpfungen bei 28 MHz. In derart extremen Fällen ist die Matchbox wirklich bei der Antenne zu montieren, um die Zusatzverluste zufolge der Stehwellen zu eliminieren. Aber eine derartige Matchbox muß extreme Impedanzwerte auf 50 Ohm transformieren. Das gelingt nicht in jedem Fall mit käuflichen Geräten. Eventuell muß man an einen Eigenbau mit größerem Abstimmbereich denken. Mit einem solchen "Notkonzept" einer Antennenanlage lassen sich erstaunliche Verbindungen realisieren. Die HF-Leistung wird nämlich von jedem Stück Draht abgestrahlt, sofern es uns gelungen ist, die weit außerhalb 50 Ohm liegende Speiseimpedanz verlustlos auf 50 Ohm zu transformieren.

Zweidrahtspeiseleitungen, die sehr verlustarm sind, könnten in derart extremen Fällen nützlich sein. Die Matchbox dürfte dann beim Sender aufgestellt werden(6).

Ein selten betrachteter Punkt um Antennenanpassungen ist die Frage nach der Empfängeranpassung. Während der Empfangsphase liefert die Antenne Energie auf den Empfänger, der auch etwa 50 Ohm Eingangsimpedanz hat. Folglich ist das Antennenkabel in Rückwärtsrichtung richtig abgeschlossen. Es entstehen beim Empfang keine Stehwellen. Das Übel besteht aber darin, daß die Antenne auch als Energiequelle dieselbe innere Impedanz hat, wie sie beim Senden als Energieempfänger aufweist.

Wir waren davon ausgegangen, daß infolge Stehwellen beim Senden eben nicht 50 Ohm am Speisepunkt der Antenne vorliegen. Daraus folgt, daß die Energiebedingung, nämlich Lastimpedanz gleich konjugiert komplexer Wert der Quellenimpedanz, nicht erfüllt ist. Die Antenne kann die Empfangsenergie nicht voll auf das Antennenkabel und schließlich auf den Empfänger abgeben. Das ist allerdings nicht sehr tragisch, denn die Empfänger sind in der Regel auf Frequenzen unter 10 MHz ohnehin zu empfindlich. Darüber und insbesondere auf 28 MHz sind mit steigendem SWR beim Senden in der Empfangsphase deutliche Verschlechterungen im Empfang bemerkbar.

Glücklicherweise ist auch für den Empfangsfall die Matchbox von Nutzen. Abb. 11 macht das deutlich. Die Antenne sieht als ihre Last den konjugiert komplexen Wert ihrer Quellenimpedanz und gibt folglich die ganze zur Verfügung stehende Empfangsleistung auf das Antennenkabel. Kabel und Matchbox wurden als verlustlos angenommen, womit die ganze Leistung zum Empfänger gelangt. Hier also ein weiterer Grund, warum eine Matchbox vorhanden sein sollte.

Nun einige Hinweise zu Röhrensendern mit π-Filtern. Das π-Filter ist beim Empfang mit 50-Ohm-RX-Eingang nutzlos, wenn die Antennenumschaltung am -π-Filterausgang erfolgt. Der Empfang leidet bei hohen Stehwellen. Theoretisch ließe sich der Empfang mit einem "Miniaturtuner" zwischen Antennenumschaltrelais (RX-Seite) und Empfängereingang verbessern. Das hätte auch den Vorteil, daß Abweichungen der RX-Eingangsimpedanz von 50 Ohm berücksichtigt würden. Das Abstimmen dieses RX-Tuners wird nicht sehr deutlich ausfallen. Man muß auf maximalen Ausschlag des S-Meters achten, was bei Fading nicht leicht ist. Eine Matchbox bewältigt ihre Aufgaben bereits mit zwei Blindwiderständen, nämlich einer Spule und einem Kondensator. Dabei sind vier Schaltungen möglich, die je nach Lage der Impedanz Zin angewendet werden müssen. Abb. 12 zeigt die vier möglichen Schaltungen. Zwei davon wirken gleichzeitig als Tiefpaß und zwei als Hochpaß.

Fig 12
Abb. 12: Grundschaltungen für Matchboxen. A und B sind gleichzeitig Tiefpässe, C und D sind Hochpässe.

Wir verzichten auf Berechnungen. Man findet solche in der Literatur zur Genüge. Als Amateur messen wir die jeweilige Impedanz Zin am Kabelanfang ohnehin nicht. Mit variablen Elementen sucht man die richtige Abstimmung auf SWR 1:1 am Eingang der Matchbox und erstellt mit den gefundenen Stellungen Tabellen, die bei Bandwechsel eine sofortige Voreinstellung erlauben.

Automatische Antennentuner agieren genau gleich. Einige dieser Automaten speichern die zuletzt gefundende Einstellung pro Band ab (anstelle der Tabellen) und starten den Abgleich nach einem Bandwechsel aus dieser gespeicherten Position heraus.

Übliche Matchboxen haben aber nicht nur zwei Elemente, wie in Abb. 12 als Minimalausrüstung gezeigt ist. Man nimmt drei abstimmbare Elemente als T- oder π-Filter geschaltet. Damit erreicht man Wirkungen wie die vier Schaltungen der Abb. 12, ohne daß die Anordnung der drei Elemente umgeschaltet werden muß. Aber es sind dann drei Elemente abzustimmen, zwei Kondensatoren und eine Induktivität. Abb. 13 zeigt die heute am häufigsten anzutreffende Matchboxschaltung.

Fig 13
Abb. 13: Prinzipschaltung von üblichen Matchboxen.

Oft werden noch fixe Kapazitäten und Induktivitäten mit Schaltern hinzugeschaltet, um alle KW-Bänder von 1,8 bis 29,7 MHz zu erfassen. Leider existieren Matchboxen, die selber ordentliche Verluste haben. Insbesondere ist der Montageort der Induktivität ein wunder Punkt. Wenn die Luftspule zu nahe an Metallteile montiert ist, entstehen Wirbelstromverluste. Stahlblechgehäuse mit einem schlechten elektrischen Leitwert sind häufig an den Verlusten beteiligt. Darüber hinaus entsteht unerwünschte HF-Abstrahlung im Shack. Aber auch Kondensatorplatten aus Aluminium, die zu nahe bei der Spule sitzen, werden aufgeheizt. Sehr kleine Matchboxen sind deshalb immer verdächtig.

Gelegentlich findet man Matchboxen, deren Induktivität mit Anzapfungen auf Ferritkerne gewickelt ist. Das ermöglicht eine kleine Bauweise. Man muß aber bedenken, daß Ferrite bei tiefen Frequenzen und höheren Leistungen evtl. Sättigungserscheinungen zeigen und dann Oberwellen sowie Intermodulationsprodukte erzeugen.

6. Zusammenfassung, Thesen

Aus der Gesamtbetrachtung zum Thema "Energieübertragung vom Sender zur Antenne" ergeben sich gewisse Konsequenzen, die nachfolgend in 13 Thesen zusammengefaßt sind. Selbstverständlich sind die darin enthaltenen Wertangaben nur als grobe Richtwerte zu betrachten.

  1. KW-Antennen haben nie über ein ganzes Amateurband eine Speiseimpedanz von 50 Ohm reell.
  2. KW-Antennen erzeugen über ein Frequenzband betrachtet Stehwellen auf dem Speisekabel. Wer keine Stehwellen mißt, muß an der Güte seiner Antennenanlage zweifeln.
  3. Jegliche Anstrengung, die Stehwellen auf unter 2:1 zu bringen, ist nutzlose Arbeit vom Standpunkt der Energieübertragung her betrachtet.
  4. Der Strahler einer Antennenanlage muß nicht genau auf eine - Resonanzlänge bemessen sein.
  5. Das Speisekabel braucht keine spezielle Länge aufzuweisen.
  6. Ein mit oder ohne Stehwellen behaftetes Kabel strahlt völlig vernachlässigbare HF-Energie ab.
  7. Wenn ein Speisekabel in das strahlende Antennensystem einbezogen wird, entstehen Mantelwellen (HF-Ströme außen auf der Abschirmung). Mantelwellen strahlen HF-Energie ab.
  8. Eine Antennen-Anpaßschaltung, auch mit Matchbox, Tuner oder Transmatch bezeichnet, hebt alle Reaktanzen, welche durch beliebige Antennenlängen und beliebige Längen von Speisekabeln entstehen, auf. Außerdem transformiert diese Schaltung den ohmschen Anteil der Antennenspeiseimpedanz auf 50 Ohm.
  9. Ein Transistorsender sollte immer mit 50 Ohm reell belastet werden. SWR von über 1,5:1 sollte man mit einer Matchbox behandeln, weil sonst die Gefahr von Nichtlinearitäten im Ausgangssignal besteht. Nur bei stark reduzierter Ausgangsleistung, also mit reduziertem Drive, sind SWR bis 3:1 vielleicht noch akzeptabel.
  10. Die vom Sender gelieferte Wirkleistung entspricht der an der SWR-Brücke abgelesenen Vorwärtsleistung minus der Rückwärtsleistung. Bei starker Übersteuerung der Senderendstufe kann aber ein Teil dieser abgegebenen Leistung in den Oberwellen stecken und ist deswegen nutzlos.
  11. Ein SWR-Meter zeigt immer das gleiche SWR, egal an welcher Stelle es in die Leitung eingeschleift ist. Voraussetzungen: Vernünftige Qualität des Meßgerätes, keine Mantelwellen und nicht zu hohe Kabeldämpfung. Bei hohen Kabeldämpfungen sollte möglichst nahe am Speisepunkt der Antenne gemessen werden.
  12. Die Resonanzfrequenz einer Antenne läßt sich am Anfang ihres Speisekabels nicht messen. Beschreibungen zu Grid-Dip-Metern und Antennen-Rauschbrücken verbreiten oft irrige Meinungen. Man mißt die Resonanzfrequenz der ganzen Kombination, also Antenne und Kabel.
  13. Das richtige Anlagenkonzept zeigt die Abb. 14. Die Matchbox befindet sich im Shack. Dazu gelten aber folgende Voraussetzungen, die mit den üblichen Amateurantennen und vernünftigen Kabelquerschnitten fast immer erfüllt sind: SWR möglichst nicht über 3:1, vielleicht an wenig benutzten Bandenden auch bis 5:1. Kabeldämpfung bei Betrieb ohne Stehwellen kleiner als 1 dB (1 dB entspricht einem Leistungsverlust von 20 %). Sind diese Voraussetzungen nicht erfüllt, ist ein Verlegen der Matchbox an den Antennenspeisepunkt oder zumindest in deren Nähe ratsam. Die Matchbox ist ein Obligatorium!

Fig 14
Abb. 14: Richtiges Konzept einer durchschnittlichen Amateur-Sendeanlage für Kurzwellen.

Literatur

  1. Reflections, Walter M. Maxwell, W2DU, ARRL
  2. ARRL Handbook 1989
  3. The ARRL Antennabook
  4. Reference Data for Radio Engineeres, ITT
  5. Das große Werkbuch Elektronik, Dieter Nührmann, Franzisverlag
  6. CQ-DL 1/93, Seite 21, Herstellung von "Hühnerleitern", Detlef Rohde

Teil 1 - Teil 2

HB9MY, Walter Berner.