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Kurzdrahtantenne für alle KW-Bänder; Frequenzwechsel durch Bandmodule

Viele Funkamateure können auf den heutzutage recht kleinen Grundsdicken keine 40 m lange Drahtantenne unterbringen. Für 10,2 Meter Antennendraht ist jedoch fast überall noch Platz. Klaus Böttcher, DJ3RW, hat eine derartige "Kurzdrahtantenne" durch den Einsatz von Verlängerungspulen, Verkurzungskondensatoren und Fuchskreisen fit für alle KW-Bander gemacht. Zum Bandwechsel muss zwischen 160 und 10 m das jeweils richtige Bandmodul am Speisepunkt der Antenne ausgetauscht werden. Zur einwandfreien Funktion benötigt diese Antenne entweder ein Radialnetz oder eine HF-maßig "gute" Erde!

Die Resonanzen

Die Antenenlange von 10,2 Metern entspricht:

Mit Verlängerungsspulen erhält man:

Durch Verkürzungskondensatoren:

Damit wären alle derzeit aktuellen KW-Bänder in DL ohne Antennentuner abzudecken. Der Nachteil: Bei Bandwechsel muss der Operator auf dem Adapter das jeweilige Bandmodul umstecken. Die Antenne ist daher am besten geeignet, wenn sie in Stationsnähe am Fenster oder wenigstens auf dem Balkon endet, wo sich das Wechseln des Bandmoduls bei kurzen Wegen schnell durchführen lässt. Für eine gute Funktion ist auf den Bändern, auf denen mit Verlängerungsspule oder Verkürzungskondensator gearbeitet wird, eine gute Erdung unerlässlich. Für die gesamte Einheit, bestehend aus Adapter und Bandmodul, ist die Unterbringung in einer Plastikbox mit wasserdicht schlieBendem Deckel empfehlenswert.

Alles im Plexiglas-Design

Polymethylmethacrylat PMMA (Plexiglas ist nur einer von mehreren Markennamen, aber richer wohl der bekannteste) eignet sich als Isolationsmaterial gut für den (noch) bastelnden Funkamateur, denn es ist:

Man kann das Material natürlich im Fachhandel kaufen and es sich sogar maßgerecht zuschneiden lassen, aber wer eine Glaserei in der Nähe hat, wird in deren Abfallbox fast immer fündig. Außerdem kostet das nur eine Spende für die Kaffeekasse. Das Acrylmaterial für die nachfolgend beschriebene Serie stammt als Platten und Stege aus dem Abfallkasten einer ortsansässigen Glasgroßhandlung. EM 1,20 m langes Rohr mit 60 mm Durchmesser und 3 mm Wandstärke fand sich im Sperrmüll. Nachbauinteressenten können sich aber auch mit anderen Werkstoffen behelfen, wie z. B. PVC-Abwasserrohr. Dann müssen die Spulendaten natürlich auf 40er, 50er oder 75er Durchmesser umgerechnet werden! Noch einige Tipps zur Plexiglasbearbeitung: Da das Material spröde ist, neigt es beim Bohren und Sägen zum Splittern, daher den Bohrer nicht verkanten und keine stumpfen oder grobzahnigen Werkzeuge verwenden! Spirituszugaben kühlen und schmieren zugleich.

Konstruktives

Am Adapter wird das Koaxkabel zum TRX bzw. SWR-Meter über eine UHF-Buchse angeschlossen. Der Anschluss von Antenne und Erde erfolgt mit gabelförmigen Kabelschuhen (Autoelektrik) über Polklemmen, die gleichzeitig die verschiedenen Bandmodule halten. Als Antennendraht findet kunststoffummantelte Kupferlitze mit 2 mm Leiterdurchmesser Verwendung.

Basis der acht Bandmodule ist jeweils ein Steg oder eine Platte aus Plexiglas mit drei 4 mm starken Einbau-Bananensteckem (z. B. Conrad, Best-Nr: 73 03 19). Soweit notwendig, tragen sie 12 cm lange Plexiglasrohre von 60 mm Durchmesser als Spulenwickelkörper. Die Verbindung zur Koaxkabelseele erfolgt über eine dritte Steckverbindung. Die Module sitzen kontaktsicher auf dem Adapter, lassen sich aber trotzdem leicht wechseln. Alles arbeitet bis zu einer Leistung von 100 Watt einwandfrei.

Die Berechnung von Verlängerungsspulen

Man geht von folgenden gegebenen Werten aus:

Zur Berechnung sind folgende Formeln notwendig:

  1. Wellenlänge: λ = 300 : f [m]
  2. Länge des Antennenleiters in Winkelgraden: H = 1 : λ × 360° [°]
  3. Schlankheitsgrad der Antenne: S = 1 : d
  4. Wellenwiderstand des Antennenleiters: Z = 60 × In(1,15 × S) [Ω]
  5. Kapazitiver Blindwiderstand: XC = Z : tan(H) [Ω]

Der kapazitive Blindwiderstand muss voll durch einen induktiven Blindwiderstand kompensiert werden, clatter ist:

  1. XL = XC [Ω] und
  2. L = XL : (6,28 × f) [µH]

Diese Induktivität gilt es zu realisieren, und zwar wegen der höheren Güte am besten durch eine Luftspule. Für einlagige Luftspulen, bei denen die Spulenlänge 1 bis viermal größer oder gleich dem Spulendurchmesser ist, gilt:

  1. L = (n2 × 1,256 × π × : (1 + 0,9 × r) [µH]
    n = Windungszahl
    1= Spulenlänge [m]
    r = Spulenradius (Durchmesser : 2 + Drahtstärke) [m]

Die Verlängerungsspule lässt sich auch noch durch Anzapfung als Wandler auf die Koaxkabelimpedanz nutzen. Die Anzapfung vom kalten Spulenende bei n1 Windungen berechnet sich nach:

  1. n1 = n × √Z1 : √XL
    Z1 = Koaxkabelimpedanz (50 Ohm)
    XL = Spulenwiderstand bei Betriebsfrequenz
    n = Gesamtwindungszahl der Spule

Das hört sich alles recht kompliziert an, ist aber mit einem Schultaschenrechner, der die Funktionen tan und ln beherrscht, nicht so schwer zu ermitteln. An-hand der Verlängerungsspule für 160 m wird im folgenden Abschnitt eine Musterrechnung durchgeführt.

Bild 1
Bild 1: Die 10,2 m lange Antenne für alle KW-Bander.

Bild 2
Bild 2: Wichtig ist eine HF-maßig gute Erde oder ein Radialnetz.

Bild 3
Bild 3: Der Steckspulen-Adapter.

Bild 4
Bild 4: Antenne und Erde werden mit Kabelschuhen angeschlossen.

Bild 5
Bild 5:

Bild 6
Bild 6: Ein lagige Luftspule.

160 m

Die Ausgangsdaten sind: 1 = 10,2 m, d = 2 mm (= 0,002 m), f = 1,85 MHz.

Rechengang:

  1. 1* = 300 : 1,85 = 162m
  2. H = 10,2 : 162 × 360° = 22,7°
  3. S = 10,2 : 0,002 = 5100
  4. Z = 60 x ln(1,15 x 5100) = 521 Ω
  5. XC = 521 : tan(22,7°)= 1246 Ohm
  6. XC = XL = 1246 Ohm
  7. L = 1246 : (6,28 × 1,85) = 107 µH

Die Luftspule soll aus isoliertem Kupferdraht mit 1,45 mm Außendurchmesser auf das 60 mm dicke Plexiglasrohr gewickelt werden. Gegeben sind also d = 60 + 1,45 = 61,45 mm, damit r = d : 2 = 0,030725 m.

Da die Wicklungslänge 1 von der Windungszahl n abhängt, führt die exakte mathematische Berechnung über Gleichungen mit zwei Unbekannten. Einfacher geht es mit zwei Rechendurchgängen:

Versuch 1 mit (geschätzt) 50 Windungen, d. h. l = 50 × 1,45 = 72,5 mm, ergibt ein L von 93 µH, ist also etwas zu wenig.

Versuch 2 mit (geschätzt) 56 Windungen, d. h. l = 56 × 1,45 = 81,2 mm:

  1. L = (562 × 1,256 × 3,14 × 0,0307252) : (0,0812 + 0,9 × 0,030725) = 107,3 µH, also genau richtig!

Die 50-Ohm-Anzapfung vom kalten Ende aus liegt bei:

  1. n1 = 56 × √50 : √1246 = 11,2 Windungen.

Bild 7
Bild 7

80 m

Die Berechnung der Verlängerungsspule ergibt ein L von 22,9 µH. Die Spulenkörperwicklung aus isolierter Litze mit 3 mm Außendurchmesser hat 24 Windungen mit einer Anzapfung bei der 7. Windung ab dem kalten Ende.

Bild 8
Bild 8: Verlangerungsspule fur 80 m.

40 m

Da der 10,2 m lange Antennendraht auf 7,05 MHz ¼λ-resonant ist, kann der Strahler direkt mit der Koaxkabelseele verbunden werden. Eine von dort aus zur Erde gelegte 2,5-mH-Drossel sorgt für die Ableitung von eventuell auftretenden statischen Antennen-Aufladungen.

Bild 9
Bild 9: Adapter für 40 und 15 m.

30 m

Ein ½λ-Strahler für 10,125 MHz wäre 14,32 m lang, der mit ¼λ-Resonanz müsste 7,16 m lang sein - 10,2 m passen also in keinem Fall. Bislang wurde die elektrische Verlängerung zu kürzer Antennen behandelt. Es ist jedoch such moglich, zu lange Antennen elektrisch zu verkürzen, und zwar durch einen Kondensator am Antenneneingang. Die oben genannten Formeln gelten auch hier und damit sieht die Berechnung des Kondensators, der die 10,2 m lange Antenne für 10,125 MHz ¼λ-resonant machen soll, wie folgt aus:

λ = 300: f = 300 : 10,125 = 29,63 m
H = 1 : λ × 360° = 10,2 : 29,63 × 360° = 123,9°
S = 1 : d = 10,2 : 0,002 = 5100
Z = 60 × ln(1,15 × S)= 60 × ln(1,15 × 5100)= 520,6 Ω
XL = Z : tan(H) = 520,6 : tan(123,9°) = 349,9 Ω
XL = XC
XC = 1 : (6,28 × f × C)
C = 1 : (6,28 × 10,125 × 249,9) = 44,9 pF

Realisiert wird tins durch einen Keramik-/Lufttrimmer von maximal 60 pF, geschaltet von der Antenne zur Koaxseele. Auch hier legt eine 2,5-mH-Drossel die Antenne gleichstrommäßig auf Erde und übernimmt damit die statische Entladung.

Bild 10
Bild 10: Verkürzungskondensator für 30 m.

20 m

Bei 14,2 MHz ist der 10,2 m lange Strahler ½λ-resonant, also am Einspeisepunkt hochohmig. Die Impedanzwandlung übernimmt ein Fuchskreis mit Koppelwindungen. Die Kreisinduktivität besteht aus einer 4,8-µH-Spule (8 Windungen, 3-mm-Litze) und einem spannungsfesten Keramik-/Lufttümmer von maximal 12,5 pF mit parallel geschaltetem Keramik-C von 20 pF/3 kV. Die Ankopplung erfolgt relativ lose über zwei Windungen.

Bild 11
Bild 11: Fuchskreis für 20 m...

Bild 12
Bild 12: ...auf dem Adapter.

17 m

Die Halbwelle für 18,1 MHz entspricht einer Drahtlange von 8,01 m. Um auf ¾λ entsprechend der ¼λ-Resonanz zu kommen, müssen die verbleibenden 2,19 m mit einer Verlangerungsspule auf ¼λ-Resonanz gebracht werden. Die Berechnung mit den bekannten Formeln ergibt eine Induktivität von 3,44 µH die in Form von 7 Windungen der 3-mm-Litze realisiert wird. Die 50-Ohm-Anzapfung liegt bei 2,5 Windungen.

Bild 13
Bild 13: Verlangerungsspule für 17 m.

15m

Die 10,2 m Strahlerdraht sind für 21,2 MHz ¾λ entsprechend ¼λ-resonant. Es kann also derselbe Adapter wie für 40 m verwendet werden.

12 m

Die Halbwelle für 24,94 MHz entspricht einer Drahtlänge von 5,81 m, ¼λ = 2,91 m. Um auf ¾λ entsprechend ¼λ-Resonanz zu kommen, müssen die verbleibenden 4,39 m durch einen Kondensator elektrisch auf 2,91 m verkürzt werden. Die Berechnung wie bei 30 m ergibt ein C von 15,4 pF, das durch einen Keramik-/Lufttrimmer von maximal 30 pF realisiert wird. Auch hier übernimmt wieder eine 2,5-mH-Drossel die statische Antennen-Entladung.

Die Verkürzungs-Kondensatoren für 30 und 12 m brauchen übrigens, anders als die der Fuchskreise, nicht besonders spannungsfest zu sein. Alle eingesetzten Trimmer stammen als Drehkos vom Funkflohmarkt, ihre Achsen wurden abgesägt und durch einen Schlitz für den Abgleich ersetzt. Alle haben eine 34 × 34 mm größe Keramikbasis, aber unterschiedliche C-Werte und Plattenabstaride.

Bild 14
Bild 14: Verkurzungskondensator für 12 m.

10 m

Bei 28,4 MHz ist der 10,2 m Lange Draht in Ganzwellenresonanz, also am Einspeisepunkt hochohmig. Wie bei 20 m wird die Impedanzwandlung über einen Fuchskreis vorgenommen, der aus einer 2,8-µH-Spule (5 Windungen, 3-mm-Litze) und einem spannungsfesten keramischen Lufttrimmer von maximal 4,5 pF mit parallel geschaltetem Keramik-C von 8 pF/3 kV besteht. Angekoppelt wird über eine einzige Windung.

Bild 15
Bild 15: Fuchskreis für 10 m.

Maus Watcher, DJ3RW.