Verbesserung der Antennenanpassung 1
Dieser zweiteilige Beitrag beschreibt, wie Drahtantennen mittels Übertrager und/oder Radials besser angepasst werden können.
Viele Transceiver besitzen einen eingebauten automatischen Antennentuner, was sinnvoll ist. Dean damit gelingt es oft, Antennen bis zu einem SWR von 3 anzupassen. Darüber geht dann meist nichts mehr, dies ist aber von Arbeitsfrequenz und Bandbreite der Antenne abhängig. Der Vorteil dabei: Man benötigt keinen externen zusätzlichen Antennentuner.
Leider haben Mehrband-Drahtantennen in der Regel ein recht schlechtes SWR, so dass selbst mit einem Automatiktuner keine Anpassung zu erreichen ist. Es wurde untersucht, ob man mit einem Breitband-Übertrager eine beliebig lange Drahtantenne auf ein SWR von 3 bringen kann. Erreicht man diesen Wert, dann kann ein im Transceiver eingebauter Automatiktuner die Antenne mit dem nachgeschalteten Übetrager perfekt anpassen.
Diverse Verkaufsanzeigen in Zeitschriften bieten einen 1:9-Balun mit interessanten Eigenschaften an. Was man sich darunter vorzustellen hat und welche Eigenschaften man erwarten kann, wurde in mehreren Versuchen getestet. Übrigens gibt es einen so genannten Auto ATU Extender von MFJ, der ähnliches kann, allerdings universell einsetzbar ist, dean er hat umschaltbare Übersetzungsverhaltnisse.
Balun und Unun
Ganz allgemein bezeichnet man mit Balun einen Symmetriewandler, also beispielsweise einen Übertrager, der eine symmetrische Antenne fachgerecht mit einem Koaxkabel verbindet. Hinter Balun stecken die Begriffe Balances/unbalanced. Das Transformationsverhältnis wird dabei vom symmetrischen Anschluss auf den unsymmetrischen definiert. Will man also eine symmetrische Antenne mit etwa 200 Ohm auf ein Koaxkabel 50 Ohm transformieren, ben¶tigt man einen 4:1-Balun. Hat man dagegen eine 100-Ohm-Antenne, benötigt man einen 2:1-Balun. Man kann aber auch niederohmige Antennen, wie Yagis, auf 50 Ohm hoch transformieren. Die korrekte Bezeichnung für 25 Ohm symmetrisch auf 50 Ohm unsymmetrisch wäre 1:2-Balun.
Als Unun (Unbalances/unbalanced) bezeichnet man einen Transformator, der eine unsymmetrische Antenne, z. B. eine Draht- oder Vertikalantenne, an ein Koaxkabel anpasst. Im Gegensatz zum Balun gibt es dafür keine 1:1- Ausführungen, denn diese hatten keinen Sinn.
Selbstbau-9:1-Unun
Wir benötigen dazu einen Ringkern und drei gleichlange Drähte mit je 70 cm Lange und etwa 1 mm Durchmesser. Die Drähte legen wir nebeneinander und wickeln nun neun Windungen durch den Kern. Vorteilhaft sind teflonisolierte Drähte, hat man nur Kupferlackdraht, dann sollte man den Kern vorher mit Teflon-Isolierband bewickeln.
Anfang and Ende fixieren wir mit Bindfäden and verlöten entsprechend Windungsschema die Anfänge and Enden der Drahte.
Der Übertrager ist elektrisch als Spar- oder auch Autotransformator aufzufassen, er hat aber nur einen Ausgang. Eine galvanische Trennung bietet dieser einfachste Trafotyp nicht.
Die Drahtantenne wird an den Ausgang gelegt, ein etwa vorhandenes Radialnetz an den Punkt E der ersten Wicklung.
Zur Prüfung des Übertragers wird ein 450-Ohm-Widerstand vom Antermenanschluss gegen Masse gelegt und das Transformationsverhalten auf 50 Ohm in Abhängigkeit von der Frequenz untersucht.
Bild 1 zeigt die Schaltung, Bild 2 den geöffneten Unun. Will man einen 4:1-Unun bauen, lässt man einen Draht weg, wieder werden neun Windungen gewickelt. Denkbar ist auch ein 16:1-Unun. Man benutzt dann vier Drahte, wobei allerdings nur für sieben Windungen Platz bleibt. Der Übertrager ist bis 400W brauchbar, ohne dass Erwärmung auftritt. Er hat eine Feuchtraumdose als Gehäuse.
Bild 1: Die Schaltung des 9:1-Ununs.
Bild 2: Blick in den geöffneten Unun.
Anpassung an 50 Ohm
Das Frequenzverhalten des Übertragers wurde im Smith-Diagramm untersucht, dazu wurde er mit 450 Ohm gegen Masse abgeschlossen and die Anpassung an 50 Ohm getestet. Er zeigt ein sehr gutes Anpassverhalten bis hin zu niederen Frequenzen (Bild 3). Hier wird bei 100 kHz der noch immer gute Wert SWR = 1,7 erreicht.
Bild 3: Drei Smith-Diagramme zur Anpassung. Schwarz ist die SWR-3-Grenze eingezeichnet.
Die Frage nach dem SWR-Verlauf eines solchen Übertragers mit anderem Kernmaterial ist interessant. Daher wurde der gleiche Unun mit einem Pulvereisen-Ringkern am dem roten Material (Nr. 2) angefertigt. Der SWR-Verlauf ist im gleichen Maßstab nun in Bild 4 dargestellt. Man erkennt das schlechte Verhalten bei niedrigen Frequenzen. Um hier eine Verbesserung zu erreichen, wären wesentlich mehr Windungen erforderlich. Das bedeutet jedoch eine Erhöhung der Wicklungskapazität and somit einen völlig anderen SWR-Verlaufbei der Zusammenschaltung mit einer Antenne. Auch andert sich die Wicklungsinduktivität, was ebenfalls zu nicht vorhersehbaren Reaktionen führt. Hinzu kommt ein Sinken des Übertrager-Wirkungsgrads. Es bestätigte sich einmal mehr, dass Pulvereisen-Ringkerne für unabgestimmte Anwendungen nicht verwendet werden sollten.
Bild 4: Anpasskurve des Übertragers mit Pulvereinsenkern.
Was bewirkt der Unun?
Eine beliebig lange Drahtantenne hat ein frequenzabhängiges Verhalten, das die Antennentheorie beschreibt. Es gibt niederohmige and hochohmige "Resonanzstellen". Ein 9 m langer Draht, egal ob als Sloper oder frei hängend, hat die erste niederohmige Stelle bei etwa 8 MHz entsprechend der Formel c/l/4 = 300/9/4 MHz = 8,3 MHz. Bei der doppelten Frequenz, also etwa 16,6 MHz, folgt eine hochohmige Stelle, bei etwa 25 MHz, dem Dreifachen der ersten niederohmigen Stelle, folgt wieder eine niederohmige Stelle. Die Antenne verhält sich also genau wie ein offenes Kabel. Die geschilderten Effekte kommen daher auch nicht durch Resonanz zustande(1).
Die errechneten Frequenzen können je nach Erdnähe, Drahtstärke und Radials bis um 1 MHz abweichen, folgen aber den allgemeinen Formeln.
Theoretisch müsste nach Einfügen des 9:1- Unun-Trafos in Nähe der hochohmigen Stellen, nämlich bei reellen 450 Ohm, Anpassung an 50 Ohm auftreten. Bei den niederohmigen Stellen wird die Anpassung natürlich weiter verschlechtert; sie sind nun überhaupt nicht mehr brauchbar, denn ihre etwa 60 Ohm reell werden ja durch den 9:1-Unun auf etwa 7 Ohm herunter transformiert.
Nicht zu unterschätzen ist allerdings die Eigenschaft des Unun-Trafos als Kapazität und natürlich auch als Induktivität.
Die Kapazität trill zwischen den einzelnen Wicklungen sowie gegen Erde auf, die lnduktivität ist als Längsinduktivität anzusetzen. Der Unun wirkt also nicht nur als Übertrager, sonder auch wie ein Schwingkreis. Dies wurde mit einem Versuch näher untersucht.
9-m-Sloper
Als erste Antenne wurde ein 9 m langer Sloper benutzt, der vom Balkon schräg gegen Erde geführt wurde (Bild 5). Dies ist die einfachste Drahtantenne, welche keinerlei zusätzliche Mastbefestigungen erfordert. Die Antenne endete etwa 1 m über dem Boden. Es wurde in 8 m Höhe der Unun montiert, an den die Antenne angeschlossen wurden (450-Ohm-Anschluss). Zusätzlich bestand die Möglichkeit der Anschaltung des am Flachdach ausgelegten Radialnetzes.
Bild 5: Skize des Sloper-Aufbaus.
Die Versuche erfolgten ohne und mit Übertrager jeweils mit und ohne Radialnetz.
Beide Darstellungen in Bild 6 sind im gleichen Maßstab aufgenommen; eine Hilfslinie für das SWR 3 wurde markiert. Bewegt sich die SWR-Kurve über dieser Linie, gilt die Anpassung als schlecht. Darunter kann von einem Automatiktuner auf SWR 1 angepasst werden.
Bild 6: Anpassungsverlauf ohne Radials.
Links sieht man den SWR-Verlauf des Slopers ohne Übertrager. Man erkennt das errechnete Verhalten bei 8 MHz. Bei 5,5 und 6 MHz erkennt man ebenfalls niederohmige Stellen. Bei allen anderen Frequenzen ist die Anpassung schlecht; die SWR-Linie liegt weft über 3. Alles in Allem also keine breitbandige Anpassung, ein Automatiktuner wird vielleicht im 40-m-Bereich nape 7 MHz befriedigend anpassen, aber sonst nirgends.
Betrachtet man das Verhalten mit dem 9:1Unun, dann sieht man zwischen 6 und 8 MHz guteAnpassung sowie bei 17 MHz die vermutete Anpassung bei der dann hochohmigen Antenne. Während die Anpassung bei 17 MHz gut zur Theorie passt, wird die Anpassung bei 7 MHz anscheinend durch Resonanzerscheinungen, gebildet aus Antennenkapazität und Trafo-Induktivität erzeugt, denn sie dürfte bei einem idealen Breitband-Übertrager nicht auftreten. Die niederohmige Stelle bereits ohne Unun bei 8 MHz wird ja durch den idealen 9:1-Unun noch weiter nach unten transformiert. Schaltet man nun einen Automatiktuner ein, konnte dieser jetzt im Bereich 7 bis 17 MHz anpassen.
Sloper mit Radialnetz
Beim nächsten Versuch wurde direkt am Trafo (Koaxkabelende) das Radialnetz angeschlossen. In Bild 7 links (ohne Übertrager) sieht man infolge des Radialnetzes eine geänderte Anpassung gegenüber den vorigen Bildern. Die niederohmigen Stellen zwischen 6 and 8 MHz bleiben in etwa gleich, nur wird die Antenne infolge des Radialnetzes niederohmiger and zeigt eine bessere Anpassung an 50 Ohm.
Bild 7: Anpassungsverlauf mit Radials.
Das Diagramm rechts (mit Unun) ergibt nun einen generell besseren Verlauf der Anpassung; man erkennt, dass sich die SWR-Kurve ab 2 MHz senkt, also insgesamt näher an das SWR 3 kommt.
Bei 17 MHz zeigt sich wieder das vorher berechnete Bute Anpassverhalten infolge der hier hohen Impedanz.
Die Anpassung über den dargestellten Bereich ist allerdings wieder nicht so breitbandig, als dass ein Automatiktuner zwischen 7 and 17 MHz überall anpassen konnte; er hätte vor allem bei 14 MHz (20-m-Amateurfunkband) Probleme, dean das abgelesene SWR liegt hier bei 4.
Fazit: Ob mit oder ohne Radials, ein Unun bringt eine gewisse Verbesserung. Die Antenne kann mit dem 9:1-Unun begirmend bei 7 MHz bis hin zu höheren Frequenzen angepasst werden.
Wie wirkt ein längeres Koaxkabel?
Ist das Kabel verlustlos und nur die Antennenimpedanz von 50 Ohm abweichend, hat die Kabellänge keinen Einfluss auf das SWR. In der Praxis gibt es oft Abweichungen zur Theorie, da das Kabel dämmpft und Resonanzerscheinungen auftreten können. Daher wurde auch untersucht, wie es mit dem Einfluss der Kabellängen aussieht.Es wurde deshalb mit einem längeren Kabel gemessen.
Bei diesem Versuch lag Schnee, die Verhältnisse sind daher nicht exakt die gleichen wie bei den vorherigen, die Erd- bzw. Radialverhältnisse sind wetter- und feuchtigkeitsbedingt verändert. Es wurde mit und ohne Radials und zusätzlichen 20 m Koaxkabel RG 59/U getestet. Die 20 m zusätzliches Kabel wurden in Form einer Koaxdrossel vor den Messgeräten im Shack eingeschleift (Bild 8). Die Drossel wurde auf ein Stück Plastik-Abwasserrohr mit 125 mm Außendurchmesser Windung an Windung gewickelt.
Bild 8: Ansicht der großen Kabeldrossel.
Nun erfolgte die Messung der Anpassung mit und ohne zusätzlichem Koaxkabel.
Bild 9 dokumentiert die Auswirkung zusätzlicher Koaxkabellänge. Die Diagramme sollte man sich genauer betrachten. Links erkennt man den SWR-Verlauf mit 20 m Koaxkabellänge, rechts mit zusätzlichen 20 m, also insgesamt 40 m Länge. Links oben zu erkennen: Die Anpassung bewegt sich mal ober-, mal unterhalb der SWR-3-Linie. Rechts oben dagegen, mit Koaxdrossel, erkennt man eine Verbesserung. Die gesamte Kurve liegt mehr unten, es gibt ab etwa 6 MHz keine Punkte oberhalb SWR 3. Bewirkt wird dies erstens von der frequenzabhängigen Dämpfung durch die zusätzliche Kabellänge, die eine Verbesserung des SWRs bei höheren Frequenzen ergibt. Zweitens gibt es im Bereich 5 bis 10 MHz durch zusätzliche (positive) Impedanzänderungen einen geänderten Verlauf.
Bild 9: Vier Diagramme zum Vergleich bei verschiedenen Kabellangen.
Das System kann nun mit einem Automatiktuner ab etwa 6 MHz bis über 30 MHz angepasst werden, das 40-m-Amateurband liegt klar im Abstimmbereich.
Die beiden unteren Diagramme zeigen den Verlauf mit Radialnetz. Das SWR links liegt bis 25 MHz über der SWR-3-Linie, daher ist keine Anpassung möglich. Schaltet man zusätzlich 20 m Koaxkabel hinzu, ergibt sich wieder eine Verbesserung; das System kann ab etwa 7 MHz bis über 30 MHz angepasst werden, im 40-m-Band gerade noch. Besonders auffällig ist die breite Stelle unter SWR 3 von 20 bis 25 MHz.
12-m-Vertikalantenne
Beim nächsten Versuch wurde anstelle des Slopers eine 12 m hohe Vertikalantenne am Balkon montiert. Sie bestand aus einem um 2 m verlängerten 10-m-Glasfaser-Portabelmast mit Kupferlackdraht 1 mm.
Das Anpassverhalten ohne Radials wird in Bild 10 dokumentiert. Das linke Diagramm zeigt diverse niederohmige Stellen, hervorgerufen wahrscheinlich durch Resonanzen mit dem Koaxmantel. 1m 40-m-Amateurfunkbereich konnte nicht angepasst werden. Das Diagramm in der Mitte (4:1) zeigt gute Anpassung ab 5 MHz, auch im 10-m-Band. Auch auf 40 m gelang Anpassung. Das Diagramm rechts (9:1) zeigt gute Anpassung bei 7 MHz und sodann im gesamten Bereich 13 bis 21 MHz. Mit dem Tuner gelang Anpassung auf 40, 20, 15, 18 und 10 m.
Bild 10: Anpassungsverlaufe ohne Radials.
Bild 11 zeigt die Verhältnisse mit Radials. Links nun erkennt man die sehr schöne und klar definierte Anpassung bei 6 MHz mit einer Antennenimpedanz bei 50 Ohm. Mit Unun 4:1 und 9:1 ist die anpassung schlechter, obwohl such hier auf 20, 18,15 und 10 m gearbeitet werden konnte.
Bild 11: Anpassungsverlaufe
Eine solche Antenne zeigt also nur dann mit dem 9:1-Unun ein besseres Verhalten, wenn sie nicht an ein Radialnetz angeschlossen ist.
Vertikal 9 m
Von dem schlechten Ergebnis der Vertikalantenne etwas beeindruckt, wurde ein Versuch unternommen, die Vertikal über ein kürzeres Koaxkabel zu speisen. Die Antenne wurde, wie es sich gehört, über Grund montiert. Das Gegengewicht bestand wie oft in der Praxis nur aus der Stationserde, die gesamte Speiselänge betrug nun nur 3 m (Bild 12).
Bild 12: Skizze der Versuchsanordnung mit 9-m-Vertikal.
Die folgenden Bilder zeigen zum besseren Verständnis eine zusätzliche Darstellung des SWR-Verlaufs im Smith-Diagramm. Dabei kann man die SWR-3-Grenze als schwarzen Kreis um das Zentrum erkennen. Bewegt sich die weiße SWR-Kurve über diesen Kreis näher an das Zentrum, wird die Anpassung besser, bewegt sie sich dagegen außerhalb des schwarzen Kreises, gilt die Anpassung als schlecht.
Bild 13 zeigt alle Diagramme der 9-m-Vertikal ohne Radials. Links erkennbar, sowohl oben als auch unten, ist der SWR-Verlauf der Vertikalantenne direkt. Die Antenne erlaubt Tuner-Anpassung nape SWR 3 bei 6,3 MHz, sie berahrt bei dieser Frequenz die SWR-3-Linie, exakte Anpassung erhalt man dann bei 8,2 MHz. Die Kurve im Smith-Diagramm berührt bei dieser Frequenz den Mittelpunkt, der mit seinem SWR 1 Anpassung an 50 Ohm darstellt.
Bild 13: Anpassverhalten der 9-m-Vertikalantenne.
Rechts oben und unten ist Anpassung der 9-m-Vertikal mit dem 9:1-Unun dargestellt. Oben wieder die Frequenzen, bei denen die Anordnung das SWR 3 erreicht oder sogar besser wird. Interessant im Smith-Diagramm ist nun die Darstellung dieser "Resonanzen", die man als kleine Kreise erkennen kann, welche die SWR-3-Grenze erreichen oder Richtung Zentrum unterschreiten. Man erkennt auch die fundamentale Verbesserung des Anpassverhaltens, die gesamte Kurve liegt näher am Mittelpunkt.
Dies bedeutet eine allgemeime Verbesserung des Anpassverhaltens. Könnte man die Kurve z. B. ab 3 MHz noch weiter an das Zentrum bringer, dann konnte man von einer Breitbandanpassung durch den 9:1-Unun sprechen.
So allerdings gibt es nur Anpassung durch den Automatiktuner bei 3, 7 und 10 MHz. Man erkennt eine Verschlechterung gegenüber der in 8 m Hohe im vorhergehenden Versuch ohne Radials aufgebauten Antenne. Dies ist relativ zu bewerten, deem die Verschlechterung ist das Resultat einer vernachlässigbaren Kabeldampfung.
Literatur
- Frank Sichla: Resonanz oder Reflexion? FUNK 2/03, S. 36f
Hans Nussbaum, DJ1UGA.