End­ge­spei­ste Anten­ne, zwei­ter Versuch

Über kurz oder lang muß ich, wie schon beschrie­ben, mei­ne Kurz­wel­len­an­ten­ne ver­bes­sern. Aus bau­li­chen Grün­den scheint mir immer noch eine end­ge­spei­ste Anten­ne am besten geeig­net. Weil ich die exi­stie­ren­de Anten­ne für wei­te­re Ver­su­che nicht außer Betrieb neh­men will, habe ich einen zwei­ten 20 m lan­gen Anten­nen­draht gespannt. Er ist am sel­ben Anten­nen­mast befe­stigt, führt aber zum ande­ren Ende des Bal­kons, so daß bei­de Anten­nen­dräh­te einen Win­kel von gut 10° zuein­an­der bil­den. Eine gegen­sei­ti­ge Beein­flus­sung ist also anzunehmen.

Impe­danz­mes­sung

Das fol­gen­de Bild zeigt das Ergeb­nis der Impe­danz­mes­sung zwi­schen 1 MHz und 35 MHz.

Impedanzverlauf einer 20m langen Drahtantenne
Impe­danz­ver­lauf einer 20m lan­gen Draht­an­ten­ne mit 10,50 m lan­gem Gegen­ge­wicht („Pig­tail“)

Falls jemand selbst mit den Meß­wer­ten expe­ri­men­tie­ren möch­te: hier sind die zuge­hö­ri­gen s1p-Files (für 1–35 MHz und für Spaß auch noch die für 45–55 MHz und 65–75 MHz).

Man sieht deut­lich die Reso­nan­zen bei unge­rad­zah­li­gen Viel­fa­chen von λ/4, ins­be­son­de­re bei 3,5 MHz (1*λ/4) und 18,4 MHz (5*λ/4). 3*λ/4 bei 11,5 MHz und 7*λ/4 bei 25,3 MHz sind auch erkenn­bar. Die Viel­fa­chen von λ/2 lie­gen jeweils im hoch­oh­mi­gen Bereich und sie sind bei 6,6 MHz, 13,5 MHz, 20,8 MHz und 28,1 MHz zu erken­nen. Die Fre­quen­zen lie­gen jeweils noch etwas unter­halb der Ama­teur­bän­der, das las­se ich aber erst­mal so. Abge­schnit­ten ist schnell…

Als Gegen­ge­wicht wird im gezeig­ten Fall eine 10,50 m lan­ge iso­lier­te Kup­fer­lit­ze mit 2,5 mm² Quer­schnitt ver­wen­det, die vom 6 m hohen Bal­kon schräg nach unten führt. Ich habe ver­schie­den lan­ge Dräh­te aus­pro­biert, auch einen direk­ten Anschluß über weni­ge Zen­ti­me­ter an den geer­de­ten Anten­nen­mast. Wie erwar­tet ver­schiebt sich die Impe­danz bei jedem Ver­such etwas, aber es ändert sich nichts grund­le­gend. Wie ich letzt­lich das Gegen­ge­wicht ver­drah­te, ist im Moment noch nicht entschieden.

Als Crux hat sich bei der bis­he­ri­gen Anten­ne die Anten­nen­an­kopp­lung erwie­sen, die im Grun­de nur aus einem Ring­kern­tra­fo besteht, der die 50 Ω Sen­der­im­pe­danz an die Anten­nen­im­pe­danz von eini­gen kΩ anpasst. Es gelingt mir lei­der nicht, einen Über­tra­ger zu bau­en, der für meh­re­re har­mo­ni­sche Bän­der mit ver­tret­ba­rem Steh­wel­len­ver­hält­nis (SWR < 3) funk­tio­niert. Außer­dem wird bei den höher­fre­quen­ten 15- und 10-m-Bän­dern schon bei 100 Watt Aus­gangs­lei­stung der Ring­kern so heiß, daß das Steh­wel­len­ver­hält­nis nach kur­zer Zeit schlag­ar­tig aus dem Ruder läuft. Wer haupt­säch­lich SSB oder CW macht und viel­leicht noch grö­ße­re und teu­re­re Ring­ker­ne ein­setzt, mag ande­re Erfah­run­gen machen. Digi­ta­le Betriebs­ar­ten wie z.B. FT8, ins­be­son­de­re aber auch SSTV oder RTTY mit ihren län­ge­ren Durch­gän­gen, set­zen Dau­er­be­last­bar­keit vor­aus. Auf Fer­rite soll daher bei der neu­en Anten­nen­kopp­lung kom­plett ver­zich­tet und der zukünf­ti­ge Tuner soll statt­des­sen mit selbst­ge­wickel­ten Luft­kern­spu­len auf­ge­baut werden.

Anten­nen­an­pas­sung

Da alle Impe­dan­zen über 50Ω lie­gen, kann die­sel­be LC-Topo­lo­gie für alle Bän­der benutzt wer­den. Uni­ver­sell ver­wend­ba­re Anten­nen­tu­ner müs­sen das LC-Glied in ein CL-Glied umschal­ten kön­nen, damit auch ande­re Auf­wärts­trans­for­ma­tio­nen mög­lich sind. Hier ein Bei­spiel für die Anpas­sung auf dem 15-m-Band:

Anpassung 15m
Anpas­sung. Bei­spiel für das 15-m-Band

Ein klei­nes Board mit Test­klem­men aus der Elek­tro­in­stal­la­ti­on dient zum Aus­pro­bie­ren ver­schie­de­ner Anpas­sun­gen. Das Foto zeigt eine Luft­kern­spu­le und einen Kera­mik­kon­den­sa­tor, die eine hin­rei­chen­de Anpas­sung (SWR < 3) auf 15‑m und 17‑m erreichen. 

LC-Antennenanpassung
LC-Anten­nen­an­pas­sung, Testversion

Die Spu­le ist aus blan­kem Kup­fer­draht (1,5 mm Quer­schnitt, abiso­lier­te Man­tel­lei­tung) gewickelt und zeigt nach eini­gen Regen­ta­gen erste Kor­ro­si­on. Gefrä­ste Sprei­zer aus PVC sor­gen für hin­rei­chen­de Form­sta­bi­li­tät und gut repro­du­zier­ba­re Induk­ti­vi­tät. Dau­er­be­trieb mit 100 Watt ist über­haupt kein Pro­blem, nichts wird auch nur hand­warm. Die­ses Test­board ist ein Pro­of-of-con­cept, es zeigt, daß ein Tuner die­ser Bau­art zumin­dest bis 100 Watt funk­tio­nie­ren wird.

Das Durch­spie­len der Anpas­sun­gen für ver­schie­de­ne Ama­teur­funk­bän­der ergibt fol­gen­de not­wen­di­gen Wer­te für die Kon­den­sa­to­ren und Spulen:

Dimen­sio­nie­rung des LC-Anpassnetzwerks
Bandmitt­le­re
Fre­quenz
Anpas­sung
C [pF]
Anpas­sung
L [nH]
160 m1,90512130.000
80 m3,6505352.900
60 m5,3591537.315
40 m7,100438.749
30 m10,125892.322
20 m14,175283.588
17 m18,11853640
15 m21,225232.020
12 m24,94046608
10 m28,850161.461
6 m50,51511720
4 m70,25014214

Aus der Tabel­le sieht man, daß mit rea­li­sti­scher Dimen­sio­nie­rung alle Bän­der von 80 m bis 10 m ange­passt wer­den kön­nen. Beim 6- und 4‑m-Band wird es eng, weil die Min­dest­ka­pa­zi­tät der Kon­den­sa­to­ren 15 pF kaum unter­schrei­ten wird, beim 160-m-Band dürf­te die not­wen­di­ge Induk­ti­vi­tät zu hoch sein. Letzt­lich kann bei hohen Fre­quenz­bän­dern auch die Selbst­re­so­nanz­fre­quenz einer Spu­le oder des gesam­ten Auf­baus erreicht oder über­schrit­ten wer­den. Nun gut, man wird sehen. Es reicht ja, wenn die Anpas­sung in die Nähe von 50 Ω kommt, so daß der ein­ge­bau­te Anten­nen­tu­ner den Rest über­neh­men kann. Ob die Effi­zi­enz der Anten­ne ins­be­son­de­re auf den nicht-reso­nanten Bän­dern für einen pas­sa­blen Betrieb aus­reicht, steht auf einem ande­ren Blatt, hier geht es nur um die Anpassung.

Als näch­stes Pro­jekt steht nun der Bau eines schalt­ba­ren Anten­nen­tu­ners für die­se Anten­ne an. Die not­wen­di­gen Induk­ti­vi­tä­ten und Kapa­zi­tä­ten erge­ben sich aus der oben gezeig­ten Tabel­le. In Kür­ze geht’s hier weiter…

Anpas­sung der end­ge­spei­sten Drahtantenne

Die Anpas­sung einer end­ge­spei­sten Draht­an­ten­ne (im eng­li­schen als End-Fed-Half-Wave- oder EFHW-Anten­ne bezeich­net) ist lei­der nicht so tri­vi­al, wie man mei­nen könn­te, ins­be­son­de­re wenn man meh­re­re Bän­der abdecken möch­te. Es geht schon damit los, daß das Ver­hal­ten rea­ler Über­tra­ger, auch wenn man sich viel Mühe beim Wickeln macht, in der Regel weit ent­fernt von dem eines idea­len Über­tra­gers ist. Der Kop­pel­fak­tor der Win­dun­gen liegt deut­lich unter 1 und para­si­tä­re Kapa­zi­tä­ten zwi­schen den Wick­lun­gen machen den Über­tra­ger fre­quenz­ab­hän­gig. Dar­über­hin­aus macht die Fre­quenz­ab­hän­gig­keit und die magne­ti­sche Sät­ti­gung des Kern­ma­te­ri­als zu schaffen.

Die Dimen­sio­nie­rung des Über­tra­gers erfor­dert eini­ge Kom­pro­mis­se. Zunächst soll­te man sich auf die maxi­mal zu über­tra­gen­de Lei­stung fest­le­gen. Im Inter­net fin­det man Hin­wei­se, daß ein FT-140-Kern für 100 Watt reicht. So pau­schal stimmt das aber nicht. Der Crest-Fak­tor ist bei SSB ein ganz ande­rer als bei digi­ta­len Betriebs­ar­ten. Bei SSB ist die nomi­na­le Aus­gangs­lei­stung ein Spit­zen­wert, der nur kurz­zei­tig erreicht wird, wäh­rend die gesam­te Lei­stung bei FT‑8 15 Sekun­den lang über­tra­gen wer­den muß, bei WSPR sogar für zwei Minu­ten, bei RTTY gege­be­nen­falls sogar noch län­ger. Mes­sun­gen mit einer FLIR-Kame­ra haben gezeigt, daß die Tem­pe­ra­tur des Ring­kerns mei­nes ersten Anpaß­glieds mit einem FT140-77 schon nach kur­zem Betrieb (weni­ge Minu­ten) mit 50 Watt auf deut­lich über 100 °C ansteigt.

Wärmebild des Ringkerns
Wär­me­bild des Ring­kerns nach weni­gen Minu­ten Bela­stung mit 50 Watt auf dem 40-m-Band.

So kann das nicht blei­ben. Wo lie­gen die Ursa­chen und was muß ich ändern?

Nach einer alten Faust­re­gel soll der Blind­wi­der­stand eines Über­tra­gers min­de­stens vier­mal so groß sein, wie der reel­le Last­wi­der­stand. Bei 50 Ω auf der Pri­mär­sei­te wären das also min­de­stens 200 Ω, was bei 7 MHz knapp 5 µH wären. Mit einem FT-140 77 Ring­kern wäre die­se Induk­ti­vi­tät schon bei etwas mehr als einer Win­dung erreicht. Das ist natür­lich schon beim Wickeln der Spu­le recht unprak­tisch, weil ohne Hand­stand eigent­lich nur ganz­zah­li­ge Win­dungs­zah­len mög­lich sind. Das grö­ße­re Pro­blem ist aber die magne­ti­sche Fluß­dich­te, die durch den ver­wen­de­ten Ring­kern begrenzt ist. Wird die Fluß­dich­te zu hoch, dann gerät der Kern in die Sät­ti­gung und die magne­ti­sche Feld­stär­ke im Kern steigt dann nicht mehr pro­por­tio­nal zur ange­leg­ten Span­nung. Das über­tra­ge­ne Signal wird ver­zerrt und die Kern­ver­lu­ste stei­gen über­pro­por­tio­nal, so daß der Kern über­mä­ßig heiß wird.

Die magne­ti­sche Fluß­dich­te ist pro­por­tio­nal zur ange­leg­ten Span­nung und umge­kehrt pro­por­tio­nal zur Win­dungs­zahl der Spu­le. Die maxi­ma­le Fluß­dich­te, die der Kern ver­trägt, ist außer­dem auch noch fre­quenz­ab­hän­gig. Der mini Ring­kern­rech­ner berech­net die Fluß­dich­te einer Spu­le und zeigt freund­li­cher­wei­se für eini­ge Ker­ne auch die maxi­mal mög­li­che Fluß­dich­te an. Der oben genann­te Ring­kern soll­te min­de­stens 5 Win­dun­gen haben, um 100 W auf dem 40-m-Band zu über­tra­gen. Die gewähl­te Anzahl von 3 Win­dun­gen ist also deut­lich zu nied­rig. Bei 5 Win­dun­gen hat die Pri­mär­spu­le aber schon 56 µH und einen Blind­wi­der­stand von 2,5 kΩ. Das wäre auf 40 m bei 7 MHz sicher noch trag­bar, aber am ande­ren Ende bei 29 MHz sind das schon über 10 kΩ und bei den hohen Fre­quen­zen machen sich dann auch die Kapa­zi­tä­ten zwi­schen den ein­zel­nen Win­dun­gen immer deut­li­cher bemerk­bar. Die Win­dungs­zahl begrenzt also die obe­re nutz­ba­re Fre­quenz des Über­tra­gers. Eine „ech­ter“ Breit­band­über­tra­ger ist also immer ein Kompromiß.

Für einen neu­en Über­tra­ger habe ich nun zwei gesta­pel­te FT140-43 aus­ge­wählt. Durch das Sta­peln hal­biert sich der magne­ti­sche Fluß für jeden der bei­den Ker­ne und die Induk­ti­vi­tät ver­dop­pelt sich, da sich der umwickel­te Quer­schnitt ver­dop­pelt. Der AL-Wert des ‑43-er Kerns ist weni­ger als halb so groß, wie der des ‑77-er Kerns. Damit erge­ben N Win­dun­gen auf zwei ‑43-er Ker­nen etwas weni­ger Induk­ti­vi­tät, als die glei­che Win­dungs­zahl auf einem ein­zi­gen ‑77-er Kern. Die Fluß­dich­te ist hal­biert und liegt bis 100 Watt im 40-m-Band im Rah­men des Erlaub­ten. Hier ein Foto des ersten Ver­suchs mit einem Win­dungs­ver­hält­nis von 3:18 (Über­tra­gungs­ver­hält­nis 1:36, also 50 Ω am Ein­gang, 1,8 kΩ am Ausgang):

Übertrager mit zwei FT140-43 Ringkernen
Über­tra­ger mit zwei FT140-43 Ringkernen

Die letzt­lich ver­wen­de­te Ver­si­on hat ein noch höhe­res Wick­lungs­ver­hält­nis von 3:22. Da der bis­her ver­wen­de­te Anten­nen­draht von 18,55 m Län­ge zu kurz war, habe ich ihn durch einen 20,30 m lan­gen Draht ersetzt. Damit liegt die Reso­nanz nun deut­lich bes­ser auf den Ama­teur­bän­dern. Die gemes­se­ne Impe­danz sieht nun fol­gen­der­ma­ßen aus:

Impedanz des 20,30m Antennedrahts mit 2xFT140-43 und 100pF Anpassung
Impe­danz des 20,30 m lan­gen Anten­ne­drahts mit 2xF­T140-43 und 100pF Anpassung.

Das Steh­wel­len­ver­hält­nis liegt nun also auf 20- und 40‑m unter­halb von 3:1 und kann vom Anten­nen­tu­ner des IC-7300 ange­passt wer­den. Das 15-m-Band liegt zwar außer­halb, wird aber zumin­dest im unte­ren Bereich noch vom Anten­nen­tu­ner erfasst. Das 10-m-Band liegt deut­lich außer­halb, funk­tio­niert aber noch im Emer­gen­cy-Modus mit bis zu 50 Watt Ausgangsleistung.

Nach dem Lehr­buch müss­ten die oben gezeig­ten Fre­quen­zen alle im Mit­tel­punkt des Smith-Charts bei zumin­dest unge­fähr 50 Ω lie­gen, denn die Bän­der sind har­mo­nisch zuein­an­der. Die Abwei­chun­gen dürf­ten im wesent­li­chen an dem immer noch unzu­läng­li­chen Über­tra­ger lie­gen, sei­nem Kopp­lungs­ver­hält­nis, den para­si­tä­ren Kapa­zi­tä­ten und den Kern­ver­lu­sten. Den­noch sieht das Chart rea­li­stisch aus, denn nicht-reso­nante Fre­quen­zen haben hohe Blind­an­tei­le. Sie fin­den sich am Rand des Smith-Dia­gramms. Bei dem ursprüng­li­chen Über­tra­ger fan­den sich fast alle Fre­quen­zen inner­halb des SWV 3:1 Krei­ses. Das kann nur durch hohe Ver­lu­ste kom­men, denn nur eine Dum­my-Load hat über einen gro­ßen Fre­quenz­be­reich ein Steh­wel­len­ver­hält­nis von 1:1. Eine Auf­nah­me mit der Wär­me­bild­ka­me­ra zeigt, daß sich die Ver­lu­ste jetzt in Gren­zen halten:

Übertrager mit 2xFT140-43 nach mehreren Minuten Betrieb auf 40-m mit 100 Watt
Über­tra­ger mit 2xF­T140-43 nach meh­re­ren Minu­ten Betrieb auf 40‑m mit 100 Watt

Auch nach meh­re­ren Minu­ten Betrieb auf dem 40-m-Band mit 100 Watt steigt die Tem­pe­ra­tur nicht mehr wesent­lich an. Die Kame­ra macht zwei Fotos, eines im opti­schen Bereich und eines im Infra­rot­be­reich, die je nach Abstand des Motivs nicht ganz in Deckung sind.