Mono­band-Dipol

Mei­ne end­ge­spei­ste Lang­draht­an­ten­ne funk­tio­niert auf dem 20-m-Band und dem 40-m-Band recht gut, mit den genann­ten Kom­pro­mis­sen auch auf 15 m und 10 m. Auf allen genann­ten Bän­dern habe ich etli­che FT‑8 QSOs durch­ge­führt. Bei ein­ge­hen­de­ren Tests habe ich aber jetzt fest­ge­stellt, daß auf dem 10-m-Band schon nach einer Minu­te Dau­er­test mit 50 Watt das Steh­wel­len­ver­hält­nis lang­sam weg­läuft. Nach zwei oder drei Minu­ten geht es dann schlag­ar­tig auf unend­lich. Das­sel­be pas­siert mit 100 Watt auf 15 m, aller­dings dau­ert es da etwa dop­pelt so lan­ge. Auf 40 und 20 m tritt die­ser Effekt zumin­dest nicht inner­halb der ersten zehn Minu­ten auf. Da ist etwas ober­faul. Ent­we­der wird der Über­tra­ger zu heiß oder der Kera­mik­kon­den­sa­tor am Ein­gang des Anpaß­glieds macht Zicken. Das wer­de ich wei­ter prü­fen, wenn das Wet­ter wie­der bes­ser wird. Bis dahin wer­de ich mich noch­mal, zunächst theo­re­tisch, mit dem Anten­nen­bau befassen.

Beim Bau der Lang­draht­an­ten­ne habe ich gelernt, daß es in der Pra­xis nicht tri­vi­al ist, eine Anten­ne für meh­re­re Bän­der zu bau­en, auch wenn sie har­mo­nisch zuein­an­der sind. Auch sind rea­le Über­tra­ger ziem­lich weit vom idea­len Über­tra­ger weg, viel­leicht auch wegen sub­op­ti­ma­ler Wickel­tech­nik. Da gibt es sicher­lich Ver­bes­se­rungs­po­ten­ti­al. Bei­spiels­wei­se habe ich jetzt in dem Balun-Work­shop gele­sen, daß man Ring­ker­ne zum Ver­mei­den von Span­nungs­über­schlä­gen bes­ser nicht mit Kup­fer-Lack-Draht bewickelt, son­dern Sili­kon-iso­lier­te Lit­ze neh­men soll. Das wer­de ich bei näch­ster Gele­gen­heit mal aus­pro­bie­ren. Die dürf­te wegen ihrer Bieg­sam­keit auch viel leich­ter zu ver­ar­bei­ten sein.

Jetzt wer­de ich aber erst mal einen Dipol nach Lehr­buch für ein ein­zi­ges Band bau­en und ihn nach allen Regeln der Kunst auf 50 Ohm Wel­len­wi­der­stand in Band­mit­te trim­men. Ich wer­de ihn auf dem obe­ren Bal­kon auf­hän­gen, der eine Spann­wei­te von gut 5,50 m zulässt. Der Dipol wäre damit etwa 8 m über dem Erd­bo­den, aber das Edel­stahl-Bal­kon­ge­län­der und die nicht weit ent­fern­te Dach­rin­ne wer­den sicher ihren Ein­fluß gel­tend machen. Schön wäre, wenn ich einen Dipol für das 15-m-Band bau­en könn­te. Wenn ich wie­der den star­ren Alu­mi­ni­um-Wei­de­zaundraht neh­me, könn­te die­ser auf bei­den Sei­ten eini­ge zehn Zen­ti­me­ter über­ste­hen ohne daß er wie bei einer Lit­ze wegen der Schwer­kraft durchhängt.

Begin­nen wir mal mit einer Simu­la­ti­on. Dafür emp­fiehlt sich das kosten­lo­se Pro­gramm 4nec2, das man z.B. hier her­un­ter­la­den kann. Bekannt­lich hat ein Dipol im Reso­nanz­fall eine reel­le Impe­danz von etwa 70 Ohm, also etwas abseits der gewünsch­ten 50 Ohm. Das ist nor­ma­ler­wei­se kein Pro­blem, weil es deut­lich inner­halb des Abstimm­be­reichs eines Anten­nen­tu­ners liegt. Hier die Simu­la­ti­on eines 6,85 m lan­gen Dipols (die Band­mit­te bei 21,225 MHz ent­spricht einer Wel­len­län­ge von 14,13 m).

Impedanz eines 685cm Dipols
Impe­danz eines ins­ge­samt 685 cm lan­gen Dipols mit 4nec2 simuliert.

Der Ver­kür­zungs­fak­tors liegt bei etwa 0,97 und die reel­le Impe­danz bei 66 Ohm. 4nec2 kann auch das zuge­hö­ri­ge Smith Dia­gramm darstellen:

Smith-Chart eines insgesamt 685 cm langen Dipols
Smith-Chart des oben gezeig­ten Dipols.

Die simu­lier­ten Wer­te kön­nen im Touch­stone-For­mat als s1p-Datei expor­tiert und mit SimS­mith wie­der ein­ge­le­sen werden:

Wiedereingelesen mit SimSmith
Touch­stone-Datei wie­der­ein­ge­le­sen mit SimSmith.

Der Kreis für ein Steh­wel­len­ver­hält­nis von 1,5 zeigt, daß der Dipol auf dem 15-m-Band bereits ohne wei­te­re Anpas­sungs­maß­nah­men zu benut­zen wäre. SimS­mith bie­tet aller­dings die Mög­lich­keit, eine Anpas­sung auf 50 Ohm mit einem LC-Glied zu erreichen:

Anpassung auf 50 Ohm
Anpas­sung mit einem LC-Glied auf 50 Ohm

Man sieht hier an der oran­gen Linie, daß der Kon­den­sa­tor die Impe­danz zunächst in den kapa­zi­ti­ven Bereich ver­schiebt und die Spu­le (grün) sie wie­der in Rich­tung zum induk­ti­ven Bereich ver­schiebt. Auf den Kon­den­sa­tor kann man kom­plett ver­zich­ten, wenn man nicht bei einer reel­len Impe­danz star­tet, son­dern im kapa­zi­ti­ven Bereich eines Dipols. Das ist dann der Fall eines ver­kürz­ten Dipols mit Ver­län­ge­rungs­spu­le. Bei einem Dipol mit 6,15 m Gesamt­län­ge sieht das dann fol­gen­der­ma­ßen aus:

Anpassung verkürzter Dipol auf 50 Ohm
Anpas­sung des ver­kürz­ten Dipols mit Ver­län­ge­rungs­spu­le auf 50 Ohm

Wel­che Art der Anpas­sung nun letzt­lich bes­ser ist, bleibt abzu­war­ten. Nor­ma­ler­wei­se wird man den Dipol in reso­nanter Län­ge ohne eige­ne Anpas­sung ver­wen­den und den Anten­nen­tu­ner an der ande­ren Sei­te des Koax­ka­bels sei­ne Arbeit machen las­sen. Wegen der begrenz­ten Ver­hält­nis­se auf unse­rem Bal­kon wer­de ich aber die ver­kürz­te Anten­ne mit Ver­län­ge­rungs­spu­le aus­te­sten, sobald das Wet­ter bes­ser wird und die Tage län­ger werden.

Draht­an­ten­ne für Kurzwelle

Nach­dem ich nun seit ein paar Mona­ten über einen IC-7300 als Kurz­wel­len­trans­cei­ver ver­fü­ge, soll­te end­lich eine für meh­re­re Bän­der brauch­ba­re Kurz­wel­len­an­ten­ne her. Ein paar Mona­te konn­te ich mit auf dem obe­ren Bal­kon pro­vi­so­risch auf­ge­häng­ten Dräh­ten auf jeweils einem Band arbei­ten, die bei einem Band­wech­sel dann manu­ell gegen einen ande­ren Draht getauscht wer­den muss­ten. Das war unbe­quem und sub­op­ti­mal. Inzwi­schen habe ich auch auch ein Edel­stahl­ge­län­der auf dem Bal­kon mon­tiert, was die HF-Eigen­schaf­ten der Dräh­te deut­lich ver­schlech­tert hat. Das Gelän­der ist geer­det und schirmt HF ab.

Die bau­li­chen Gege­ben­hei­ten las­sen es pro­blem­los zu, einen 20 m lan­gen Anten­nen­draht zu span­nen. Dabei kann ein Ende gut an dem neu­en Edel­stahl­ge­län­der mon­tiert wer­den, wäh­rend das ande­re Ende auf einem Fiber­glas­mast befe­stigt wird. Aus mecha­ni­schen Grün­den soll­te die Anten­ne end­ge­speist sein, denn dann muß die Kon­struk­ti­on nicht auch noch den Anpaß­topf und das Koax­ka­bel tra­gen. Ein knapp 20 m lan­ger Draht soll­te dann auf dem 40 m Band (1 * λ/2), dem 20 m Band (2 * λ/2), dem 15 m Band (3 * λ/2) und dem 10 m Band (4 * λ/2) reso­nant sein.

Angeb­lich sol­len end­ge­spei­ste Anten­nen ohne elek­tri­sches Gegen­ge­wicht aus­kom­men, d.h. der Außen­lei­ter des Koax­ka­bels hängt sozu­sa­gen in der Luft. Das kann so nicht wirk­lich funk­tio­nie­ren, denn ein elek­tri­sches Poten­ti­al braucht immer etwas, woge­gen es gemes­sen wird. Das ist, wenn sonst nichts da ist, der Außen­lei­ter, also die Abschir­mung des Koax­ka­bels. Daß das gan­ze nicht so dra­ma­tisch ist, wie bei einem Vier­tel­wel­len­di­pol, liegt ein­fach dar­an, daß auf­grund der hohen Impe­danz eines end­ge­spei­sten Halb­wel­len­di­pols die Strom­stär­ke deut­lich gerin­ger ist. Ein Vier­tel­wel­len­di­pol hat eine Impe­danz von etwa 50 Ω, ein Halb­wel­len­di­pol aber zwi­schen 1 kΩ und 3 kΩ. Das bedeu­tet, daß bei glei­cher Lei­stung in einen end­ge­spei­sten Halb­wel­len­di­pol auch nur unge­fähr ein ach­tel bis ein vier­tel des Stro­mes fließt. Um sicher zu gehen, daß der Außen­lei­ter des Koax­ka­bels kein signi­fi­kan­tes Gegen­feld zum strah­len­den Draht auf­baut, schlie­ße ich ihn elek­trisch an das geer­de­te Bal­kon­ge­län­der an. Das soll­te gleich­zei­tig auch Man­tel­wel­len verhindern.

Aus­wahl des Antennendrahtes

Auf Emp­feh­lung von Mar­tin, DK7ZB, habe ich mich beim Wei­de­zaun-Lie­fe­ran­ten nach Anten­nen­draht umge­schaut. Mar­tin emp­fiehlt Stahl­draht-Lit­ze mit 1,6 mm Durch­mes­ser. Sie ist preis­gün­stig, reiß­fest und leicht. Ich habe mich aber dann für Alu­mi­ni­um­draht mit 2,0 mm Durch­mes­ser ent­schie­den. Der ist zwar etwas teu­rer und stör­ri­scher, aber sein elek­tri­scher Wider­stand bei 20 m beträgt nur 170 mΩ und sein Gewicht nur 170 g. Dage­gen hat die Stahl­lit­ze 1,5 Ω und sie wiegt knapp das dop­pel­te. In der Pra­xis mag bei­des aller­dings völ­lig irrele­vant sein. Alu­mi­ni­um­draht ist rela­tiv weich und läßt sich leicht bie­gen. Von der Rol­le abge­wickelt ist der Draht den­noch geneigt, sei­ne Bie­gung zu behal­ten. Er schnurrt also wie­der zusam­men. Dem kann man leicht ent­ge­gen­wir­ken, indem man ihn an einem Ende befe­stigt und dann mit einem Leder­hand­schuh oder einem Tuch an dem Draht ent­lang zieht, so daß er sich zwi­schen den Fin­gern leicht ver­biegt, aber von der Span­nung wie­der gera­de­ge­zo­gen wird. Wenn man das zwei- oder drei­mal gemacht hat, bleibt der Draht im wesent­li­chen gerade.

Abstim­mung des Drahtes

Nach dem pro­vi­so­ri­schen Auf­span­nen muß der Draht zunächst auf Reso­nanz gekürzt wer­den. Das geht heut­zu­ta­ge am prak­tisch­sten und zuver­läs­sig­sten mit einem vek­to­ri­el­len Netz­werk­ana­ly­sa­tor (VNA) und suk­zes­si­vem Kür­zen das Drah­tes mit einem Sei­ten­schnei­der. Das nach­fol­gen­de Bild zeigt das Smith Chart des mit dem DG8SAQ-VNWA gemes­se­nen und mit SimS­mith dar­ge­stell­ten Impe­danz­ver­lauf des letzt­lich 18,55 m lan­gen Aluminiumdrahtes:

Impedanz des nackten Antennendrahts (18,55 m lang)
Impe­danz des nack­ten Anten­nen­drahts (18,55 m lang)

Die Refle­xi­ons­mes­sung habe ich bei der Instal­la­ti­on nur auf dem 40m-Band bei 7.1 MHz durch­ge­führt. Wie man oben sieht, ist die Impe­danz schon leicht im induk­ti­ven Bereich. Ich habe ein paar Zen­ti­me­ter zuviel abge­schnit­ten. Für die höhe­ren Fre­quen­zen wäre es gün­sti­ger gewe­sen, noch ein paar wei­te­re Zen­ti­me­ter dazu­zu­ge­ben. Dann wäre die Impe­danz bei 40m und 20m zwar leicht in den kapa­zi­ti­ven Bereich ver­scho­ben, dafür wäre der Blind­an­teil bei 15m und 10m nicht ganz so hoch gewor­den. Viel­leicht span­ne ich gele­gent­lich einen neu­en Anten­nen­draht auf, der etwas län­ger ist.

Jetzt braucht man natür­lich noch eine Anpas­sung, damit die Impe­danz zumin­dest in die Nähe von 50 Ω kommt. Da der IC-7300, so wie die mei­sten moder­nen Trans­cei­ver, einen ein­ge­bau­ten Anten­n­tu­ner hat, muß der Ziel­wert nicht son­der­lich genau getrof­fen wer­den. Der Tuner gleicht Steh­wel­len­ver­hält­nis­se bis 3,0 aus. Das bedeu­tet, daß die Impe­danz der Anten­ne inner­halb des gestri­chel­ten Krei­ses zu lie­gen kom­men muß. Zu beach­ten ist, daß es sich um die Impe­danz an der Anten­ne han­delt und daß das Anten­nen­ka­bel eine wei­te­re Trans­for­ma­ti­on bewirkt. Des­sen Trans­for­ma­ti­on ver­läuft aller­dings auch wie­der auf einem Kreis um den Mit­tel­punkt. Wenn man inner­halb des Krei­ses star­tet, endet man auch wie­der inner­halb des Krei­ses. Aller­dings muß man den Tuner neu abstim­men, wenn ein Kabel ande­rer Län­ge ange­schlos­sen wird.

Für eine breit­ban­di­ge Trans­for­ma­ti­on, hier also von 7 bis 30 MHz, kommt nur ein HF-Trans­for­ma­tor in Fra­ge. Alle ande­ren Trans­for­ma­tio­nen mit Spu­le, Kon­den­sa­tor oder Lei­tun­gen funk­tio­nie­ren nur auf einer ein­zi­gen Fre­quenz. Trans­for­ma­to­ren im Kurz­wel­len­be­reich kön­nen ver­lust­arm mit Ring­ker­nen auf­ge­baut wer­den. Das wur­de häu­fig beschrie­ben, auch im oben schon erwähn­ten Bei­trag von DK7ZB.

Da ich zunächst nur die Impe­danz bei 7,1 MHz gemes­sen hat­te, die im Reso­nanz­fall bei etwa 2,4 kΩ lag, war die nicht unlo­gi­sche Schluß­fol­ge­rung, daß der Tra­fo ein Wick­lungs­ver­hält­nis von 7:1 haben müs­se, um auf 50 Ohm zu trans­for­mie­ren. Der erste Ver­such mit einem selbst­ge­wickel­ten Über­tra­ger mit 21 Win­dun­gen und einer Anzap­fung bei drei Win­dun­gen (als Spar­t­ra­fo) schlug fehl. Meß­wer­te habe ich lei­der nicht archi­viert, aber offen­sicht­lich machen sich Kopp­lungs­ver­lu­ste und Win­dungs­ka­pa­zi­tä­ten so stark bemerk­bar, daß die Ergeb­nis­se weit weg vom erwar­te­ten Wert lie­gen. Außer­dem ist das Anlö­ten einer Anzap­fung eine Fummelei. 

Im zwei­ten Ver­such habe ich mich mit einem Wick­lungs­ver­hält­nis von 4:1 begnügt, drei Win­dun­gen pri­mär und zwölf Win­dun­gen sekun­där. Damit kön­nen die 2,4 kΩ immer­hin auf 150 Ω her­un­ter­trans­for­miert wer­den, was gera­de noch einem Steh­wel­len­ver­hält­nis von 3 ent­spricht und vom Trans­cei­ver auf die nöti­gen 50 Ω ange­paßt wer­den kann. Das hat funk­tio­niert und zwar auch hin­rei­chend gut auf den höher­fre­quen­ten Bän­dern. Hier die Meß­wer­te mit dem 4:1 Trafo:

Impedanz des Antennedrahts mit Trafo
Impe­danz des Anten­ne­drahts mit 4:1 Trafo

Hier die dazu­ge­hö­ri­ge S11 Datei:

Wie man sieht, ist die Impe­danz in wei­ten Tei­len noch in den induk­ti­ven Bereich ver­scho­ben und außer­dem in den höher­fre­quen­ten Bän­dern noch außer­halb des zuläs­si­gen Steh­wel­len­ver­hält­nis­ses. Das lässt sich mit einem pas­sen­den Kon­den­sa­tor kom­pen­sie­ren. Ein 68 pF Kon­den­sa­tor par­al­lel zum Ein­gang bewirkt die nach­fol­gend gezeig­te Verschiebung:

Impedanz des Antennedrahts mit Trafo und 68pF Anpassung
Impe­danz des Anten­ne­drahts mit 4:1 Tra­fo und 68pF Anpassung

Und wie­der die dazu­ge­hö­ri­ge S11 Datei:

Mit die­ser Kom­pen­sa­ti­on lie­gen nun die mei­sten KW-Ama­teur­funk­bän­der inner­halb des magi­schen SWR=3 Krei­ses und kön­nen so vom ein­ge­bau­ten Anten­nen­tu­ner auf die nöti­gen 50 Ω ange­passt wer­den. Das 17-m-Band liegt knapp außer­halb, aber der Tuner des IC-7300 schafft das gera­de noch im Nor­mal­be­trieb. Das 30-m-Band liegt deut­lich außer­halb, kann aber noch im Not­be­trieb (IC-7300 Emer­gen­cy Mode) mit maxi­mal 50W Aus­gangs­lei­stung ver­wen­det wer­den. In die­sem Not­be­trieb kann der Anten­nen­tu­ner sogar auf den 80- und 160-m-Bän­dern noch eine brauch­ba­re Anpas­sung finden.

Hier ein paar Fotos des fer­ti­gen Aufbaus:

Der Antennenhalter
Der Anten­nen­hal­ter mit mon­tier­ter AP-Dose und Anpasstrafo

Der Anpas­stra­fo ist in eine Elek­tro­in­stal­la­ti­ons-Auf­putz­do­se mon­tiert. Nach unten ist eine SO239-Buch­se zum Anschluß des Anten­nen­ka­bels was­ser­dicht ein­ge­schraubt. Außer­dem ist nach rechts die Mas­se abge­führt und nach links die hoch­trans­for­mier­te HF.

Befestigung der Antenne am Balkongeländer
Befe­sti­gung der Anten­ne am Balkongeländer

Der Anpass­ein­heit ist über eine kur­ze Stahl­draht­lit­ze an einem Pfo­sten des Bal­kon­ge­län­ders auf­ge­hängt. Eine pas­sen­de Gelenk­bol­zen­schel­le wur­de mit einer län­ge­ren Schrau­be ver­se­hen, auf die eine Ring­schrau­be auf­ge­schraubt ist. Die Stahl­draht­lit­ze ist mit Draht­seil­klem­men ver­schraubt und soweit mög­lich wur­den auch pas­sen­de Kau­schen ein­ge­setzt. Alle Stahl­tei­le sind aus V2A oder V4A Edel­stahl. Das Bal­kon­ge­län­der ist geer­det und dient als Gegen­ge­wicht für die Antenne.

Die Unterseite der Antennenhalters
Die Unter­sei­te der Anten­nen­hal­ters ist aus PVC gefräst

Der Hal­ter für die Anten­ne und die Anpas­sung ist aus 8 mm Hart-PVC gefräst, auf des­sen Ober­sei­te eine kup­fer­ka­schier­te Epo­xy-Pla­ti­ne ver­schraubt ist.

Der 4:1 Übertrager
Der 4:1 Über­tra­ger in einer hof­fent­lich was­ser­dich­ten Aufputzdose

Die Epo­xy-Pla­ti­ne ist 2,4 mm dick und beid­sei­tig mit 175µ Kup­fer beschich­tet. Nicht benö­tig­tes Kup­fer wur­de weggefräst.

In die­sem Foto sieht man auch den bewickel­ten Ring­kern vom Typ Ami­don FT140-77. Da Ring­ker­ne ja nach ver­wen­de­tem Mate­ri­al einen nied­ri­gen ohm­schen Wider­stand haben, wur­de er hier mit Tef­lon­band umwickelt. Das gibt es für wenig Geld in der Was­ser­in­stal­la­ti­ons­ab­tei­lung im Bau­markt. Es sind pri­mär drei und sekun­där zwölf Win­dun­gen auf­ge­bracht. Unter­halb des Ring­kerns, hier nicht zu sehen, ist der 68-pF-Kon­den­sa­tor angelötet.

Obwohl die Anten­ne nun fest mon­tiert und seit eini­gen Mona­ten im Ein­satz ist, sehe ich sie nicht als Dau­er­lö­sung an. Das blan­ke Kup­fer wird schon in Kür­ze kor­ro­die­ren und die Draht­auf­hän­gung wird trotz der Kau­schen irgend­wann das PVC ver­schlei­ßen. Dann baue ich halt was neues…