SWV-Mess­brücken

Mein näch­ster Anten­nen­tu­ner soll das Steh­wel­len­ver­hält­nis mes­sen kön­nen, also muss­te ich mich mal etwas inten­si­ver mit den übli­chen Mess­ver­fah­ren aus­ein­an­der­set­zen. Ich gebe offen zu, daß ein Steh­wel­len­mess­ge­rät für mich immer etwas sehr myste­riö­ses war. Wie kann man ste­hen­de Wel­len mit einem Gerät mes­sen, das deut­lich klei­ner ist, als die Wel­len­län­ge, die es misst? Und noch viel myste­riö­ser: wie unter­schei­det man, in wel­che Rich­tung eine Wel­le läuft? Schließ­lich zeigt das Steh­wel­len­mess­ge­rät doch angeb­lich das Ver­hält­nis der maxi­ma­len zur mini­ma­len Span­nung auf der Lei­tung an, das sich aus dem Refle­xi­ons­fak­tor, dem Ver­hält­nis aus rück­lau­fen­der zu vor­lau­fen­der Span­nung ergibt. Oder doch nicht?

Ein Arti­kel Tho­mas, DC7GB im Funk­ama­teur1 kam zur rich­ti­gen Zeit. Hier wird das gro­ße Geheim­nis gelüf­tet und ich hab’s ja schon immer geahnt: ein Steh­wel­len­mess­ge­rät misst weder ste­hen­de Wel­len noch vor­lau­fen­de oder rück­lau­fen­de Spannung.

Kur­zer Ein­schub: Der Autor legt gro­ßen Wert auf die Fest­stel­lung, daß ent­ge­gen der übli­chen Legen­de kei­ne Lei­stung hin- und her­läuft, son­dern Ener­gie. Lei­stung wird durch Ener­gie an einem Ort ver­rich­tet, bei­spiels­wei­se an der Last, indem dort Ener­gie umge­wan­delt wird. Als Phy­si­ker gebe ich ihm völ­lig recht und dan­ke für die Klarstellung.

Als Maß für die Lei­stung wird die Span­nung ver­wen­det, die bei gleich­blei­ben­der Impe­danz pro­por­tio­nal zur Ener­gie ist. Sie hat den Vor­teil, deut­lich anschau­li­cher und leich­ter mess­bar zu sein. Daher wird nach­fol­gend von vor- und rück­lau­fen­der Span­nung die Rede sein.

Der Sont­hei­mer-Fre­de­rick Richtkoppler

Rein­hard, DC5ZM, erklärt in einem wei­te­ren Arti­kel im Funk­ama­teur2 die Funk­ti­ons­wei­se eines Steh­wel­len­mess­ge­räts am Bei­spiel eines Sont­hei­mer-Fre­de­rick Richtkopplers.

Der Richt­kopp­ler misst schlicht­weg die Anpas­sung an die Last, genau­er gesagt, die Span­nung an der Last und die Strom­stär­ke durch die Last. Wenn die Last den gewünsch­ten reel­len Abschluss­wi­der­stand hat, dann heben sich bei­de Mess­wer­te unab­hän­gig von der ein­ge­spei­sten Lei­stung auf und dar­aus folgt, daß der rück­lau­fen­de Anteil und damit der Refle­xi­ons­fak­tor Γ null ist. Das Steh­wel­len­ver­hält­nis ist eins.

Schal­tung des Richtkopplers

Für die Simu­la­ti­on soll die von DC5ZM gezeig­te Schal­tung ver­wen­det werden:

Sie ist m.E. wegen der mit­tel­an­ge­zapf­ten Sekun­där­spu­le des Strom­über­tra­gers anschau­li­cher, als die wei­ter unten gezeig­te Alter­na­tiv­lö­sung. Hier ist die LTSpi­ce Datei.

Funk­ti­ons­wei­se

Der Sont­hei­mer-Fre­de­rick Richt­kopp­ler besteht aus zwei Trans­for­ma­to­ren, näm­lich L13 (L1-L2-L3) und L45 (L4-L5). L13 ist ein Strom­trans­for­ma­tor mit der Sekun­där­wick­lung L23, die eine Mit­tel­an­zap­fung hat. Hier wird ein Strom indu­ziert, der pro­por­tio­nal zu dem durch L1 und die Last R4 flie­ßen­den Strom ist. L45 trans­for­miert die Span­nung ULast im glei­chen Ver­hält­nis wie L13 auf sei­ne Sekun­där­spu­le L4. Die Mit­te von L23 wird um die trans­for­mier­te Span­nung an der Last ange­ho­ben, wäh­rend durch R1 und R2 der trans­for­mier­te Last­strom fließt. Da R1 und R2 den­sel­ben Wider­stand haben, wie die Last, heben sich am Kno­ten UR bei­de Span­nun­gen auf, wäh­rend sie sich an UF ver­dop­peln. Weicht der Last­wi­der­stand von 50 Ω ab, dann wird ent­we­der die gemes­se­ne Strom­stär­ke oder die Span­nung grö­ßer und UR wird ungleich null. DC5ZM zeigt in sei­nem Bei­trag, daß das Ver­hält­nis von UR zu UF tat­säch­lich dem Refle­xi­ons­fak­tor ent­spricht, aus dem sich das Steh­wel­len­ver­hält­nis errech­nen lässt (sie­he Anhang).

Auch die Pha­sen­ver­schie­bung zwi­schen Strom und Span­nung ist prin­zi­pi­ell mess­bar. Sie geht bei den übli­chen Steh­wel­len­mess­ge­rä­ten aller­dings durch die Gleich­rich­tung von UR und UF an einer Diode verloren.

Simu­la­ti­on mit LTspice

Der Richt­kopp­ler soll nun mit der oben gezeig­ten Schal­tung simu­liert wer­den. Spi­ce kennt bei der Simu­la­ti­on von Trans­for­ma­to­ren kei­ne Win­dungs­zah­len. Daher kann man das Über­tra­gungs­ver­hält­nis nicht direkt ange­ben. Es ergibt sich aber aus der Qua­drat­wur­zel des Induk­ti­vi­täts­ver­hält­nis­ses. Hier wur­de für L45 1 mH zu 400 nH gewählt, also ein Fak­tor von 2.500, was einem Über­tra­gungs­ver­hält­nis von 50:1 ent­spricht. L2 und L3 haben jeweils nur 250 µH, sind aber auf dem glei­chen Kern gewickelt und haben daher zusam­men auch 1 mH, also das­sel­be Über­tra­gungs­ver­hält­nis wie L45.

Die Kop­pel­fak­to­ren sind mit „K1 L1 L2 L3 1“ und „K2 L4 L5 1“ als ide­al ange­nom­men, damit „Dreck­ef­fek­te“ nicht das Ver­ständ­nis stö­ren. Für einen prak­tisch auf­ge­bau­ten Kopp­ler wird man hier eher 0.9 statt 1 wählen. 

L1 und L4 bestehen gewöhn­lich nur aus einem Stück Draht, also einer ein­zi­gen Win­dung. L23 und L5 wer­den als Ring­kern­spu­le dar­über gescho­ben. Sie hät­ten in der hier gezeig­ten Dimen­sio­nie­rung also 50 Win­dun­gen. Die Induk­ti­vi­tät der Ring­kern­spu­le eines prak­ti­schen Auf­baus liegt wegen ihres Fer­rit­kerns tat­säch­lich im Millihenry-Bereich.

Prak­ti­sche Bei­spie­le mit Fotos fin­det man bei­spiels­wei­se bei DJ0ABR hier und hier oder auch in einem Arti­kel von DF1RN im CQ DL3.

Simu­la­ti­ons­er­geb­nis­se für aus­ge­wähl­te Lastwiderstände

Schau­en wir uns zunächst den Fall der idea­len Anpas­sung an, R4 hat 50 Ω.

V(uf) ist die vor­lau­fen­de Span­nung am Mess­punkt UF, V(ur) ist die rück­lau­fen­de Span­nung an UR, jeweils gegen Mas­se gemes­sen. Der Refle­xi­ons­fak­tor ist null und das Steh­wel­len­ver­hält­nis ist eins.

Bei Fehl­an­pas­sung ändern sich die Ver­hält­nis­se. Hier ist der Last­wi­der­stand auf 10 Ω reduziert:

Jetzt wird UR grö­ßer null und ist gegen­pha­sig zu UF. Rech­nen wir der Ein­fach­heit hal­ber mit den Spit­zen­span­nun­gen, dann ist UF jetzt 200 mV und UR 133 mV. Der Refle­xi­ons­fak­tor ist nun 0,667 und das Steh­wel­len­ver­hält­nis ist 5.

Bei einem Last­wi­der­stand von 150 Ω dre­hen sich die Pha­sen­ver­hält­nis­se um:

Jetzt ist die rück­lau­fen­de Wel­le gleich­pha­sig zur vor­lau­fen­den Wel­le. Der Refle­xi­ons­fak­tor ist mit UF=200 mV und UR=100 mV 0,5 und das Steh­wel­len­ver­hält­nis ist 3.

Da Spi­ce nicht gut auf ech­te Kurz­schlüs­sen und ech­te offe­ne Lasten zu spre­chen ist, nähern wir sie mit 0,1 Ω und 100 kΩ an.

Beim kurz­ge­schlos­se­nen Ende wird die Span­nung gegen­pha­sig zu 100% reflek­tiert, der Refle­xi­ons­fak­tor ist also 1. Damit wird das SWR unendlich.

Bei offe­nem Ende wird die vor­lau­fen­de Span­nung eben­falls zu 100% reflek­tiert, dies­mal aller­dings gleich­pha­sig. Das führt zum glei­chen Ergeb­nis, der Refle­xi­ons­fak­tor ist 1 und das Steh­wel­len­ver­hält­nis wird wie­der unendlich.

Alter­na­ti­ve Schaltung

Hier das alter­na­ti­ve Schalt­bild des Sont­hei­mer-Fre­de­rick Richtkopplers:

Die Funk­ti­ons­wei­se ist etwas schwie­ri­ger zu durch­schau­en, aber die­sel­be wie die der oben gezeig­ten und simu­lier­ten Ver­si­on. Wegen der feh­len­den Mit­ten­an­zap­fung an der Spu­le L2 ist sie beim rea­len Auf­bau etwas ein­fa­cher zu realisieren.

Anhang

Hier folgt eine kur­ze Zusam­men­fas­sung der in die­sem Arti­kel ver­wen­de­ten Grundlagen.

Eine Über­tra­gungs­lei­tung hat eine cha­rak­te­ri­sti­sche Impe­danz Z0, im Ama­teur­funk in der Regel 50 Ω, in der Radio- und Fern­seh­tech­nik 75 Ω. Wenn die Last ZL am Ende der Lei­tung die­sel­be Impe­danz hat, wird die an der Quel­le ein­ge­spei­ste Span­nung kom­plett in der Last umge­wan­delt bzw. abge­strahlt. Weicht die Impe­danz der Last von der Impe­danz der Lei­tung ab, wird ein Teil der Span­nung reflek­tiert. Der Refle­xi­ons­fak­tor r, oft auch mit dem grie­chi­schen Buch­sta­ben Γ (Gam­ma) bezeich­net, ist das Maß dafür:

UF (for­ward) ist die vor­lau­fen­de, UR (rever­se) die rück­lau­fen­de Span­nung. Der Betrag der rück­lau­fen­den Span­nung ist immer klei­ner oder gleich der vor­lau­fen­den Span­nung. Bei einem offe­nen Kabel­en­de hat sie das­sel­be Vor­zei­chen, wie die hin­lau­fen­de Span­nung, bei einem kurz­ge­schlos­se­nen Kabel aber ein nega­ti­ves Vor­zei­chen. Der Refle­xi­ons­fak­tor kann damit zwi­schen ‑1 und +1 lie­gen. Bei idea­ler Anpas­sung ist r = 0.

Der Refle­xi­ons­fak­tor kann auch direkt aus den Impe­dan­zen berech­net werden:

Hier erkennt man, daß der Refle­xi­ons­fak­tor tat­säch­lich eine kom­ple­xe Grö­ße ist.

Hin- und rück­lau­fen­de Span­nun­gen über­la­gern sich auf der Über­tra­gungs­lei­tung, so daß Orte unter­schied­li­cher Span­nun­gen ent­ste­hen, soge­nann­te ste­hen­de Wel­len. Das Steh­wel­len­ver­hält­nis ist als das Ver­hält­nis der maxi­ma­len Span­nung zur mini­ma­les Span­nung definiert:

Mit UR = r * UF kann man die­se Glei­chung umformen:

Refe­ren­zen

  1. Tho­mas Schil­ler, DC7GB, Wie funk­tio­nie­ren Richt­kopp­ler und SWV-Mess­brücken?, Funk­ama­teur 12|23, Sei­te 967ff ↩︎
  2. Rein­hard Weber, DC5ZM, AI6PK, Was misst ein Steh­wel­len­mess­ge­rät?, Funk­ama­teur 6|20, Sei­te 513 ↩︎
  3. Prof. Dr. Rein­hard Noll, DF1RN, Kenn­grö­ßen eines Richt­kopp­lers, CQ DL 10|2017, Sei­te 30ff ↩︎

Dimen­sio­nie­rung der Bau­tei­le für einen Antennentuner

Vor dem Bau eines Anten­nen­tu­n­ers muß man sich zumin­dest über die fol­gen­den Zie­le klarwerden:

  • Wel­cher Fre­quenz­be­reich soll abge­deckt werden?
  • In wel­chem Bereich lie­gen die Lastwiderstände?
  • Wel­che maxi­ma­le Lei­stung soll über­tra­gen werden?
  • Wo sind gege­be­nen­falls Kom­pro­mis­se möglich?

Da stellt sich dann sofort die Gegen­fra­ge: was ist denn über­haupt mit rea­li­sti­schem Auf­wand mög­lich und wo lie­gen die Gren­zen? Gäbe es kei­ne, wür­de man natür­lich alles wollen.

Ein wei­te­res Calc Spreadsheet

Nach einer Idee von Jeff, K6JCA, habe ich das hier vor­ge­stell­te Libre­Of­fice Calc Spreadsheet so erwei­tert, daß es die Anpaß­glie­der für meh­re­re Punk­te auf dem Kreis glei­cher Steh­wel­len­ver­hält­nis­se berech­net. Das neue Spreadsheet kann hier her­un­ter­ge­la­den werden:

In der hier gezeig­ten Ver­si­on wer­den 72 Last­im­pe­dan­zen im Abstand von 5° berech­net. Das erscheint mehr als aus­rei­chend. Dabei ist zu beden­ken, daß nicht alle die­se errech­ne­ten Punk­te prak­tisch rele­vant sind. Die von mir geplan­ten ein­fa­chen end­ge­spei­sten Draht­an­ten­nen haben hoch­oh­mi­ge Impe­dan­zen, die alle zwi­schen etwa 310° und 30° lie­gen, wie die nach­fol­gen­de Mes­sung von 1 bis 30 MHz zeigt.

Die gestri­chel­ten Krei­se stel­len die Steh­wel­len­ver­hält­nis­se von 3, 10, 20 und 30 dar. In gewis­sen Gren­zen kann man sich ent­schei­den, ob der Tuner alle Steh­wel­len­ver­hält­nis­se inner­halb eines vor­ge­ge­be­nen Krei­ses abdecken soll oder ob man bei­spiels­wei­se auf Kosten der lin­ken Hälf­te zwi­schen 90° und 270° das Steh­wel­len­ver­hält­nis auf der ande­ren Sei­te erweitert.

Benut­zung des Spreadsheets

Para­me­ter

Auf der ersten Sei­te mit dem Namen „Para­me­ter“ wer­den in den gelb hin­ter­leg­ten Zel­len die Para­me­ter für die aktu­el­le Berech­nung ein­ge­ge­ben. Alle ande­ren Zel­len und Sei­ten sind (natür­lich ohne Pass­wort) geschützt, um Fehl­ein­ga­ben zu ver­mei­den. Mit einem rech­ten Maus­klick auf den Tab und dem Befehl „Tabel­le schüt­zen…“ wir der Schutz ent­fernt oder wie­der hergestellt.

In der Zel­le RGen wird der Gene­ra­tor­wi­der­stand ein­ge­ge­ben. Das sind nor­ma­ler­wei­se 50 Ω und es ist ein reel­ler Wert.

In der Zel­le SWR gibt man das maxi­ma­le Steh­wel­len­ver­hält­nis an, das der Tuner noch anpas­sen kön­nen soll. Hier kann man expe­ri­men­tie­ren. Je höher die­ses SWR ist, umso grö­ße­re Bau­tei­le wird man benö­ti­gen. Irgend­wann über­schrei­tet man den prak­tisch mach­ba­ren Bereich. Wie oben beschrie­ben, kann man hier etwas wei­ter gehen, wenn man Ein­schrän­kun­gen im Polar­dia­gramm akzep­tie­ren kann.

Fre­quenz legt die Fre­quenz fest, für die die Anpas­sung aktu­ell berech­net wird.

P bestimmt die ver­wen­de­te Aus­gangs­lei­stung. Dar­aus wird die Spit­zen­span­nung am Anpaß­kon­den­sa­tor bestimmt, der ent­spre­chend dimen­sio­niert sein muß.

L(C) gibt die para­si­tä­re Induk­ti­vi­tät des Kon­den­sa­tors an. Das ist sicher­lich ein Schätz­wert, solan­ge man den Tuner nicht wirk­lich auf­ge­baut hat. Aus die­ser para­si­tä­ren Induk­ti­vi­tät errech­net sich die kapa­zi­täts­ab­hän­gi­ge Selbst­re­so­nanz­fre­quenz (SRF). Ab und ober­halb die­ser Fre­quenz wird der Kon­den­sa­tor zu einem induk­ti­ven Bau­ele­ment und er ist nicht mehr zur Anpas­sung zu gebrau­chen. Die SRF ist die natür­li­che Gren­ze für die Brauch­bar­keit des Tuners.

Die Zel­len ω und |Γ| (bzw. |Gam­ma|) sind geschützt. Sie wer­den aus dem SWR und der Fre­quenz berech­net. Die­se Wer­te wer­den in den For­meln auf den ande­ren Sei­ten verwendet.

Tuner

Die Berech­nung der Last­im­pe­dan­zen und die Anzei­ge der Anpaß­glie­der erfolgt auf der Sei­te „Tuner“. Jede Zei­le steht für einen Wert im Abstand von 5° auf dem gewähl­ten SWR-Kreis. RL und XL sind die jewei­li­gen Wirk- und Blind­wi­der­stän­de und die Spal­te Netz­werk zeigt die gewähl­te Kon­fi­gu­ra­ti­on, ent­we­der „LC“ oder „CL“. Die zur Anpas­sung nöti­gen Kapa­zi­tä­ten und Induk­ti­vi­tä­ten ste­hen in den Spal­ten C und L.

In der Spal­te Uma­xC wird die Spit­zen­span­nung am Kon­den­sa­tor errech­net, die bei der vor­her gewähl­ten Lei­stung anliegt. Die Spal­te SRF zeigt den Abstand zur Selbst­re­so­nanz­fre­quenz bei der errech­ne­ten Kapa­zi­tät. 100% bedeu­tet, daß die SRF erreicht ist und ein Wert unter 100%, daß die SRF über­schrit­ten ist. Der Tuner ist in die­ser Kon­fi­gu­ra­ti­on nicht mehr benutz­bar. Der Wert soll­te also deut­lich über 100% liegen.

Oben rechts in die­ser Tabel­le wer­den noch die Maxi­mal­wer­te für die Kapa­zi­tät, die Induk­ti­vi­tät und die Span­nung ange­zeigt. Der Mini­mal­wert für die SRF zeigt an, ob zumin­dest eini­ge der Last­im­pe­dan­zen nicht mehr anpass­bar sind.

LC und CL

Die eigent­li­che Berech­nung erfolgt auf den Sei­ten „LC“ und „CL“. Auf die­sen Sei­ten kann man den Rechen­weg nach­ver­fol­gen, anson­sten muß man sich nicht dar­um küm­mern. Der Rechen­weg ist in dem vori­gen Bei­trag zu die­sem The­ma beschrie­ben. Die Sei­ten über­neh­men die anzu­pas­sen­de Last­im­pe­danz von der Sei­te „Tuner“ und lie­fern die Ergeb­nis­se auch wie­der dort­hin zurück.

Es soll nicht uner­wähnt blei­ben, daß auf die­sen Sei­ten ein wenig getrickst wur­de, um Feh­ler abzu­fan­gen. Wenn ein Nen­ner null wird, kommt es zu einem Divi­si­ons­feh­ler. Das wird abge­fan­gen, indem statt des Quo­ti­en­ten eine gro­ße Zahl ver­wen­det wird. Das wie­der­um führt zu Ergeb­nis­sen wie 0,01 pF statt 0 pF. In einem Pro­gramm wür­de man das anders lösen, aber im Spreadsheet scheint das der ein­fach­ste Weg zu sein.

Draht­an­ten­ne für alle Kurz­wel­len-Ama­teur­funk­bän­der (Teil 1)

Bevor die Tage deut­lich kür­zer wer­den und das Wet­ter wie­der unan­ge­nehm kühl wird, will ich mei­ne pro­vi­so­ri­sche end­ge­spei­ste Draht­an­ten­ne durch eine sta­bi­le­re Kon­struk­ti­on erset­zen. Wie hier schon ange­deu­tet, soll der Strah­ler län­ger wer­den und ein defi­nier­tes Gegen­ge­wicht anstatt des jet­zi­gen am Bal­kon­ge­län­der geer­de­ten Pig­tails ange­schlos­sen wer­den. Die­ser erste Teil beschreibt die Pla­nung und die Simu­la­ti­on der Anten­ne. Im zwei­ten Teil soll der tat­säch­li­che Auf­bau und die Mes­sung mit einem VNWA beschrie­ben wer­den. Die dann tat­säch­lich imple­men­tier­ten Dimen­sio­nen wer­den in eine ange­pass­te 4nec2-Simu­la­ti­on ein­flie­ßen, aus der dann die elek­tri­schen und magne­ti­schen Feld­da­ten für den Watt­wäch­ter (ein kosten­frei­es Pro­gramm der Bun­des­netz­agen­tur zur Bewer­tung von Ama­teur­funk­stel­len) extra­hiert wer­den. Damit wird die Anten­ne dann bei der Bun­des­netz­agen­tur, dem dafür zustän­di­gen Amt, angemeldet.

Vor­über­le­gun­gen

Eine ein­fa­che Draht­an­ten­ne, die auf allen gewünsch­ten Bän­dern reso­nant ist, gibt es nicht. Daher soll auch bei der neu­en Anten­ne wie­der ein Tuner für die Abstim­mung sor­gen. Mein selbst­ge­bau­ter Tuner funk­tio­niert zwar hin­rei­chend gut, aber ich woll­te auch immer schon mal einen kom­mer­zi­el­len Tuner aus­pro­bie­ren. Daher habe ich den zu mei­nem IC-7300 pas­sen­den AH-730 von ICOM besorgt. Er soll fast jeden Draht ab 7 m Län­ge auf allen Kurz­wel­len­bän­dern inklu­si­ve 160 m und 6 m anpas­sen kön­nen. Viel­fa­che von λ/2 sol­len aber ver­mie­den wer­den, denn dann geht der Strah­lungs­wi­der­stand gegen unend­lich, was von kei­nem Tuner mehr mit ver­nünf­ti­gem Auf­wand ange­paßt wer­den kann. Die Span­nung müss­te dann zu hoch wer­den. Die Doku­men­ta­ti­on des AH-730 weist aus­drück­lich dar­auf hin, sol­che Län­gen zu vermeiden.

Die Pla­nung

Die Anten­ne soll vom Bal­kon aus gespeist wer­den, weil dort das Anten­nen­ka­bel vom Trans­cei­ver ankommt und dort auch der Anten­nen­um­schal­ter instal­liert ist. Die Aus­deh­nung des Grund­stücks lässt vom Bal­kon aus in Süd­rich­tung etwa 25 m Län­ge zu, in Nord­rich­tung etwa 8 m. Wegen der not­wen­di­gen Abspan­nung der Masten muß ich min­de­stens drei Meter Abstand zu der jewei­li­gen Grund­stücks­gren­ze hal­ten. Das ist nicht zuletzt auch für die Anmel­dung bei der Bun­des­netz­agen­tur not­wen­dig. Die Anten­ne soll mit mode­ra­ten 100 Watt betrie­ben wer­den. Kei­ne sehr hohe Lei­stung, aber eben deut­lich mehr als die nach BEMFV anmel­de­frei­en 10 W EIRP. Da hilft es immer, wenn der Abstand zum unkon­trol­lier­ten Bereich mög­lichst groß ist.

Im Moment habe ich als Pro­vi­so­ri­um einen 20 m lan­gen Draht instal­liert, der für 160 m und 80 m eigent­lich zu kurz ist. Um die Draht­län­ge zu erhö­hen, sol­len bei­de Schen­kel gefal­tet wer­den, so wie es bei dem 17‑m und 15-m-Falt­di­pol erfolg­reich aus­pro­biert wur­de. Wegen der geo­me­tri­schen Umstän­de wer­den die bei­den Schen­kel ungleich lang. Die Län­gen wur­den so gewählt, daß sie auf kei­nem der Kurz­wel­len­bän­der ein Viel­fa­ches von λ/2 lang sind. Hier ist ein ein­fa­ches Libre­Of­fice Spreadsheet, mit dem die „guten“ und „schlech­ten“ Draht­län­gen berech­net wer­den können:

Die fol­gen­de, nicht maß­stabs­ge­treue Skiz­ze zeigt die Dimen­sio­nie­rung der geplan­ten Antenne:

Dimensionierung der gefalteten Langdrahtantenne
Dimen­sio­nie­rung der gefal­te­ten Langdrahtantenne

Der süd­li­che Draht ist nun ins­ge­samt 32,20 m lang, der nörd­li­che 10,60 m. Bei­de Län­gen lie­gen in einem „guten“ Bereich, sie sind kein Viel­fa­ches von λ/2 auf einem der Ama­teur­funk­bän­der. Der tat­säch­li­che Auf­bau wird zei­gen, ob alles paßt. Zunächst aber mal zur Simulation.

Simu­la­ti­on mit 4nec2

Hier ist die Ein­ga­be­da­tei für die 4nec2-Simulation:

Breit­band­si­mu­la­ti­on

Die Breit­band­si­mu­la­ti­on von 1 MHz bis 30 MHz zeigt aus­ge­präg­te Reso­nan­zen am unte­ren Ende des 80-m-Ban­des und unter­halb des 40-m-Ban­des. Wei­te­re Reso­nan­zen bei höhe­ren Fre­quen­zen sind wei­ter von 50 Ω ent­fernt und wei­sen daher ein schlech­te­res Steh­wel­len­ver­hält­nis auf.

Simulationsergebnis der Langdrahtantenne, SWR zwischen 1 und 30 MHz
Simu­la­ti­ons­er­geb­nis der Lang­draht­an­ten­ne, SWR zwi­schen 1 und 30 MHz
Simulationsergebnis der Langdrahtantenne, Impedanz zwischen 1 und 30 MHz
Simu­la­ti­ons­er­geb­nis der Lang­draht­an­ten­ne, Impe­danz zwi­schen 1 und 30 MHz

Die Simu­la­ti­on von 3 MHz bis 8 MHz zeigt die Reso­nan­zen etwas genauer.

Simulationsergebnis der Langdrahtantenne, SWR zwischen 3 und 8 MHz
Simu­la­ti­ons­er­geb­nis der Lang­draht­an­ten­ne, SWR zwi­schen 3 und 8 MHz
Simulationsergebnis der Langdrahtantenne, Impedanz zwischen 3 und 8 MHz
Simu­la­ti­ons­er­geb­nis der Lang­draht­an­ten­ne, Impe­danz zwi­schen 3 und 8 MHz

Durch Kür­zen des süd­li­chen Anten­nen­drah­tes um etwa 2 m las­sen sich die­se Reso­nan­zen leicht in das 80-m- und 40-m-Band schie­ben, so daß dort das Steh­wel­len­ver­hält­nis auf unter 2 sinkt. Auf die­sen bei­den Bän­dern wäre die Anten­ne dann ohne Tuner betreib­bar. Das führt aber dazu, daß der Wirk­wider­stand im 20-m‑, 10-m- und 6‑m-Band auf über 1 kΩ steigt. Auch das Spreadsheet zeigt bei die­ser Draht­län­ge genau für die genann­ten Bän­der „rot“. Die Anpas­sung dürf­te dann schwie­rig wer­den. In der jet­zi­gen Kon­fi­gu­ra­ti­on sind nun aller­dings die 17-m- und 12-m-Bän­der grenz­wer­tig. Man kann wohl nicht alles haben, even­tu­ell muß ich den Draht spä­ter doch noch kürzen.

Schmal­band­si­mu­la­ti­on

Nach­fol­gend zur Doku­men­ta­ti­on die Schmal­band­si­mu­la­tio­nen für alle Ama­teur­funk­bän­der auf Kurzwelle:

Im 17-m-Band liegt der Wirk­wider­stand zwi­schen 1 und 2 kΩ, im 12-m-Band bei etwa 1 kΩ. Die Draht­län­ge von 32,20 m ist im 17-m-Band nahe bei 4×λ/2 und im 12-m-Band bei knapp 6×λ/2. Die Pra­xis muß zei­gen, ob das funk­tio­niert. Pro­ble­me wären nicht wei­ter ver­wun­der­lich. Man soll­te immer im Kopf behal­ten, daß 100 Watt Sen­de­lei­stung an einem 2 kΩ Wider­stand eine Span­nung von 450 V am Spei­se­punkt bedeu­ten (√(P×R)).

Das ande­re Extrem bil­det das 60-m-Band und das 160-m-Band ab. Auf die­sen Bän­dern liegt der Wirk­wider­stand bei 10 Ω bis 20 Ω. Bei­des soll­te gut mit einem Anten­nen­tu­ner abstimm­bar sein, daher erwar­te ich dort kei­ne Probleme.

Die Anten­nen­ma­sten

Als Anten­nen­ma­sten sol­len zwei 12-m-Glas­fa­ser­ma­sten zum Ein­satz kom­men. Einer davon steht bereits seit drei Jah­ren im Gar­ten und soll nun etwas ver­setzt und bes­ser abge­spannt wer­den. Der zwei­te ist ein Neu­kauf und besteht nur aus sie­ben Ele­men­ten. Wegen der Hang­la­ge wird der süd­li­che Mast mit sei­nen zwölf Ele­men­ten auf etwa 10 m über dem Boden aus­ge­zo­gen, der obe­re mit sie­ben Ele­men­ten auf 6 m. Ihre Spit­zen wer­den dann etwa die­sel­be Höhe haben und die Anten­nen­dräh­te sol­len hori­zon­tal verlaufen.

Der Her­stel­ler der Masten emp­fiehlt und ver­treibt sel­ber gewöhn­li­che Schlauch­schel­len aus Edel­stahl zum Fixie­ren der ein­zel­nen Roh­re. Sie wer­den mit Schrumpf­schlauch umman­telt und klem­men so die Roh­re gegen Ver­schie­ben fest. Das funk­tio­niert soweit, aber ich fin­de es sub­op­ti­mal und „geba­stelt“. Außer­dem brau­che ich Ele­men­te zum Abspan­nen des Mastes und zum Hal­ten der Rol­len, auf denen der Anten­nen­draht auf­ge­spannt wird. Das ist eine loh­nen­de Auf­ga­be für eine CNC-Fräse.

Daher habe ich die nach­fol­gend beschrie­be­nen Ele­men­te aus einer 20 mm dicken Hart-PVC-Plat­te her­aus­ge­fräst. Der Innen­durch­mes­ser ist für das jewei­li­ge Seg­ment ange­passt und zwar der­art, daß noch eine pas­send zurecht­ge­schnit­te­ne 2 mm dicke Gum­mi­un­ter­la­ge als Schutz dazwi­schen geklemmt wer­den kann. Die Klem­men wer­den mit einer 4‑mm-Schrau­be auf dem jewei­li­gen Seg­ment fest­ge­klemmt. Die Aus­frä­sun­gen sind not­wen­dig, damit die Klem­me hin­rei­chend bieg­bar wird.

Segmentklemme
Seg­ment­klem­me

Eine Seg­ment­klem­me dient zum Fest­klem­men eines Seg­ments des Anten­nen­masts. Sie ersetzt die Schlauchschelle.

Segmentklemme mit zwei Haltern für die Abspannung
Seg­ment­klem­me mit zwei Hal­tern für die Abspannung

Eine Seg­ment­klem­me mit Hal­tern klemmt einer­seits das Seg­ment fest und hat zusätz­lich noch im 120°-Winkel zwei Hal­ter für Abspannseile.

Segmentklemme mit Rollenhalter
Seg­ment­klem­me mit Rollenhalter

Eine Seg­ment­klem­me mit Rol­len­hal­ter hat zwei lan­ge Aus­le­ger, zwi­schen denen eine Rol­le befe­stigt wird.

Die seit­li­chen Boh­run­gen für die Klemm­schrau­be und die Hal­ter wer­den in einem zwei­ten Arbeits­schritt manu­ell seit­lich ausgeführt.

Rolle
Rol­le

Die bei­den Rol­len an jedem Mast bestehen aus einer inne­ren 3 mm dicken PVC-Schei­be mit 50 mm Durch­mes­ser und zwei äuße­ren Schei­ben mit 70 mm Durch­mes­ser. Sie sind ver­klebt und zusätz­lich ver­schraubt. Sie wer­den mit einem durch­ge­steck­ten 6‑mm-Mes­sing­rohr an dem oben gezeig­ten Rol­len­hal­ter befe­stigt. Die­ses Mes­sing­rohr hat einen Innen­durch­mes­ser von 4 mm und wird mit einer durch­ge­hen­den 4‑mm-Schrau­be mit Stopp­mut­ter gehal­ten. Das Mes­sing­rohr bil­det so ein Gleit­la­ger, auf dem sich die Rol­le frei dre­hen kann.

Die Rol­len sind im Abstand von 195 cm am Mast befe­stigt, so daß die Anten­nen­dräh­te den geplan­ten Abstand von 2 m von­ein­an­der haben.

Damit dürf­te die Pla­nung und die Vor­be­rei­tung hin­rei­chend beschrie­ben sein. In den näch­sten Tagen geht’s an den Auf­bau. Die Erfah­run­gen wer­de ich im zwei­ten Teil beschreiben.

Hier ist der zwei­te Teil