Trügerisches SWR- Stehwellenverhältnis und Zusatzverluste im Antennenkabel

Ulrich Gerlach DF4EU

Trügerisches SWR: Stehwellenverhältnis und Zusatzverluste im Antennenkabel

Vortrag für die WolfswelleM05 29. September 2019

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Trügerisches SWR: Stehwellenverhältnis und Zusatzverluste im Antennenkabel Übersicht Einführung mit Erfolgserlebnis Relevante Antennenkennwerte Anpassung Hilfsprogramme von DL1JWD Durchführung einer Schaltungsanalyse Literaturangaben

Einführung mit Erfolgserlebnis Ich habe 2015 bei der WW von Konstruktion und Aufbau meiner TC2M-Antenne berichtet. Hier eine kurze Beschreibung. TC2M bedeutet: Terminated Coaxial Cage Monopol= abgeschlossene koaxiale Reusen- Vertikalantenne. Die Antenne wurde von Martin Ehrenfried G8JNJ 2014 erfunden.

(Lit. 1) Der koaxiale Aufbau wird durch durch eine bestimmte Anzahl reusenförmig angeordneter vertikaler Drähte nachgebildet. Der Mittelleiter wir nach unten zurückgeführt und ist mit dem Wellenwiderstand von ca. 490Ω nach Erde abgeschlossen. Siehe dazu Bilder 1 Und 2.

Bild 1 Schema TC2M-Reusenantenne (Lit. 1)

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Bild 2 TC2M-Reusenantenne (Lit.2) Zur Funktion dieser Antenne ist zu sagen, dass sie wegen des Abschlusswiderstandes mit Wanderwellen arbeitet, am Ende (Abschlusswiderstand) erfolgen fast keine Reflexionen. Dieser Abschlusswiderstand absorbiert einen Teil der Sendeenergie, er wird deshalb auch etwas abfällig Schluckwiderstand genannt. Was der Grund ist, dass diese Antennenform nicht häufig verwendet wird. Andererseits ergibt sich hieraus eine ungeahnte Breitbandigkeit. Im gesamten KW-Bereich von 3-30MHz liegt das SWR grob gesagt um max. ca. 2,5 bei 3,61MHz bis ca. 1,3 bei 28,2MHz. Man braucht also nicht unbedingt einen Tuner. Die Antenne ist somit für schnelle Frequenzwechsel (z.B. Bakenbetrieb) bestens geeignet. Verluste durch den Tuner (normalerweise so zwischen 1 bis 2 dB) entfallen, sodass sich die Schluckverluste im Vergleich kaum bemerkbar machen, auf dem S-Meter sowieso nicht.

An dieser Stelle wollte ich ansetzen und Genaueres über die tatsächlich auftretenden Verluste ermitteln, was wegen des Schluckwiderstandes aber auf Schwierigkeiten stößt. Nachdem ich mir kürzlich den Antennenanalysator FA-VA5 zugelegt hatte, konnte ich bei einer anstehenden Antennenrevision den Eingangswiderstand der Antenne sowohl direkt an der Antenne als auch nach ca. 18m RG213-Kabel in meinem Shack messen. Nun traf es sich gut, dass ich beim Durchstöbern der letzten CQ DLs auf einen Artikel (CQ DL 4-2019) von Walter Doberenz DL1JWD gestoßen bin - SWR gut-alles gut? - (Lit. 3), nach dessen Lektüre mir sofort klar wurde, dass ich mit dem dort vorgestellten Programm HamVNAS (Lit. 4) leicht Genaueres über den Wirkungsgrad der Antenne erfahren könnte.

Erfolgserlebnis: Da die erforderliche Simulation meiner Antennenanlage kein Problem bereitete, wusste ich schon nach kurzer Zeit, dass die abgestrahlte Leistung über 80% der zugeführten Leistung beträgt. (Ich habe dabei allerdings keine Erdungsverluste berücksichtigt). Auch die Widerstandstransformation durch das Kabel konnte rechnerisch mit dem Kabelrechner von DL1JWD bestätigt werden. Abweichungen treten auf, da die Kabellänge und die Grunddämpfung in Abhängigkeit von der Messfrequenz nicht exakt bekannt sind. Trotzdem sind die Werte für den vorgesehenen Zweck sicherlich ausreichend genau. Siehe hierzu Bild 3, Tabelle Messwerte Antennenwiderstand.

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Freq. in Zant in Ohm MHz

Zshack in Ohm

Zant in Ohm

3,61

47,3-j46,0

56,6+j45,1

48,3-j44,8

2,49

2,3

7,1

35,8+j19,8

80,1+j13,6

34,8+j18,1

1,78

1,67

14,1

52,9-j27,4

43,8+j24,3

47,8-j29,3

1,7

1,7

21,1

69,1-j28,3

75,6+j20,3

68,0-j30,8

1,77

1,69

28,2

41,9-j9,8

42-j5,4

43,7-j9,60

1,32

1,23

berechnet aus ZShack

SWRant SWRshack gemessen gemessen

Bild 3 Tabelle Messwerte Antennenwiderstand Erl.: Zant und SWRant an der Antenne direkt gemessen, Zshack und SWRshack im Shack am Eingang des Antennenkabels gemessen

Bild 4 Analyse mit Programm AMA (Lit. 4) von DL1JWD, ungünstigster Fall für 3,61MHz. In der Tabelle Bild 5 sind die Ergebnisse für 5 Messfrequenzen zusammengefasst.

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Frequenz/MHz

Senderausgang

Kabel

AntennenBlindwiderstand

AntennenWirkwiderstand

3,61

16,58%/-0,83dB

5,64%/-0,26dB

0,08%/-0,00dB

77,71%/-1,10dB

7,1

6,53%/-0,3dB

7,13%/-0,33dB

0,47%/-0,02dB

85,87%/-0,66dB

14,1

5,51%/-0,26dB

9,83%/-0,47dB

0,04%/-0,00dB

84,62%/-0,73dB

21,1

5,23%/-0,24dB

11,87%/-0,57dB

0,22%/-0,01dB

82,67%/-0,83dB

28,2

1,45%/-0,06dB

13,08%/-0,62dB

0,02%/-0,00dB

85,84%/-0,68dB

Bild 5 Verluste im Antennensystem berechnet mit Programm AMA (Lit. 4) Die rechte Spalte der Tabelle enthält die Verluste im Antennenwirkwiderstand, die eigentlich nicht als Verluste sondern als wünschenswerte, abgestrahlte Leistung anzusehen sind. Im ungünstigsten Fall werden bei 3,61MHz (80m-Band) nur 77,71% der zugeführten Leistung abgestrahlt. Von 100W Sendeleistung also nur 77,71W. Dies ist noch ein akzeptabler Wert. Etwas besser schneiden die höheren Bänder ab. Die Erdungsverluste sind nicht separat aufgeführt.

Zum weiteren Verständnis ist die Lektüre des Artikels DL1JWD (Lit. 3) sehr zu empfehlen.

Mehr wollte ich eigentlich nicht wissen, aber die Beschäftigung mit dieser Materie bestärkte mich, mit diesem Vortrag auf diese angebotenen außerordentlich nützlichen Hilfsprogramme hinzuweisen. Auf der Homepage von DL1JWD (Lit. 5) findet sich außer dem erwähnten HamVNAS zahlreiche weitere Analyse-Software.

Relevante Antennenkennwerte Eingangswiderstand Der Eingangswiderstand einer Antenne = Fußpunktimpedanz weist einen Wirkanteil R (ohmscher Anteil) und einen Blindanteil X auf, d.h., dieser Widerstand ist komplex. Es gilt, wie im Ersatzschaltbild Bild 6 gezeigt, Antennenimpedanz Za = Ra + Xa.

R R

v

g

R X

Wirkanteil Ra Blindanteil Xa Xa > 0 induktiv, Xa < 0 kapazitiv Antennenverlustwiderstand Rv

a

a

Bild 6 Ersatzschaltbild einer Antenne Bei resonanter Antenne entfällt der Blindanteil Xa, also X=0. Ist die Antenne länger als die DF4EU

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Resonanzlänge, wird sie induktiv. Ihr Blindanteil ist dann positiv. (X>0). Ist die Antenne dagegen kürzer als bei Resonanz, wird sie kapazitiv (X<0). Ihr Blindanteil ist negativ. (X<0). Durch Hinzufügen entsprechender Kompensationselemente (konjugiert komplexe Werte, gleich großer Wert, aber entgegengesetztes Vorzeichen) kann jede Antenne in Resonanz gebracht werden.

Der ohmsche Anteil von Za beinhaltet zunächst den Strahlungswiderstand Rs, dieser ist so

definiert, dass in ihm die gesamte abgestrahlte Leistung verbraucht wird. Zum Wirkanteil von Za kommt der Verlustwiderstand Rv, mit dem die Verluste in den Drähten (Skin-Effekt) etc. und dem Erdboden erfasst werden. Der gesamte Wirkanteil des Antenneneingangswiderstandes beträgt also R = Rs + Rv. Siehe Bild 6.

Mit dem Antennenstrom I kann nun die Strahlungsleistung Ps der Antenne bestimmt werden.

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Ps = I * Rs 2

Die Verlustleistung Pv beträgt entsprechend Pv = I * Rv .

Ein λ/2-Dipol im Freiraum, also unbeeinflusst durch Umgebungseinflüsse, hat hat bei Resonanz einen Strahlungswiderstand von 73,2 Ω. Eine λ/4-Vertikalantenne über idealem Grund hat 36,6 Ω, also die Hälfte. Der Strahlungswiderstand eines endgespeisten Diopls ist sehr hochohmig.

Er beträgt ca. 2000 Ω.

Wirkungsgrad Es wird angestrebt, die der Antenne zugeführte Energie auch komplett abzustrahlen. Jedoch geht wegen unvermeidlicher Verluste im System ein Teil der zugeführten Energie verloren, d.h. sie wird in Wärme umgewandelt. Mit den Größen Ps und Pv lässt sich der der Wirkungsgrad η einer Antenne ermitteln zu η = Nutzleistung/(Nutzleistung + Verlustleistung) Nutzleistung = Ps, Verlustleistung = Pv η=

Ps Ps+Pv

=

Rs = Rs+Rv

1 1+Rv / Rs

Z.B. mit Rv=0 → η = 1, verlustfreie Antenne mit Rv = Rs → η = ½ = 0,5 mit Rv = 10 Rs → η = 1/(1+10) = 1/11 = 0,091, Antenne mit hohen Verlusten mit Rv = 0,1 Rs → η = 1/(1+0,1) = 1/1,1 = 0,91, Antenne mit geringen Verlusten Der Wirkungsgrad η wird umso höher, je kleiner das Verhältnis Rv/Rs ist, bzw. je kleiner Rv ist.

Verlustwiderstände sollten daher möglichst klein gehalten werden. R s und Rv sind von vielen Parametern abhängig, auf die in diesem Zusammenhang nicht weiter eingegangen werden soll.

Sind stark u.a. von Erdbodeneigenschaften abhängig, sowie von der Konstruktion und von den DF4EU

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verwendeten Leitermaterialien. Die Erdverluste steigen zu tiefen Frequenzen hin, dadurch nimmt der Wirkungsgrad der Antennen ab.

Verluste auf der Zuleitung zur Antenne Nicht nur auf der Antenne treten Verluste auf, auch die Antennenzuleitung ist verlustbehaftet, bedingt durch ihre ohmschen Längs-Widerstände und durch das die Leiter isolierende Dielektrikum. (s.u). Verluste bewirken, dass HF- Energie in Wärme umgesetzt wird. So bedeutet ein Verlust von 3 dB, dass nur die Hälfte, also 50 % der Leistung die Antenne erreicht. Bei 6 dB, ist es nur ein Viertel, also 25 %. Das ist natürlich unerwünscht.

Verluste entstehen auch durch Fehlanpassung. Wird am antennenseitigen Ende Leistung zum Leitungsanfang reflektiert, so entstehen durch Überlagerung von hin- und rücklaufenden Wellen stehende Wellen. Diese verursachen u.U. hohe Spannungen und Ströme auf der Leitung, die zu erhöhten Verlusten führen. Diese Verluste sind frequenzabhängig. Der Dämpfungswert a dB 10MHz gilt für 10MHz. Die Dämpfung adB für eine beliebige Frequenz f in MHz beträgt näherungsweise adB ≈ a dB/10MHz

√

f 10

d.h., die Dämpfung ist proportional zur Quadratwurzel des Frequenzverhältnisses.

Anpassung Anpassung mit Leitungen Leitungseigenschaften Die Verbindung von Senderausgang zur Antenne geschieht über Leitungen. Diese dienen der Signal- und Energieübertragung. Zur Übertragung der Signale müssen sie für die eingesetzte Leistung und Frequenz geeignet sein und eine möglichst verlustfreie Energieübertragung ermöglichen. Dabei ist schon aus der Gleichstromtechnik bekannt, dass die Energieübertragung nur optimal ist, d.h. möglichst verlustfrei erfolgt, wenn Generatorinnenwiderstand und Lastwiderstand übereinstimmen. Dies ist der Zustand der Leistungsanpassung. Es wird die maximal mögliche Leistung übertragen.

Ersatzschaltbild mit Leitungsbelägen Bild 7 Schaltbild Verbindung vom Sender zur Antenne sowie Ersatzschaltbild DF4EU

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Am Leitungsanfang befindet sich der Sender (Generator) mit dem Eingangswiderstand R g. Am Leitungsende liegt der Lastwiderstand (Antenne) mit einem im allgemeinen komplexen Widerstand Leitungsbeläge Die Leitung ist gekennzeichnet durch die folgenden Parameter: Induktivitätsbelag H/m, Kapazitätsbelag F/m, Widerstandsbelag Ω/m, Ableitungsbelag S/m. Das sind die sogenannten Leitungsbeläge, aus denen sich alle weiteren Eigenschaften (Ausbreitungsgeschwindigkeit, Dämpfung, Verkürzungsfaktor etc.) der Leitung ermitteln lassen. (Siehe Bild 7)Mit den sogenannten Leitungsgleichungen lässt sich das Verhalten einer Leitung mathematisch exakt beschreiben, was jedoch recht aufwendig ist.

√ er

Induktionsbelag L'(H/m)

L' = L / l =

Kapazitätsbelag C' (F/m)

C' = C / l =

Z 0⋅

c0

1 √ er ⋅ Z 0 c0

Widerstandsbelag R' ( Ω/m)

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co= 3*10 m/s  Z0 = 120 π Ω =377 Ω rel. Dielektrizitätskonst. er

=1 Ableitungsbelag

G' ( S/m)

Ausbreitungsgeschwindigkeit v0 = Verkürzungsfaktor vr =

1 √e r

c0 , √e r

, mech. Länge = vr * elektr. Länge

Wellenwiderstand: Neben der Dämpfung ist der Wellenwiderstand die wichtigste Kenngröße einer Leitung. Der Leitungswellenwiderstand Z0 wird auch als charakteristische Impedanz bezeichnet – er lässt sich aus den Leitungsbelägen berechnen und ist unabhängig von der Länge der Leitung und vom Lastwiderstand.

Wellenwiderstand Z 0 =

√

R´ + jwL´ ≈ G´ + jwC ´

√

L' C'

Die Näherung gilt so für höhere Frequenzen und geringe Verluste.

Im Amateurfunkbereich werden hauptsächlich Koaxialkabel mit einem Wellenwiderstand von 50Ω eingesetzt.

Reflektionen Wenn der Generator eingeschaltet wird läuft eine Welle auf das Ende der Leitung zu. Spannungen und Ströme auf der Leitung richten sich dabei nach dem am Leitungsanfang wirksamen Eingangswiderstand und dem Wellenwiderstand der Leitung. Form und Größe der Leitung können sich beim Durchlaufen verändern durch Laufzeitunterschiede verschiedener Frequenzkomponenten oder durch Dämpfung (Verluste) der Leitung. Abhängig von den Werten des Lastwiderstandes im Zusammenwirken mit dem Wellenwiderstand kann die Welle am DF4EU

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Leitungsende reflektiert werden. Nur im Falle der Anpassung d.h. der Übereinstimmung von Wellenwiderstand und Lastwiderstand erfolgt keine Reflektion. In allen anderen Fällen läuft eine Welle zurück zu Generator und wird dort möglicherweise erneut reflektiert. Durch die Überlagerung von hin und rücklaufender Welle entstehen stehende Wellen auf der Leitung, die zusätzlich zur Grunddämpfung der Leitung zu weiteren erheblichen Verlusten (Zusatzverlusten) führen können und somit den Wirkungsgrad insgesamt stark verschlechtern können. Daher wird im allgemeinen ein Betrieb ohne Reflexionen angestrebt. Hierzu müssen die Wirkanteile möglichst übereinstimmen und die Blindanteile konjugiert komplex kompensiert werden. Dies geschieht mit Hilfe der Leitungstransformation oder sogenannten Anpassgeräten (Tuner) möglichst an der Antenne. Die Anpassung erfolgt dabei mit LC- Gliedern, wobei auf hochwertige Spulen (hohe Güte) zu achten ist. (s.u.)

Zur quantitativen Beschreibung der Reflektionen dienen die komplexen Reflektionsfaktoren am Anfang und am Ende der Leitung, bzw. dient das Stehwellenverhältnis.

Mit Z2 = Lastwiderstand, Z0 Wellenwiderstand Reflektionsfaktor Ur Uh

r2 =

=

Z 2−Z 0 Z 2+Z 0

komplex, Werte zwischen -1 und +1

Stehwellenverhältnis s, reell, auch SWV, VSWR (Voltage- Standing- Wave- Ratio), SWR (StandingWave-Ratio) genannt, s=

U min 1+∣r∣ = U max 1−∣r∣

=

∣Z 0∣ ∣Z 2∣ für Z2 <Z0 bzw. = für Z 2> Z0 reell, Werte zwischen 1 und ꚙ ∣Z 2∣ ∣Z 0∣

Daraus ergibt sich umgekehrt wieder s−1 │r │ = s+1 Leitungstransformation Aus der Leitungstheorie ergibt sich, dass der am Eingang einer Leitung vorhandene Widerstand abhängig von Leitungslänge und Wellenwiderstand am Ausgang als transformierter Widerstand erscheint. Dadurch kann die Impedanz an Anfang und Ende einer Leitung völlig unterschiedlich sein. So kann es erforderlich werden, um niedrige SWR- Werte zu erhalten und damit Zusatzverluste zu vermeiden, bestimmte Abhilfemaßnahmen vorzusehen. Z.B. könnte die Leitungslänge so variiert werden, bis sich der gewünschte Impedanzwert einstellt oder es werden die unerwünschten Impedanzanteile kompensiert. Für das Transformationsverhalten ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere sind bestimmte Leitungslängen wie die λ/2Leitung (1:1) oder λ/4-Leitung ( Kurzschluss in Leerlauf wandeln, u.umgekehrt) Ebenso lassen sich Wirk- oder Blindwiderstände bzw. auch komplexe Widerstände mit Leitungen beliebig transformieren.

Anpassung mit Netzwerken Es wird eine LC- Kombination so bestimmt, das die Wirkanteile von Leitung und Last möglichst DF4EU

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übereinstimmen und die Blindanteile konjugiert komplex kompensiert werden.

Die Berechnung kann wie hier gezeigt, mit geeigneter Software erfolgen (Lit. 4), alternativ auch mit Hilfe des Smith- Diagrammes. Damit sind wir wieder beim Thema.

Hilfsprogramme Mit der einführenden Erläuterung haben wir diverse Methoden zur korrekten Anpassung von Antennen kennengelernt. Hier geht es um Ein- und Ausgangswiderstände und Verluste von Speiseleitungen, die entweder bereits im Vorfeld bei Konstruktion und Aufbau einer Anlage oder auch im Nachhinein an bestehenden Anlagen überprüft werden sollen. So können u.U. teure und zeitaufwendige Fehler vermieden werden. Die erwähnten Hilfsprogramme liefern hierzu wertvolle Hinweise. Außerdem empfiehlt es sich, ein Antennensystem vor der Inbetriebnahme auch rechnerisch zu überprüfen, denn bereits bei geringen Sendeleistungen können an den Schaltelementen des Tuners, am Balun oder am Fußpunkt der Antenne gefährliche Spannungen von mehreren kV auftreten, die sogar bis zur Selbstzerstörung führen können. (Lit. 3, 4, 5) Die Bedienung der verschiedenen Hilfsprogramme ist nicht Gegenstand des Vortrages. Hierzu müsste ein separates Seminar veranstaltet werden. Es werden aus Zeitgründen nur Eingaben und Ergebnisse vorgestellt. Da das Programm von DL1JWD (Lit. 4) im Interner frei verfügbar ist, ist es jedem freigestellt, sich selbst damit vertraut zu machen. Dieser Vortrag soll nur in Bezug auf das SWR problembewusst machen, d.h. dass man SWR- Werten nicht ohne Prüfung trauen sollte!

Trügerisches SWR! Die Hilfsprogramme von DL1JWD ermöglichen eine einfache und anschauliche Ermittlung der Systemwerte.

Weitere Programme sind nachfolgend aufgeführt. Kursiv : Diese Programme sind Bestandteil von HamVNAS. Download siehe (Lit. 4).

Schwingkreis Dämpfungsglieder Anpassungsverluste Serien-Parallel-Transformation Stern-Dreieck-Transformation Pi- vs T-Koppler Kabelrechner Signalpegel und S-Meter Fußpunktimpedanz von Dipol und Groundplane Doppelzepp-Rechner 2.0 HamVNAS 1.3 HamTuning 1.2 OCF-Dipol Antennenanpassung Luftspulen Drosselresonanzen Bandpassfilter Norton-Verstärker Universeller Formelrechner Y-S-Transformation Trafo vs angezapfte Spule

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Durchführung einer Schaltungsanalyse Einführendes Beispiel in Anlehnung an die Übung 9 in der HamVNAS-Programmbeschreibung. (Lit. 4, S.30).

Hier soll eine Antennenanlage auf ihren Wirkungsgrad überprüft werden und mit Hilfe eines Anpassgliedes optimiert werden. Zur Berechnung der Anpassschaltung ist die Kenntnis der Fußpunktimpedanz (Eingangsimpedanz) der Antenne eine zwingende Voraussetzung. Um die maximal verfügbare Sendeleistung auszunutzen, muss die Antenne an den Innenwiderstand des Senders konjugiert komplex angepasst werden.

Die Antenne selbst ist nicht zugänglich, aber die Impedanz am Anfang des Speisekabel kann mit einem Vektoranalyzer gemessen werden. Über die Transformationsgesellschaften des Kabels lässt sich dann die Antennenimpedanz bestimmen. Siehe Bild

Bild 8 Messung der Antennenimpedanz Die zum Anfang der Leitung transformierte Antennenimpedanz wird mit dem Vektoranalysator am Kabelanfang gemessen. Dazu wird der Sender abgeklemmt. Der Antennenwiderstand wird vom Kabel je nach Länge des Kabel transformiert. Die Länge muss möglichst exakt bekannt sein.

Bei l = λ/2 erfolgt die Transformation mit 1:1. Der am Anfang gemessene Wert kann mit Hilfe der Leitungsgleichungen auf den Wert am Ende umgerechnet werden. Der Einfachheit halber verwenden wir hierzu den Kabelrechner von DL1JWD. Siehe hierzu Bild 9.

Nach Eingabe der entsprechenden Werte erhält man die tatsächliche Antennenimpedanz Z A= 19,076 -j619,788 in Ohm. Wenn man die Anlage so (Antenne direkt am Sender) betreiben würde, würde sich ein SWR = 39,39 einstellen, die Verluste würden 90,34% entsprechend 10,15dB betragen, d.h. im Sender verheizt. Es würden nur 9,66% abgestrahlt. (Siehe Werte in Bild 9).

Die Genauigkeit der Berechnung hängt stark von den eingegebenen Werten ab, besonders die Kabellänge ist sehr wichtig. Bei l=0 transformiert die Leitung natürlich nicht, man erhält nur die Ersatzschaltung der an den Kabelanfang transformierten Antennenimpedanz.

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Bild 9 Kabelrechner mit den Beispieldaten (l=15m) (Lit. 4) Verwendung eines Anpassungsgliedes Zunächst bestimmen wir noch das Ersatzschaltbild des transformierten Antennenwiderstandes Ze = Re + jXe = 1,35Ω +j 12,6Ω, das für die Berechnung benötigt wird. Mit dem Kabelrechner erhalten wir mit sonst gleichen Daten für die Länge l = 0 R a = 1,35Ω und La = 0,549μH. (Bei l = 0 erfolgt keine Transformation). Zur Verringerung der Verluste durch Fehlanpassung fügen wir jetzt ein Anpassungsglied (= Antennenkoppler) zwischen Sender und Anfang des Antennenkabels ein. Das Programm bietet hierfür verschiedene Möglichkeiten, siehe Bild 10 . (Lit. 3)

Bild 10 Antennenkoppler zur Auswahl im Programm AWA (Lit. 3)

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Obwohl, wie sich durch eine Analyse leicht feststellen lässt, alle Varianten nahezu gleichwertig sind, entscheiden wir uns für die Variante oben links, da es sich um die für viele Antennenkoppler typische Grundschaltung handelt.

Die gewählte Anpassungschaltung können wir im HamVNAS- Programm einsetzen und die Verlustanalyse mit den vorgegebenen Werten durchführen. Der Koppler wird probeweise am Kabelanfang eingesetzt. Dies ist an dieser Stelle vom Programm so vorgegeben.

Bild 11 Verlustanalyse mit HamVNAS (Lit. 3)

Auswertung Man kann zwischen der Darstellung als Balkendiagramm, der Angabe in Prozent und in dB wechseln. Von links nach rechts sind dargestellt - die Verluste durch Fehlanpassung (entstehen durch SWV > 1), sehr geringe Verluste - die Verluste in der Anpass- Schaltung (entstehen durch die endliche Spulengüte), kleine Verluste - die Verluste im Speisekabel (entstehen durch die Grunddämpfung und durch die SWV bedingte Zusatzdämpfung). Sehr große Verluste!

- der grüne Balken (53) ganz rechts zeigt die im Strahlungswiderstand der Antenne umgesetzte Leistung (Transmission bzw. Wirkungsgrad). Sieht schlecht aus! Die Antenne setzt nur 9,7% der zugeführten Leistung in Strahlung um!

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Fazit: Auch relativ hochwertiges Kabel bewahrt nicht vor hohen Verlusten, trotz des sehr guten SWV am Senderausgang kommen nur 9,7% der maximal verfügbaren PA- Leistung hinten an. Satte 89,2% (10,12dB) gehen im nur 15m langen RG-213 verloren, obwohl dessen Grunddämpfung bei 3,65MHz lediglich ca. 0,2dB beträgt. Schuld an der Misere ist das extreme antennenseitige SWR = 405 und die dadurch bedingte enorme Zusatzdämpfung von ca. 10dB!

Es wäre wohl besser, die Anpassung an der Antenne vorzunehmen!

Dazu muss die Schaltung verändert werden. Das Anpassglied soll direkt an der Antenne sein. Das erlaubt das Programm aber so nicht. Es fordert, dass ein Anpassglied nur über ein Kabel angeschlossen werden darf. Deshalb muss zunächst ein Dummy dazwischengeschaltet werden, d.h. ein Kabelstück mit der Länge l=0. Die Werte von RE und XE werden übernommen. Über Kopplerauswahl wird nun wieder einer der 4 Koppler nach Belieben ausgewählt. Am besten eine von den Bauelementen her leicht zu realisierende Schaltung, beispielsweise Koppler 2 (LCKombination mit kleinen Bauteilwerten). Hierfür wird mit START die Einstellung mit dem niedrigsten SWV erzeugt.

Nun muss nur noch die Speiseleitung eingefügt werden. Hier werden die elektrischen Parameter für RG-213 und die Länge 15m zugewiesen. Nach Anklicken von Verluste wird die Verlustanalyse angezeigt.

Bild 12 System mit Koppler an der Antenne Die Auswertung erfolgt wieder mit HamVNAS (Lit. 3) . In Bild 13 ist das komplette Fenster dargestellt.

Die 15m-Speiseleitung wirkt sich nur mit ihrer Grunddämpfung aus (Eingangs- SWR = 1,05, praktisch stehwellenfrei!) Speiseleitung und Anpassglied haben zusammen nur 0,4dB Verluste.

(0,89%). Die Antenne strahlt 91,9% der Sendeleistung ab. Bei P = 100W würden also ca. 92% abgestrahlt! Etwa der gleiche Wert wurde im 1.Beispiel im Kabel verbraten!

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Bild 13 Verlustanalyse mit HamVNAS (Lit.4) Literaturangaben Lit. 1 Martin Ehrenfried G8JNJ, A new design of broadband HF vertical Antenna, May 2014 RadCom Lit. 2 Ulrich Gerlach DF4EU, TC2M-Breitband Antenne fĂźr Kurzwelle https://issuu.com/radiom05/docs/tc2m-reusenantenne Lit. 3 Walter Doberenz DL1JWD, SWR gut, alles gut? CQ DL 4-2019, S.28 Lit. 4 Walter Doberenz DL1JWD, Software HamVNAS 1.3 Lit. 5 Walter Doberenz DL1JWD, Homepage http://www.dl1jwd.darc.de/

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