Anstelle der Verwendung einer Endstufe lohnt sich vielleicht ein Blick auf mögliche Verluste von HF-Energie auf dem Wege vom Sender bis zur Antenne. Meist hat es in einer Antennenanlage mehrere Elemente, wo man unwissentlich oder aus Nachlässigkeit zum Teil beträchtlich Leistung verliert. Eine Analyse des Systems "Koppler-Antennenzuleitung-Antenne" auf mögliche, zu grosse Verluste kann hier sinnvoll sein. Die vollständige Optimierung einer Antennenanlage ist leider in vielen Fällen durch räumliche und bauliche Bedingungen eingeschränkt. Um auch mit einer in diesem Sinne eingeschränkten Antennenanlage eine Optimierung zu erreichen, empfiehlt sich eine messtechnische Analyse der Antenne und eine darauf basierende Auswahl von Antennenzuleitung und Art der Koppelung. Hierzu möchte ich als Beispiel die Analyse und Berechnung meiner Antennenanlage vorstellen.

Folgende räumliche und bauliche Einschränkungen sowie Anforderungen bestehen für meinen Multibanddipol:

     -  Die Antenne wird für 80m, 60m und 40m, und als Erweiterung eventuell für 160m konzipiert
     -  Die Platzverhältnisse erlauben einen Dipol von maximal 2 x 17 m Schenkellänge unter Verwendung einer leichten inverted-V Form. Die maximale Antennenhöhe ist am
         Speisepunkt 8 m über dem Boden (gleich hoch wie das Flachdach des Dachgeschosses des Hauses), die Dipolenden gehen zu Stangen 4.5 m über dem Boden.
    -  Die horizontale Distanz des Dipoleinspeisepunktes zur Metallumfassung des Flachdaches beträgt nur 1.5 m, die Dipolenden sind 6 m von der Hausfassade weg.
    -  eine 2.7m lange parallele Doppelleitung vom Einspeisepunkt bis zum Koppler kann realisiert werden.
    -  Die Kabeldurchführung ins Haus ist aus baulichen Gründen nur mit einem 10m langen Koaxialkabel (H155) möglich.

Aus obigen Bedingungen resultiert ein relativ tief aufgehängter Multiband-Dipol, der wegen der geringen Aufbauhöhe NVIS-Eigenschaften aufweist. Die geringe Aufbauhöhe und die Nähe zum Haus mit dessen vielen Metallelementen (metallene Dach- und Brüstungsumfassungen sowie Metallgeländer) wirken sich auf die Fusspunktimpedanz des Dipols aus. Der Dipol kann auf 160m durch Kurzschluss der Hühnerleiterenden und mit einem einarmigen Betrieb im Koppler auch asymmetrisch als T-Antenne gegenüber Erde betrieben werden. Der Energietransport auf dem Koaxialkabel vom Sender zum Koppler erfolgt im "matched line Modus", es treten also hier keine zusätzlichen Verluste durch Reflexion (Fehlanpassung) auf.

Als erstes muss die Eingansimpedanz an der 2.7m langen 600 Ω Hühnerleitung gemessen werden. Es wurde bewusst eine eine breite 600 Ω Leitung und nicht eine 450 Ω Wireman ausgewählt, da bei letzterer bei Regen unter Umständen grosse Verlust auftreten können (im Extremfall bis zu 3 - 4 dB !).
Mit dem miniVNA messe ich folgende Impedanzen:


Für die nun nötige Auswahl des Aufbaus des Kopplers habe ich Folgendes berücksichtigt:

Der Koppler muss einen symmetrischen Betrieb gewährleisten. Prinzipiell gibt es die Möglichkeit, einen symmetrischen Koppler zu verwenden, oder einen asymmetrischen Tuner mit einer Symmetrierung. Letztere Variante ist einfacher aufzubauen und funktioniert genauso gut. Dazu ist jedoch ein Balun nötig. Zum Balun und zu Mantelwellensperren möchte ich eine Bemerkung machen. Beim Balun (oder einer Mantelwellensperre) treten oft viel grössere Verluste auf als gemeinhin angenommen. Entsprechende Berechnungen müssen jedoch durchgeführt werden. Nach Berechnungen von DL3LH sind je nach Situation (Frequenz, Impedanztransformation, Symmetrierung) sehr hohe Verluste durchaus möglich. So habe ich mich für die Konstruktion eines symmetrischen Tuners entschieden, mit der Möglichkeit, wenn möglich einen Balun weglassen zu können.

Im weiteren muss die Art des LC-Anpassnetzwerk bestimmt werden. Beliebt sind aus verschiedenen, und durchaus auch guten Gründen, vor allem die T- oder Pi-Anpassung. Ueber die Vor- und Nachteile jedes dieser Kopplerarten gibt es viele Veröffentlichungen. Ich habe mich für ein einfaches LC-Netzwerk entschieden. Ein solches ist die einfachste, sicherste und verlustärmste Variante. Das einfache LC-Netzwerk ist eindeutig bei der Abstimmung, erlaubt nicht mehrere und vor allem keine Kamikaze-Einstellungen, und weist gegenüber dem Pi-Filter oder der T-Anpassung oft geringere Verluste auf.

Aufgrund der mir nun vorliegenden Messwerte der Eingangsimpedanz an der Hühnerleiter und nach dem Entscheid für einen symmetrischen LC-Koppler können nun die Verluste vorausberechnet werden. Daraus ergibt sich, dass hier eine Hochpassvariante (mit C seriell und L parallel) am wenigsten Verluste macht. Die Berechnung eines Konzept mit einem asymmetrischen Tuner und dafür mit einem (Luft-)Balun am Ausgang ergab teilweise grosse zusätzliche Verluste von >1 dB. Die Antennensituation hier verlangt somit einen symmetrischen Koppler, und, wenn möglich ohne Balun.

In welchen Situationen kann nun ein Balun weggelassen werden?
Die symmetrische Speisung wird mit der Verwendung eines symmetrischen Kopplers erreicht (Abbildung 1). Das Problem sind allfällige rückläufige Gleichtaktanteile, welche wegen gewissen Asymmetrien im Speiseleitung-Antennensystem auftreten und sich am Uebergang vom Koaxialkabel zur symmetrischen Struktur manifestieren. Diese gilt es zu eliminieren oder abzuleiten.
Nach W8JI kann bei einer einigermassen symmetrischen Antennenanlage und unter der Verwendung eines symmetrischen Kopplers unter Umständen auf einen Balun verzichtet werden. Walter, DL3LH hat zudem folgende Bedingungen zum möglichen Weglassen eines Baluns erwähnt: der Ausgleich allfälliger Gleichtaktanteile erfolgt bei Verwendung einer Hochpasskonstellation mit galvanischer Koppelung der beiden Schenkel der Paralleldrahtleitung über die parallel liegende Induktivität (Abbildung 2a), oder die Ableitung der Gleichtaktanteile bei der Verwendung einer Tiefpasskonstellation wird mit zwei mittig geerdeten Drosseln oder Widerständen erreicht (Abbildung 2b). Auch diese letzte Variante führt gemäss den Berechnungen zu praktisch nicht relevanten zusätzlichen Verlusten.
Aufgrund der Erfordernisse habe ich einen manuell fernsteuerbaren, symmetrischen Cs-Lp-Koppler in Hochpasskonfiguration unter Weglassen eines Baluns gebaut (Abbildung 4; Bild 1). Bei der Realisation der Kopplers kommt eine Abwandlung des Christiankopplers in Hochpassschaltung zum Zuge, mit nur einer L-Bank (in Parallelschaltung), sowie einer Erweiterung der beiden C-Banken (je in Serie) um jeweils eine zusätzliche Schaltstufe von je 800 pF (was dann 1'597 pF pro C-Bank ergibt). Damit lässt sich eine wegen der Serieschaltung der Kapazitäten resultierende Gesamtkapazität von doch 798 pF erreichen, wie ich sie hier aufgrund der Eingangsimpedanz an der Hühnerleiter brauche. Der Koppler ist ohne Balun aufgebaut.
Die Kopplereinstellung erfolgt ferngesteuert, wobei ich eine vereinfachte Ansteuerung zur Steuerung der Relais realisiert habe (Bild 4).

(Der Christiankoppler wird unter https://www.darc.de/der-club/distrikte/e/ortsverbaende/39/bauprojekte/christian-koppler/ genauer beschrieben).

Die praktische Testung zeigt ein völlig problemloses Verhalten des Kopplers, von möglichen Gleichtaktströmen mit vagabundierender HF im Shack lässt sich nichts feststellen. Die Symmetrie der Speisung zeigt Bild 3. Die Berechnung dieser so konzipierten Anlage ergibt folgende geringe Verlustwerte wie in Tabelle 2 dargestellt. Wie die Tabelle 2 zeigt, gelangen bei 100 Watt Ausgangsleistung auf dem 80m-Band doch 80 bis 92 Watt und auf dem 40m-Band 80 Watt zur Antenne. Wenn man auf dem 60m-Band beim Sender 17.25 Watt Ausgangsleistung einstellt, erreichen 15 Watt die Antenne. Diese Werte sind tolerabel, wenn man die, - durch die tiefe Aufhängung und die Nähe zu den Metallelementen des Hauses bedingte -, tiefe Fusspunktimpedanz am Dipol berücksichtigt (Tabelle 1). Das symmetrische CL-Anpassnetzwerk muss auf 80 m einen tiefen Realwiderstand herauftransformieren und auf den beiden höheren Bändern grössere komplexe Anteile ausgleichen.

Durch einen Balun zur Elimination von Gleichtaktanteilen würde eine zusätzliche Verlustquelle eingefügt. Wir haben hier versuchsweise zur Symmetrierung einen 1:1 Luftbalun von 3.5 µH (Güte Q = 100, k = 0.92) am Kopplerausgang eingefügt und die dabei entstehenden zusätzlichen Verluste berechnet: 0.19 dB auf 80m, 2.3 dB auf 60m und 1.85 dB auf 40m. Solche doch beträchtlichen Zusatzverluste können wegen der Art der symmetrierenden Anpassschaltung nun mit dem Weglassen eines Baluns vermieden werden. Würde der Balun am Kopplereingang eingesetzt, wären die Verluste durch den Luftbalun selbst zwar kleiner, der Gesamtverlust wäre jedoch auf 60m (1.04 dB) und auf 40m (1.55 dB) wegen grösseren Verlusten im LC-Glied doch um einiges grösser als mit der gewählten Variante ohne Balun.
Am Kopplereingang kann, wenn nötig, praktisch ohne zusätzliche Verluste, eine koaxiale Mantelwellensperre Typ W1JR (9 Windungen RG142 auf einem Ringkern FT240-31), oder ein Typ nach W2DU, eingesetzt werden (Abb. 4). Eine solche beeinflusst den Energietransport der Gegentaktanteile im Innern des Koaxialkabels und die Impedanzabschlussverhältnisse am Ende des Koaxialkabels für die Gegentaktanteile nicht. Ähnliche Sperren werden auch bei käuflichen Modellen (MFJ 974 HB, BX-1200) verwendet. Ich habe die Typ-W1JR-Mantelwellensperre zusätzlich eingesetzt, auch wenn ich, vielleicht aufgrund der sonst schon guten Symmetrie in meinem Antennensystem, keinen Unterschied zum Betrieb ohne diese Sperre feststellen kann.
Wie man zudem aus der Tabelle ersehen kann, verursacht das Koaxialkabel einen beachtlichen Anteil der Verluste, auch wenn es selbst nur 10m lang ist und nur im "matched line Modus" betrieben wird und so keine zusätzlichen Verluste durch Reflexion (Fehlanpassung) verursacht werden.

Der Wirkungsgrad dieses Multibanddipols, also der Antenne selbst, ist hier noch nicht berechnet und muss natürlich für die tatsächlich in den Raum abgestrahlte HF zusätzlich berücksichtigt werden. Vor allem auf 40m hat die hier als Ganzwellendipol arbeitende Antenne einen höheren Antennengewinn, der gewisse Verlust wieder wettmacht.
Der beschriebene Koppler wird auch für meine vertikale Loop von 14 MHz bis 28 MHz verwendet. Für 1.8 MHz verwende ich den Koppler einarmig mit nur einer C-Bank als asymmetrischen LC-Koppler und betreibe den Dipol am kurzgeschlossenen Hühnerleitereingang als T-Antenne gegen Erde. Beides funktioniert sehr gut.


Ein grosser Dank gebührt Walter, DL3LH, für die Mithilfe zur Planung und Berechnung der Antennenanlage.

Ein sehr gutes Programm zur Berechnung der Verluste stellt übrigens Walter, DL1JWD, zur Verfügung: "kleiner Netzwerkanalysator" unter : https://dl1jwd.darc.de





Andere Verhältnisse am Hühnerleitereingang finden sich im Italien-QTH. Dort kann ein fullsize-Dipol mit 2 x 20 m (19,5m) Länge in 10 Meter Höhe aufgehängt werden. Dafür braucht es aber zur Speisung eine 8m lange 600 Ω Doppelleitung, also länger als im obigen Beispiel (wo atypischerweise eine sehr kurze Speiseleitung nötig ist).

Mit dem EZNEC lassen sich die folgenden Eingangsimpedanzen berechnen:




Wie aus der Tabelle 3 ersichtlich ist, sollte hier ein Antennenkoppler in Tiefpasskonstellation mit der Induktivität in Serie und der Kapazität parallel gewählt werden. Der Grund liegt bei den sonst im 80m-Band nötigen hohen Induktivitäten (von bis zu 123 µH; siehe letzte Spalte rechts). Dies aufgrund der Transformation der Impedanz durch die Hühnerleiter. Bei einem symmetrischen Koppler bedeutet eine Tiefpassvariante ein Mehraufwand in der Konstruktion, da die Spulen alle doppelt angefertigt werden müssen. Da für die Induktivitäten jedoch eine Serienschaltung vorliegt, ergibt sich pro Seite jeweils nur die halbe Induktivität, was die Spulengrösse wiederum reduziert.

Wie anhand dieses Beispiels ersichtlich ist, lohnt es sich vor dem konkreten Aufbau der Antenne, die zu erwartenden Impedanzen an der Antenne, und die durch die Impedanztransformation durch die Hühnerleiter am Eingang derselben zu erwartende Impedanz, zunächst mit dem EZNEC zu berechnen. Danach kann die Anpassung der jeweiligen komplexen Last vorausbestimmt werden, was für die Wahl des geeigneten Kopplers wegweisend wird.





Giorgio, HB9AWJ   ( Kontakt: hb9awj [at] de-suisse.ch )