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Optimierung der Verluste bei der Antennenanpassung mit einem symmetrischen Antennenkoppler (mit Fernabstimmung). Frage der Notwendigkeit eines Baluns ? Mantelwellensperre ?
Optimization for low loss antenna matching using a symmetric antenna coupler with remote tuning. Need of a balun ? common mode choke ?
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:



Tabelle 1:

Gemessene Eingangsimpedanzen des oben beschriebenen Dipols mit 2 x 17 m mit einer 2.7m langen 600 Ω Speiseleitung.
Die Impedanzen am Einspeisepunkt des Dipols wurden interessehalber berechnet.
Frequenz  Eingangsimpedanz an der 600 Ω Doppeldrahtleitung Impedanz am Fusspunkt des Dipols
(gemessen mit miniVNA pro) (berechnet mit TLDetails)
MHz
3.5 18 - j 168 21 - j 319
3.65 20 - j 90 22 - j 235
3.8 47 - j 59 51 - j 206
5.358 290 + j 1280 106 + j 631
7.1 630 - j 2230 983 + j 2760

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. Zu Balun und Mantelwellensperren möchte ich zunächst noch eine Anmerkung bezüglich der verwendeten Begriffe machen:

Ich unterscheide hier im Folgenden zwischen dem Begriff eines Baluns und dem einer Mantelwellensperre (common mode choke). Diese Differenzierung wird nicht überall gleich gehandhabt und führt deshalb auch zu Verwirrung. Ein Balun ist so aufgebaut und dient dazu, eine Symmetrierung herbeizuführen. Die Mantelwellsperre in der Zuleitung dient als Drossel, um Gleichtaktanteile gegen den Sender hin zu unterdrücken. Natürlich kann unter Umständen auch mit einer Mantelwellensperre eine Symmetrierung erzwungen werden. Einen solchen Fall betrachte ich hier nicht. Ich verwende hier den Begriff Mantelwellensperre nur als Gleichtaktdrossel.

Bei einem Balun 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. Es stellt sich aber noch die Frage, ob eine Mantelwellensperre in der Zuleitung nötig ist oder nicht.

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 Kopplerausgang ergab teilweise grosse zusätzliche Verluste von >1 dB. Die Antennensituation hier verlangt somit einen symmetrischen Koppler, und, wenn möglich ohne Balun, aber dafür wenigstens einer Mantelwellensperre in der koaxialen Zuleitung.

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. Sollten trotz dieser Massnahmen Probleme auftreten, kann man am Tunereingang eine Mantelwellensperre einsetzen.
Schema Symmetrierung
Abbildung 1:   generelles Prinzipschaltbild für                          eine Symmetrierung
Schema Gleichtaktausgleich
Abbildung 2 a:      Cs - Lp - Konfiguration:


Die Induktivität liegt parallel. Gleichtaktströme können über die galvanische Verbindung der Spule ausgeglichen werden
 Ableitung Gleichtaktanteile
Abbildung 2 b:      Ls - Cp - Konfiguration:

Ein Ausgleich der Gleichtaktanteile ist über die parallelliegende Kapazität nicht möglich. Deshalb erfolgt die Ableitung über mittig geerdete 2.7 kΩ Widerstände (oder über 2.5 mH Drosseln)
Aufgrund der Erfordernisse habe ich einen manuell fernsteuerbaren, symmetrischen Cs-Lp-Koppler in Hochpasskonfiguration unter Weglassen eines Baluns, aber mit einer Mantelwellensperre bei der Zuleitung gebaut (Abbildung 3; 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.
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, egal ob eine Mantelwellensperre verwendet wird oder nicht. Die Antenne scheint somit eine gute Symmetrie aufzuweisen. Es wurde hier jedoch ein Gehäuse aus Kunststoff verwendet. Wird der symmetrische Koppler in einem Metallgehäuse untergebracht, ist schon aufgrund theoretischer Ueberlegungen als auch nach meiner praktischen Erfahrung eine Mantelwellensperre zwingend nötig. Die Mantelwellensperre muss in einem solchen Fall den von der Masse isoliert aufgebauten HF-Teil mit den Kondensatoren und den Spulen von der Masse des Gehäuses entkoppeln.
 
Abbildung 3:

Aufgrund der Serieschaltung der Kapazitäten von C und C' ergibt sich eine maximal einstellbare Gesamtkapazität von 798 pF,br /> mit einer Abstufung von jeweils
1.55 pF.

Die Induktivität ist in Schritten von 0.25 µH einstellbar, von 0.25 µH bis 31.75 µH .

Am Eingang des Kopplers ist eine Mantelwellensperre nach W1JR eingesetzt; der Energietransport der Gegentaktanteile wird dadurch nicht gedämpft.
 symmetrischer Koppler mit Mantelsperre


Tabelle 2:

Dipol 2 x 17 m  (leichte inverted-V Form),
4.5m bis 8 m (Fusspunkt) über dem Boden,
2.7 m 600 Ω Paralleldrahtspeiseleitung,
Güte für Kondensator und Spule:
QC = 500, QL = 100,
10 m Koaxialkabel (H 155) Sender zu Koppler

 

 

MHz

Eingangsimpedanz

Paralleldraht-

leitung 600 Ω

Verlust

HL 600 Ω

CL-Netzwerk (Hochpass)

 

C           L

Verlust

CL-Netzwerk

Verlust Koaxial-kabel 10 m H155

(matched line loss)

Total

Verluste

 

dB

pF         µH

dB

dB

dB

3.500

18 - j 168

0.100

256  ;   3

0.66

0.20

0.960

3.650

20 - j 90

0.094

306   ;   2

0.33

0.20

0.624

3.800

47 - j 59

0.041

798 ;   1.25

0.12

0.20

0.361

5.358

290 + j 1280

0.015

  56  ;   27

0.35

0.25

0.615

7.100

630 - j 2230

0.002

   31  ;  10

0.74

0.28

11.022

Die Berechnung dieser so konzipierten Anlage ergibt folgende geringe Verlustwerte wie in Tabelle 2 dargestellt. Die Symmetrie der Speisung zeigt Bild 3.

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 (bei einem Metallgehäuse zwingend), praktisch ohne zusätzliche Verluste eine koaxiale Mantelwellensperre Typ W1JR (z. B. 9 Windungen RG142 auf einem Ringkern FT240-31), oder ein Typ nach W2DU, eingesetzt werden (Abb. 3). Eine Mantelwellensperre beeinflusst weder den Energietransport der Gegentaktanteile im Innern des Koaxialkabels, noch beeinflusst sie am Uebergang zwischen Koaxialkabel und dem symmetrischem Tuner die Impedanzabschluss-
verhältnisse für die Gegentaktanteile. Ähnliche Sperren werden auch bei käuflichen Modellen (MFJ 974 HB, BX-1200, Palstar BT1500A) verwendet. Ich habe die Typ-W1JR-Mantelwellensperre zusätzlich eingesetzt, auch wenn ich, vielleicht aufgrund der sonst schon guten Symmetrie in meinem Antennensystem und dem Kunststoffgehäuse, 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.








Bild 1:

Der symmetrische Koppler mit einer C-Bank für jeden Arm (in Serieschaltung), eine L-Bank parallelgeschaltet in der Mitte, kein Balun.
Für den Einsatz im Aussenbereich gegen Wasser und Feuchtigkeit besteht eine entsprechende Abdichtung.
Es handelt sich um eine Abwandlung des bekannten Christian-Kopplers (von DL3LAC).

Die Fernsteuerung der Relais für die Kapazitäten und Induktivitäten erfolgt im Shack mit Schiebeschaltern (Einstellmöglichkeiten siehe Abbildung 4 und Bild 4)
abgewandelter Christiankoppler





Bild 2:

Der symmetrische Koppler im Aussenbereich.
symmetrischer Koppler im Aussenbereich






Bild 3:

Kontrolle der Symmetrie mit zwei Fahrradlämpchen in der Speiseleitung.
Symmetriekontrolle mit Laempchen








Bild 4:

Für die Steuerung der Relais werden Schiebeschalter verwendet. Es sind für die drei gewünschten Bänder nur wenige Einstellungen nötig und diese können auf der Liste nebenan schnell abgelesen und eingestellt werden.
Steuereinheit Relais
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


___________________________________________


Ein zweites Beispiel:



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:


Frequenz



MHz
Impedanz am Dipol-Fusspunkt



Impedanz am Eingang der 600 Ω Doppeldrahtleitung

Impedanzanpassung bei Tiefpass
(L in Serie / C parallel)

µH  /  pF
Impedanzanpassung bei Hochpass
(C in Serie / L parallel)

µH  /  pF
3.5 46 - j48  64 + j356  14  /  264 123  /  144
3.65 53 + j27  92 + j492  16  /  202  61  /  119
3.8 62 + j104  140 + j666  17  /  162 42  /  104
5.36 364 + j1160  286 - j1010  13  /  40 9.3  /  68
7.1 5400 - j1679  67 - j175  3.5  /  20 2  /  146
10.1 104 - j437  425 + j1292  7.3  /  45 11  /  34
14.18 3033 + j1409  241 + j674  3.6  /  49 6.5  /  35
18.1 96 - j181  92 - j146  1.0  /  20 0.73  /  75
21.2 1747 + j1633  441 - j1019  2.8  /  14 2.2  /  21
24.95 122 - j413  145 + j461  1.8  /  35 4.3  /  23
28.5 1419 + j1408  127 + j56  0.4  /  69 0.9  /  78
Tabelle 3:

Impedanzverhältnisse an dem Dipol 2 x 19.5 m auf
10 m Höhe, Kupferdraht 1.13mm Durchmesser (FL-Litze), und 8m langer symmetrischer 600 Ω -Speiseleitung


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.



Bilder 5 und 6:

Mein Eigenbau des Tuners in den Bildern rechts zeigt den symmetrischen Antennenkoppler als Tiefpassvariante mit zwei gleichen Spulen-Bänken links und rechts und in der Mitte mit der Kapazitätseinheit. Mit Steckverbindungen lässt sich die Kapazität sowohl für eine hochohmige oder eine niederohmige Anpassung schalten. Am Tunereingang liegt eine Mantelwellensperre (nach W1JR) mit 12 Windungen RG-142 auf einem FT240-31 Ringkern.

Die Induktivitäten sind in einer Kaskade mit Schiebeschaltern einstellbar (0.015 µH – 0.03 µH – 0.06 µH – 0.125 µH – 0.25 µH – 0.5 µH – 1 µH – 2 µH – 4 µH – 8 µH). Die zwei 8µH-Spulen wurden aus Platzgründen mit Ringkernspulen (T157-2) gefertigt. Die maximale Induktivität beider Seiten in Serie beträgt 31.96 µH.

Der parallelgeschaltete Drehkondensator hat maximal 100 pF. Parallel zuschaltbar sind mit den Schiebeschaltern in der Mitte Kapazitäten von
50 pF, 100 pF, 200 pF, 300 pF sowie 700 pF, womit insgesamt1450 pF zur Verfügung stehen.


Das Bild rechts zeigt die symmetrische LC-
Einheit vor dem Einbau in das Gehäuse.
symmetrischer Koppler in Tiefpasskonstellation
LC-Block des symmetrischen Kopplers




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