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ANTENNENANPASSUNG WARUMWANN

WIEWO

Ein Vortrag von

Heinz Bolli, HB9KOF

Dem DARC zu seinem 60. Geburtstag gewidmet18. September 2010

Bild: DO1MDE

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ANTENNENANPASSUNG - WARUM

• Physikalischer Grundsatz:• Die optimale Übertragung von Energie von einem

Erzeuger zu einem Verbraucher stellt sich nur ein, wenn deren Innenwiderstände gleich sind.

• Ist diese Gleichheit gegeben, spricht man von Leistungs- oder Impedanzanpassung.

• Bei rein ohmschen Widerständen lautet die Formel Ra = Ri.

• Bei Impedanzen, wenn also kapazitive oder induktive Blindwiderstände auftreten, müssen diese zueinander komplex konjugierte Werte annehmen.

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ANTENNENANPASSUNG - WARUM

• Beispiel:

Uo = GeneratorspannungRi = Innenwiderstand QuelleRa = LastwiderstandUa = LastspannungIa = LaststromPo = Generator-VerlustleistungPa = AusgangsleistungPtot = Gesamtleistung

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ANTENNENANPASSUNG - WANN

• Wenn Fehlanpassung „problematische“ Folgen zeigt.• Folgen von Fehlanpassung:• Mangelhafte Leistungsauskopplung aus dem

Generator. • Anpassung 1 ► 100%, 1.5 ► 67%, 2 ► 50%, 3 ► 33%• Vermehrte Beanspruchung der

Übertragungselemente durch Überhöhung von Spannungen und Strömen (stehende Wellen).

• Zusätzliche Verluste auf Übertragungsleitungen zufolge mehrfachem Signaldurchlauf.

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ANTENNENANPASSUNG - WANN

• Entstehung und Wirkung stehender Wellen.• Fehlanpassung führt zu Energie-Reflektionen.• Reflektionen führen zur Leistungs-Rücklauf.• Die rücklaufende Welle und die vorlaufende Welle

bilden Interferenzen.• Interferenzen führen zu stehenden Wellen.

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ANTENNENANPASSUNG - WIE

• Anpassung heisst Angleichung von Quellen- und Lastimpedanz durch Transformation.

• Generatoren benötigen reelle Lasten, nur diese übernehmen die produzierte Wirkleistung.

• Lasten mit hohen Blindanteilen sind zu vermeiden.• Blindenergie belastet die Systeme, bewirkt aber

keinen Leistungsfluss.• Blindwiderstände (Reaktanzen) sind zu kompensie-

ren. Fachbegriff: Komplex konjugierte Anpassung. Prinzip: Kompensation einer kapazitiven Reaktanz durch eine induktive Reaktanz und umgekehrt.

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ANTENNENANPASSUNG - WIE

• Die Lösung: • Ein Anpass-Netzwerk, welches sowohl die

Transformation der Widerstände als auch Kompensation der Blindanteile erlaubt.

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ANTENNENANPASSUNG - WIE

• Anpass-Schaltungen:• Konventionelle Transformatoren.• Vorteil: Einfacher Aufbau mit Luftspulen oder mit

magnetischen Werkstoffen (Eisenpulver / Ferrit).• Vorteil: Jedes Transformationsverhältnis machbar.• Geeignet auch zum Symmetrieren (Balun).• Nachteil: relativ frequenzabhängig.• Nachteil: keine Reaktanzkompensation.• Nachteil: Gefahr magnetischer Sättigung (bei Eisen-,

bzw. Ferritkernen), insbesondere durch Blindstrom.

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ANTENNENANPASSUNG - WIE

• Anpass-Schaltungen:• Leitungstransformatoren.• Widerstandstransformation typischerweise 1:1, 1:4,

1:9 usw.• Geeignet auch zum Symmetrieren (Balun).• Vorteil: Relativ breitbandig.• Vorteil: Keine hohen magnetischen Flüsse, daher

kleine Abmessungen. Sättigungsgefahr geringer (gilt nur bei Stromgleichheit in beiden Spulen).

• Nachteil: keine Reaktanzkompensation.

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ANTENNENANPASSUNG - WIE

• Anpass-Schaltungen:• Anpassnetzwerke mit Reaktanzen, L/C-Netzwerke.• Vorteil: Einfacher Aufbau, nur 2 Reaktanzen nötig.• Bei Verwendung variabler Elemente geeignet für

variable Frequenzen, bzw. Impedanzen.• Vorteil: Weiter Anpassbereich.• Vorteil: Reaktanzkompensation möglich.• Nachteil: Je nach Impedanzverhältnis Umschaltung

der L/C-Konfiguration nötig.

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ANTENNENANPASSUNG - WIE

• Anpass-Schaltungen:• Anpassnetzwerke mit Reaktanzen, Pi-Netzwerke.• Bei Verwendung variabler Elemente geeignet für

variable Frequenzen, bzw. Impedanzen.• Vorteil: Weiter Anpassbereich.• Vorteil: Reaktanzkompensation möglich.• Vorteil: Kein Umschalten der L/C-Konfiguration

nötig.• Nachteil: Mitunter sehr grosse C-Werte nötig.• Nachteil: Mehrdeutige Resultate, Güte kontrollieren!

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ANTENNENANPASSUNG - WIE

• Anpass-Schaltungen:• Anpassnetzwerke mit Reaktanzen, T-Netzwerke.• Bei Verwendung variabler Elemente geeignet für

variable Frequenzen, bzw. Impedanzen.• Vorteil: Weiter Anpassbereich.• Vorteil: Reaktanzkompensation möglich.• Vorteil: Kein Umschalten der L/C-Konfiguration

nötig.• Nachteil: Mehrdeutige Resultate, Güte kontrollieren!

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ANTENNENANPASSUNG - WO

• Idealerweise am Ort des Zusammentreffens ungleicher Impedanzen.

• Je höher das SWR, desto wichtiger die Dämpfungsarmut der Speiseleitung.

• Je höher das SWR, desto kürzer soll die Speiseleitung sein.

• Grund: SWR-bedingte Zusatzverluste auf Speiseleitungen.

• Optimale Lösung: Anpassgerät am Verbindungspunkt von Antenne und Speiseleitung.

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ANTENNENANPASSUNG - WO

• SWR-bedingte Zusatzverluste können erheblich sein!

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ANTENNENANPASSUNG - WO

• SWR-bedingte Verlustbilanz mit PIN 1.0kW

•Dipol, l=30m, H=15m

• f (MHz) Antennen-Impedanz (Ω)

• 1.8 4.5 – j1673• 3.8 38.9 – j362 • 7.2 481 + j964 • 10.1 2584 – j3292• 14.1 85.3 – j23• 18.1 2097 + j1552• 21.1 345 – j1073• 24.9 202 + j367 • 28.4 2493 – j1375

• 30m Feeder 600Ω

• Verluste POUT

(dB) (kW)

•0.02 + 6.50 0.214•0.03 + 0.30 0.926•0.05 + 0.05 0.980•0.06 + 0.25 0.935•0.07 + 0.16 0.952•0.08 + 0.15 0.952•0.09 + 0.25 0.926•0.09 + 0.11 0.952•0.10 + 0.18 0.935

• 30m RG 213 50Ω

• Verluste POUT

(dB) (kW)

• 0.23 + 26 0.002• 0.36 + 5.2 0.278• 0.52 + 5.2 0.270• 0.64 + 9.7 0.093• 0.78 + 0.15 0.806• 0.90 + 8.0 0.128• 0.99 + 8.7 0.108• 1.10 + 4.0 0.313• 1.20 + 8.8 0.100

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ANTENNENANPASSUNG

• Betrachtungen zu Antennen allgemein:• Eine Antenne ist ein elektrische und magnetische

Felder zulassender Leiter, der elektromagnetische Wellen aussendet oder empfängt.

• Eine Antenne ist ein Resonanzgebilde. Dessen Entstehung zeigt die Grafik an-hand einer Dipolantenne. Sie erzeugt, bzw. empfängt, sowohl elektrische als auch dazu senkrecht stehende magne-tische Felder. Man kann sich diese An-tenne auch als „entarteten“ Schwing-kreis oder Resonanzkreis, bestehend aus Kondensator und Spule, vorstellen.

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• Für Antennen gelten die gleichen Gesetzmässigkeiten wie für Schwingkreise.

• Im Resonanzfall Speisewiderstand rein reell.• Je höher der Wirkungsgrad, desto höher die Güte Q.• Je höher die Güte, desto schmalbandiger die

Antenne.• Je schmalbandiger die Antenne, desto grösser die

Änderung der Speiseimpedanz bei Änderung der Frequenz.

ANTENNENANPASSUNG

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• Allgemeine Regel: Impedanzänderung bei Frequenz-änderung weist auf eine „gesunde“ Antenne hin.

• Führt eine Frequenzänderung NICHT zu einer Impe-danzänderung, ist das zu hinterfragen.

• Das gilt besonders bei Antennen mit sehr grosser Breitbandigkeit. Oft ist diese die Folge von ohmschen Verlusten in Abschlusswiderständen (T2FD u.a.), Erdverlusten (Verticals) oder Verlusten in der Anpassschaltung (erd-freie Kurz-Verticals).

• Mit ohmschen Widerständen ist Breitbandigkeit am ein-fachsten zu erreichen. Sie geht allerdings zu Lasten des Wirkungsgrades, dieser kann bis unter 1% sinken.

ANTENNENANPASSUNG

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Ich danke Ihnen für Ihr Interesse und Ihre Aufmerksamkeit.

Bitte zögern Sie nicht, Fragen zu stellen, bzw. mich zu einem späteren Zeitpunkt zu kontaktieren.

Sie erreichen mich wie folgt:Heinz Bolli, HB9KOF

HEINZ BOLLI AGRütihofstrasse 1

CH-9052 NiederteufenTel +41 71 335 07 20 / Fax +41 71 335 07 21

heinz.bolli@hbag.ch / http://hbag.ch

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