Verlustarme AntennenspeisungSWR ist in keinem Fall für TVI o.ä. verantwortlich! Symmetrische...

Verlustarme Antennenspeisung

Hungriger Wolf2.7.2011

Dr. Alexander Iwanoff DL1AIW

Ziele:

• geringstmögliche Verluste auf der Speiseleiteung,

• größtmögliche Abstrahlung an der Antenne in die gewünschte Richtung,

• möglichst einfache Impedanz- und Symmetrieanpassung,

• möglichst geringe Anpassungsverluste

• Vermeidung von Störungen, TVI usw.


Wichtige Eigenschaften der Antenne:


• Impedanz am Speisepunkt

• Verlauf von Strom und Spannung längs der Antenne

• Wirkungsgrad, d.h. Verhältnis von Gesamtwiderstand zu Verlustwiderstand

• Bandbreite in Bezug zur Betriebsfrequenz

• Verluste von eventuellen zusätzlichen Bauelementen (z.B. Traps)

Unwichtige Eigenschaften der Antenne:

SWR !!EINE ANTENNE HAT KEIN SWR !!!

Wichtige Eigenschaften der Speiseleitung:

Impedanz der Speiseleitung nur bedingt frei wählbar (50 / 75 / 93 Ohm als Koax).

Leistungsverluste bei richtigem Abschluss sind frequenz- und längenabhängig, ab 14 MHz oft nichtmehr zu vernachlässigen.

Zusatzverluste durch Fehlanpassung sind überproportional groß und bestimmen daher fast immerdie Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems.

Impedanztransformation bei Fehlabschluss.

Veränderung des SWR längs der Leitung durch Verluste, Messung am Leitungsbeginn täuschtbesseres SWR vor als am Antennenspeisepunkt.

Strom-, Spannungs- und Impedanzverlauf der Leitung ändert sich im Rhythmus der halbenBetriebswellenlänge.


Dipol mit Speiseleitung:


Symmetrisch gespeister Dipol (7,05 Mhz), 10 m hochmittlere Erdverhältnisse

Bewegung derLadungsträger

Z = 79,3 + j1,7 Ohm

30 m Speiseleitung

Stromrichtung auf derSpeiseleitung

Transformierte Impedanz amSpeisepunkt:Z1 = 61,5 - j16,6 Ohm (RG 58A)Z2 = 2705 - j2090 Ohm (600 Ohm Hühnerleiter)

Symmetrische Antenne mit symmetrischer Speiseleitung (1):


Im (idealen) verlustlosen Zustand sind die Ströme auf den beiden Leitungen gleichgroß undentgegengerichtet.

Dem entspricht eine Phasenverschiebung von 180°.

Die sich bewegenden Ladungsträger auf den Speiseleitungen erzeugen elektromagnetische Felder.

Die Feld-“vektoren“ der beiden elektromagnetischen Felder sind an jedem Leitungsabschnittgleichgroß und entgegengesetzt.

Logische Schlußfolgerung: die beiden Felder heben sich auf, die Speiseleitungkann nicht strahlen.

Zweite Schlußfolgerung: das SWR spielt hierbei überhaupt keine Rolle. HohesSWR ist in keinem Fall für TVI o.ä. verantwortlich!

Symmetrische Antenne mit symmetrischer Speiseleitung (2):


Ein derartiger Antennenbetrieb wird als Gegentaktbetrieb bezeichnet. Die imGegentakt verlaufenden Ströme auf der Speiseleitung heben sich auf. DieSpeiseleitung kann nicht strahlen.

Das Nahfeld der Antenne induziert zusätzliche Ströme in der Speiseleitung.

Dies ist besonders ausgeprägt, wenn die elektrische Länge der Speiseleitung der halbenBetriebswellenlänge entspricht.

Dieser Betrieb wird als Gleichtaktbetrieb bezeichnet. Die nicht mehr imGegentakt verlaufenden Ströme auf der Speiseleitung heben sich nicht mehr auf;die Leitung kann strahlen!

Auf vielen Speiseleitungen treten Gegentakt- und Gleichtaktbetrieb nebeneinander auf, insbesonderewenn uneinheitliche Symmetrieverhältnisse vorliegen. Gleichtaktströme müssen unterdrückt werden.

Gleichtaktbetrieb durch falsche Geometrie der Speiseleitung


Symmetrisch gespeister Dipol (7,05 Mhz), 10 m hochmittlere Erdverhältnisse

Bewegung derLadungsträger

Im Nahfeld der Antenneinduzierter Gleichtaktstrom!

Balune:


Aufgaben:

• Schaffung einheitlicher Symmetrieverhältnisse im System Antenne/ Speiseleitung,

• Unterdrückung von Gleichtaktstörungen bzw. Mantelwellen auf Koaxkabeln,

• dämpfungsarme Durchleitung von Gegentaktströmen über einen großen Frequenzbereich,

• Durchleitung hoher Leistungen ohne Sättigungseffekte,

• Impedanztransformation.

Balune: Funktionsweise


Kein Balun, lediglich einfache Drosselspule, dämpft auch Gegentaktströme!

Balune: Funktionsweise


Gegentaktströme erzeugen im Balun Selbstinuktionen, die um 180° phasenverschobensind und sich daher aufheben.Bei Gleichtaktströme gilt die nicht. Sie werden durch Selbstinduktion gedrosselt.

Verluste auf Speiseleitungen


Verluste sind Leitungskonstanten (!) und hängen von der Betriebsfrequenz und der Länge ab.

Sie werden im wesentlichen vom Dielektrikum gesteuert.

Zweidrahtleitungen haben sehr viel geringere Verluste als alle Koaxialleitungen.

Sie sind am geringsten bei richtigem Leitungsabschluss und steigen bei Fehlanpassung extremstark an:

Kabeltyp RG 58 RG 213 450 OhmGrunddämpfung (dB/100 m) 7,81 3,20 0,41Systemdämpfung (dB) 2,70 1,20 0,15SWR ( Antenne) 3,00 3,00 3,00SWR (Speisepunkt) 1,94 2,42 2,63Impedanz (Speisepunkt) 32,62 - j21,72 27,07 -j24,99 183,05 -160,35abgestrahlte Leistung (%) 54 75 97

Impedanz: 150 Ohm, Leitungslänge: 30 m, Frequenz: 21,05 MHz

Anpassnetzwerke (1):


Zielvorgaben:

Geringe Verluste im Netzwerk, d.h. Anpassung mit möglichst wenig Bauteilen, vor allem möglichstwenig Induktivitäten,diese allerdings mit hoher Güte,

Anpassung bei Koaxkabeln auf 50 Ohm möglichst frühzeitig am System, d.h. am Antennenspeisepunkt,um hohe Leitungsverluste zu verringern,

Dem widerspricht aber die Forderung leichter Bedienbarkeit, d.h.

Hochwertige Koaxialkabel benutzen und Anpassung im Shack oder

Zweidrahtleitung benutzen aufgrund der vernachlässigbaren Dämpfung.

Balune o.ä. sollten in erster Linie der Gleichtaktunterdrückung dienen, Impedanztransformation ist -wenn überhaupt - sekundär.

Anpassnetzwerke (2):


Funktionen:

Impedanzanpassung erfolgt durch 2 Vorgänge: 1. Kompensation des Blindwiderstandes 2. Transformation des realen Widerstandes auf 50 Ohm.

Verlustbehaftet ist die Kompensation.

Bei richtiger Anpassung tritt am Anpassnetzwerk Totalreflexion des rücklaufendenStromes ein, d.h. auch ein hohes SWR am Antennenspeisepunkt ist fürTransceiver / PA ungefährlich.

Beispiel: nicht resonanter Dipol


Daten:

Länge: 30 m

Speisepunkt mittig

Betriebsfrequenz: 21,05 MHz

Leitungslänge: 25 m

Höhe: 10 m

Impedanz: 892 – j1937 Ohm

Anpassung im Shack mit L-Tuner (Spulengüte =200)

Absolut nichtresonant!

SWR grottenschlecht!

Beispiel: nicht resonanter Dipol


RG 58 RG213 600 Ohmabgestrahlte Leistung 4 W 9 W 87,4 WSWR (Ant.) > 20 > 20 9,06Leitungsverlust 13,84 dB 10,10 dB 0,33 dBSWR (Shack) 4,34 9,82 8,43Verluste Tuner 0,1 dB 0,3 dB 0,2 dBeingespeiste Leistung 100 W 100 W 100 W

Beispiel: Anpassung einer kurzen Vertikalantenne:


• Antennenhöhe: 16 m

• 16 Radials zu je 10 m Länge

• Betriebsfrequenz 3,55 MHz

• Impedanz: 21,6 – j241 MHz

Untersucht werden:

• Anpassung mit pi-Filter im Shack

• Anpassung mit pi-Filter am Antennenspeisepunkt

• Kompensation mit Spule am Speisepunkt und Anpassung im Shack

Spulengüte = 200

Anpassung mit pi-Filter im Shack:


RG 58 RG213abgestrahlte Leistung 15,3 W 28,1 WSWR (Ant.) > 20 > 20Leitungsverlust 7,91 dB 5,08 dBSWR (Shack) 8,42 16,23Verluste Tuner 0,25 dB 0,44 dBeingespeiste Leistung 100 W 100 W

Anpassung mit pi-Filter am Antennenspeisepunkt:


RG 58 RG213abgestrahlte Leistung 63 W 72 WSWR (Ant.) > 20 > 20Verluste Tuner 1,05 dB 1,05 dBVerluste Leitung 0,93 dB 0,40 dBSWR Shack 1,00 1,00eingespeiste Leistung 100 W 100 W

Kompensation des Blindwiderstandes amAntennenspeisepunkt und endgültige Anpassung im

Shack:


RG 58 RG213abgestrahlte Leistung 65 W 77 WSWR (Ant.) > 20 > 20Verlustleistung L 10 W 10 WVerluste Leitung 1,03 dB 0,45 dBSWR Shack 1,00 1,00Verluste Anpassung 0,02 dB 0,02 dBeingespeiste Leistung 100 W 100 W

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