Lösungsansätze zum erfolgreichen Betrieb von Zweidraht gespeisten Dipol Antennen.
"Langversion" des Artikels in Funkamateur 3/2005
Teil 1: Grundlagen
Nicht überall ist es in der heutigen Zeit möglich, ohne Bedenken der Nachbarschaft größere Antennengebilde zu errichten. Der Bedarf an unauffälligen Antennenkonstruktionen für möglichst viele Frequenzen ist offensichtlich. Mit Hilfe von Antennentunern kann man im Prinzip mit einem angepassten koaxgespeisten Dipol QRV werden, doch leider ist der Wirkungsgrad solcher Antennenanordnungen in vielen Fällen sehr bescheiden. Sollte es gelingen, das Stehwellenverhältnis solch eines Drahtdipols auf allen anderen Frequenzen außerhalb der eigentlichen Nutzfrequenz anzupassen, so geht ein Großteil der Leistung infolge des hohen Stehwellen-Verhältnisses im Koaxialkabel verloren. Auch das dickere RG213-Kabel mit PE-Dielektrikum wird enorm verlustreich, wenn das Z der Antenne nicht dem Z des Kabels von 50 Ohm entspricht. Koaxialkabel sind unsymmetrische Speiseleitungen. Bei Betrieb an einem Dipol ist stets eine Symmetrierung durch einen Balun nötig, der ebenfalls seine Schwierigkeiten mit den Anpassversuchen hat.
Multiband-Antennen mit Sperrkreisen haben ihre Nachteile bzgl. Bandbreite, Verluste, Unauffälligkeit und Anzahl der realisierbaren Bänder.
Eine gute Lösung ist dagegen ein über eine offene Zweidrahtleitung gespeister Dipol. Diese Art der Antennenzuleitung, auch „Hühnerleiter“ genannt, hat eine Impedanz von üblicherweise mehreren hundert Ohm. Da sie als angepasste Speiseleitung betrieben werden soll, ist der genaue Wert unkritisch. Je nach Länge der Antennenleitung wirkt die Speiseleitung in Abhängigkeit von der Frequenz unterschiedlich transformierend. So erscheinen auf der Senderseite Impedanzen von wenigen Ohm bis hin zu mehreren Kilo-Ohm. Anders als beim Koaxkabel bleiben bei dieser Antennenleitung die Zuleitungsverluste auch beim Anpassen verschwindend klein. Selbst einfaches 300-Ohm-Fernsehkabel schlägt bei dieser Anwendung jedes Koaxkabel um Welten!
Wie auch die Dipol-Antenne selbst ist die Zweidrahtleitung ein symmetrisches Gebilde. Ein Balun am Übergang Antennenleitung/Dipol kann entfallen. Das Potential, welches in diesen Antennen steckt, erkennt man beim genauen Betrachten der Ergebnisse in der Fieldday-Klasse „EK“ (Eingeschränkte Klasse). Hier ist bei einer Leistung von 100W nur eine einzige Dipol- oder Groundplane-Antenne erlaubt. Fragt man genauer nach, erfährt man, dass der Weg zu den vorderen Plätzen nur über einen Dipol mit offener Speiseleitung führt.
Toll, warum hat man dann überhaupt das Koaxkabel erfunden? Leider erkauft man sich die Vorteile des Hühnerleiter Dipols auch mit gewissen Nachteilen:
- Man benötigt spezielle, symmetrische Tuner
- Die Speiseleitung muss frei hängen. Die Nähe zu metallischen Objekten ist zu vermeiden.
- Die Wanddurchführung ist oftmals schwierig oder unmöglich.
- Der Symmetrie muss eine hohe Aufmerksamkeit geschenkt werden, da jede Unsymmetrie dazu führt, dass die Hühnerleiter zu strahlen beginnt und zur Antenne wird. Störungen sind dann vorprogrammiert.
Das Problem der Anpassung von Zweidrahtleitungen wird bei vielen kommerziellen Tunern, die unsymmetrisch aufgebaut sind, über einen eingebauten 1:4-Balun gelöst. Dieser Balun muss den Bereich von „extrem niederohmig“ bei hohen Strömen bis „hochohmig“ bei hohen Spannungen beherrschen und sollte dabei noch die Symmetrie der Ströme auf der Speiseleitung gewährleisten. Die wenigsten Hersteller verbauen jedoch Baluns, die diesen Anforderungen in der angegebenen Leistungsklasse gerecht werden. Hans Gall, DK3YD [1] entwickelte einen 1:4 Balun speziell für die Speisung von Hühnerleiter-Antennen. Er wird direkt ohne zwischengeschaltetes Koaxkabel am Ausgang eines unsymmetrischen Tuners (z.B. in T- oder Pi-Schaltung) angesteckt. Bereits die 100-W-Ausführung ist mit Teflonlitze hohen Querschnitts bewickelt und verwendet einen Ringkern, der normalerweise in 1-KW-Baluns zu finden ist. Einige sehr erfolgreiche Stationen in der Fieldday-Klasse „EK“ verwenden diesen Balun.
Die Firma ANNECKE baute vor Jahren auch echt-symmetrische Tuner. Gesucht wird sehr häufig die 200-W-Version von 80-10m und demnach auch zu Höchstpreisen gehandelt. Dieses Gerät beherrscht aber nur Impedanzen > 50 Ohm.
Ansonsten kann man jede unsymmetrische Anpass-Schaltung an der Masseseite spiegeln, um die symmetrische Variante zu erhalten. Der Übergang unsymmetrisch/symmetrisch per 1:1 Balun erfolgt dann am Eingang auf der 50-Ohm-Seite. Hier dürfte uns der Balun keine Schwierigkeiten machen.
Die einfachste unsymmetrische Variante ist das „L-match“, im Bild ist bereits die symmetrische Ausführung zu sehen. Ist Z > 50 Ohm muss das C auf die Antennenseite, bei Z < 50 Ohm auf die Senderseite. Ein Tuner aus 2 synchron betriebenen Rollspulen und einem umsteckbaren C ist eine sehr gute symmetrische Anpassung mit großem Abstimmbereich. Wer will, kann die Schaltung auch zu einem „symmetrischen Pi-Filter“ ergänzen. Somit entfällt das Umstecken des C’s. Drehkos mit 2 symmetrischen Statorpaketen und geerdetem Rotor helfen die Symmetrie zu verbessern, sind aber nicht zwingend erforderlich.
Das Bild zeigt einen Versuchsaufbau mit 2 synchron betriebenen 32-uH-Spulen [1] und einem einfachen 500-pF-Drehko. Möglich ist hiermit der Betrieb von 160-10m.
Es gibt noch eine ganze Reihe verschiedener spezieller Schaltungen, die hier jedoch nicht alle vorgestellt werden sollen.
Was bleibt, ist die Schwierigkeit, die Hühnerleiter aus dem Shack ins Freie zu führen!
Ich habe schon Fenster gesehen, dessen Scheiben durch Plexiglas ersetzt und mit Zündkerzen als Durchführungsisolatoren versehen wurden. Ob so etwas überall durchsetzbar ist, scheint fraglich. Auch wenn sich z.B. die fertige „Wireman“ 450 Ohm Leitung [2] oft bei Kunststoff- oder Holzfenstern einklemmen lässt, sei davor gewarnt. Das Z der Leitung ist trotzdem gestört, und je nach Frequenz könnte gerade an der Klemmung auch ein Spannungsmaximum bestehen. Der Effekt wird lehrreich sein…
Ideal ist es, das Anpassgerät außerhalb des Hauses zu platzieren. Um es dennoch bequem betreiben zu können, bietet sich eine Fernabstimmung an.
So habe ich nach einem Konzept gesucht, welches sich besonders für die Fernabstimmung eignet.
Viele diesbezüglichen Veröffentlichungen verfolgten eher das Ziel, ein fertig erhältliches Produkt zu beschreiben. Somit suchte ich weiter nach neuen Lösungen. Ich war mit den Eigenschaften meines Tuners aus 2 Rollspulen und einem C sehr zufrieden, jedoch schien mir die Fernsteuerung von Rollspulen als zu kompliziert.
Die Lösung fand ich mit dem Z-match:
Im Internet entdeckte ich eine Seite mit hochinteressanten Artikeln von Lloyd Butler, VK5BR [3]. Dort wird u. a. ein sehr einfaches Z-match beschrieben, wie es nach vielen Versuchen von VK5BR überarbeitet und optimiert wurde. Der Artikel stammt aus einer Veröffentlichung in der „Amateur Radio“, einer australischen Fachzeitschrift. Die Beschreibungen und Analysen sind derart umfangreich, dass ich mich hier eher kurz fassen möchte um die technische Realisierung zu beschreiben. Nachlesen ausdrücklich empfohlen!
Im Schaltbild sehen wir im Prinzip ein unsymmetrisches L-match mit C-in als serielles Bein und L1 gegen Masse. Zur Veränderung von L wird nun ein Kondensator C-shunt parallel geschaltet, so dass die Wirkung der Spule variiert werden kann. Jedoch ist der Abstimmbereich dann noch recht gering. Durch die Verwendung eines Drehkondensators mit 2 Sektionen und einer Anzapfung der Spule etwa in der Mitte erhält man eine zweite Resonanz, so dass ein großer Bereich abgedeckt wird. Durch die Auskoppelung der HF mittels der Spule L2 erhält man einen echt symmetrischen Ausgang und kann direkt auf die Zweidrahtleitung übergehen. Erdet man einen Anschluss, kann das Gerät ohne Nachteile auch für unsymmetrische Antennen verwendet werden. Die Schaltung ist direkt aus dem Artikel von Lloyd in der Zeitschrift „Amateur Radio“ übernommen [3]. Der Spule L3 hat Lloyd einen eigenen Aufsatz gewidmet. Nur ganz kurz an dieser Stelle angeschnitten: Es gibt eine sehr eng begrenzte Abstimmsituation, in der schaltungsbedingt keine Anpassung möglich ist. In diesem Fall wird der Kurzschluss über L3 entfernt, so dass etwas Reaktanz in das System zurückgekoppelt wird, um diese Abstimmsituation in Griff zu bekommen. Man kann aber auch die Spule weglassen. Sollte diese Abstimmsituation dann unglücklicherweise gerade im eigenen Antennensystem auftreten, lässt sich ggf. die Dipol- oder Zuleitungslänge etwas verändern und man ist wieder im „grünen Bereich“.
Das Konzept ist von 80-10m zu verwenden, eine 160m Erweiterung ist aber möglich.
Vorteile:
- Nur zwei Drehkos, d.h. Fernabstimmung mechanisch einfach zu realisieren.
- Gute Bandpasswirkung, d.h. deutliche Entlastung des Empfängers.
Wie Lloyd Butler beschreibt, ist das Konzept das Ergebnis vieler Versuche und Weiterentwicklungen. Bei Einhaltung der Bauteilwerte ist erfolgreicher Nachbau gesichert, was sich mit meinen Erfahrungen deckt.
Hier der fertige fernabstimmbare Z-match Tuner:
Steuerteil:
HF-Teil:
Die Spulen L1 und L2 wurden genau wie im Artikel beschrieben durch eine Plexiglasplatte gewickelt. Ich habe dafür 2,5 mm Silberdraht verwendet [4].
Die entscheidenden Bauteile sind die Drehkos. Es gilt zu beachten, dass nicht nur die Maximalwerte erreicht werden, sondern vor allem auch die Minimalwerte. Es gab vor Jahren einmal ein kommerzielles Z-match der Firma DECCA, welches mit Rundfunkdrehkos aufgebaut war und 100W vertragen sollte. Ich kenne zwei OM’s, die dieses Gerät betreiben und mir von gelegentlichen Überschlägen bei 100W und hochohmiger Speisung berichten. Mit ca. 80W arbeitet das Gerät ohne Probleme. VK5BR beschreibt auch eine Variante mit 0,5mm Plattenabstand der Drehkos, und übertrug damit erfolgreich 400W HF. Es ist offensichtlich schwer, eine Maximalleistung in Abhängigkeit vom Plattenabstand zu definieren, da die Anpasssituationen vielfältig sind. Mein Ziel war es, auch Leistungen von wenigen 100W bei Vermeidung von zu hochohmigen Einspeisungen in Griff zu bekommen. Die üblichen 100W sollte der Tuner auch unter schwierigen Umständen z.B. beim Fieldday beherrschen.
So habe ich mich entschieden, es mit den Drehko Bausätzen der Firma SCHUBERT (5) zu probieren. Ich besorgte zwei der Split-Drehko-Bausätze „2x 300pF/2KV“. Die Kondensatoren müssen selbst zusammengebaut werden, die Platten sind sorgfältig zu entgraten. Der Split-C im Original-Aufbau erreicht die 300pF pro Segment, durch die Verwendung von Front- und Rückplatten aus Metall verbleibt jedoch auch im ausgedrehten Zustand eine Restkapazität von ca. 28 pF. Ein Wert um 20 pF ist jedoch anzustreben. Zum Glück ist es aber ein Bausatz! Nach vielen Versuchen kam der Erfolg: 10 Rotoren/10 Statoren pro Paket und 12 mm Abstand (2 zusätzliche 3,5mm Distanzrollen und die vorgesehene 5mm) zwischen den beiden Paketen des Rotors. Durch das Entfernen von Platten ergibt sich automatisch auch ein größerer Abstand zu den Front-/Rückplatten (ausmitteln). Das Ergebnis: 2x 20-250 pF.
Der Serien-C wurde als Einfach-Drehko mit 14 Rotor- und 15 Statorplatten aufgebaut. Der erreichte Kapazitätsbereich ergab sich mit 20-350 pF.
Die C’s sind sorgfältig zu justieren, um überall maximalen Plattenabstand zu erreichen. Bei 3,5mm Distanzrollenabstand und 0,8 mm Blechstärke ergibt sich im Idealfall 1,35mm Plattenabstand. Beim Doppeldrehko ist das Justieren nicht ganz so leicht; ein Plattenabstand von mindestens 1mm an den ungünstigen Stellen sollte jedoch erreicht werden. Man durfte gespannt sein, was das Gerät an Leistung vertragen würde.
Zusätzlich vertreibt der Hersteller der Bausätze kleine Getriebemotoren, welche Verwendung finden sollten. Der Hersteller sieht vor, die Motoren galvanisch mit den Lagerschilden zu verbinden. Beim Shunt-C, wo der Rotor auf Masse liegt, wäre das denkbar. Der Serien-C wird jedoch massefrei betrieben und der Motor muss unbedingt isoliert vom Lagerschild montiert werden.
Im vorliegenden Fall wurden die Motoren auf eine Lagerplatte geschraubt und mit Endabschaltern (Mikroschalter, ausgelöst durch eine Schraube) versehen, welche exakt auf 180 Grad Drehbereich justiert sind. Über Zahnräder aus dem Modellbaubereich [6] wird die Drehung 1:1 auf ein normales Poti mit 270 Grad Drehbereich umgesetzt. Achtung! Messen, wo das Poti gerade 0 (null) Ohm hat, aber der Widerstand bei Beginn der Drehung sofort steigt. Tote Bereiche an den Anschlägen der Potis sind unbedingt bei der Montage zu berücksichtigen. Die Verbindung zu den C’s erfolgt über eine isolierende Achsversatz-Ausgleichsscheibe. (2 KV!)
Bei der Wahl des wetterfesten Gehäuses ist die Phantasie des Erbauers gefragt. Tupperware (nicht erwischen lassen…), Malereimer…..Augen auf! Oftmals lässt sich ein Platz unter dem Dachvorsprung finden, wo das Gerät vor direkter Witterung geschützt ist und ein wasserdichtes Gehäuse unnötig macht.
Der Verfasser hatte Zugriff auf einen neuen Iso-Kasten mit umlaufender Dichtung. Es empfiehlt sich, auch scheinbar „100% dichte“ Gehäuse auf der Unterseite mit Ventilationsöffnungen zu versehen. Die Steckverbinder sind militärisch und von sehr guter Qualität.
Der Übergang auf die Zweidrahtleitung erfolgt über Keramik-Durchführungen [1]. Der HF-Teil der Variante 80-10m ist somit mit problemlos erhältlichen Bauteilen zu realisieren. Ein Aufbau ohne Fernsteuerung ist natürlich auch möglich. Um Probleme durch HF bei sehr hochohmiger Speisung zu vermeiden, empfiehlt sich stets der Einsatz einer wirkungsvollen Mantelwellensperre zwischen Sender und Anpassgerät [7].
Für den ersten Test stellte mir Hans, DL2ZA seine Antenne zur Verfügung. Es wurden alle Bänder getestet, und überall eine Anpassung erreicht. Die Abstimmung ist manchmal kniffelig, durch langsame Abstimmgeschwindigkeit und sofortigem Stopp der Drehkos durch Kurzschliessen der Motoren aber machbar. Je nach Band konnten Leistungen bis 1000 W übertragen werden. Je hochohmiger die Impedanz am Speisepunkt war, desto eher konnten Überschläge im shunt Drehko beobachtet werden. Bei einem Band waren schon mit 100W Effekte durch HF im Raum zu verzeichnen. Beim QRO Test zeigte sich hier auch schon bei 200W der Überschlag. Sehr hohe Impedanzen am Speisepunkt sollten in jedem Fall vermieden werden, da sich neben der Leistungsfestigkeit auch der Wirkungsgrad und die Symmetrie des Z-match verschlechtern, was VK5BR ausführlich darlegt. Zuhause sollte es möglich sein, durch geschickte Wahl der Draht-/Speiseleitungslängen auf nahezu allen Bändern mit erhöhter Leistung zu arbeiten. Für 750W auf allen Bändern ist dieses Z-match jedoch nicht zu empfehlen. Selbst wenn C shunt die Spannung noch verträgt, ist doch auch eine Erwärmung der Spule zu verzeichnen. Auf alle Fälle sind genügend Reserven vorhanden, um bei provisorischen Aufbauten (Fieldday) auch ungünstige Abstimmverhältnisse bei 100W sicher zu beherrschen.
Beim Verfasser bekam das Gerät auch eine 160m-Erweiterung verpasst, wobei auch hierfür ein Artikel von VK5BR zur Verfügung steht. Zum Zuschalten der C’s (2x C seriell, 1x C shunt) sowie zum Aktivieren der Spule L3 wurden insgesamt 4 kleine Vakuum-Relais verbaut. Die 160m Erweiterung erfordert letztendlich doch den Gang auf den Flohmarkt, da Vakuum Relais und Tonnen-Kondensatoren neu viel zu teuer sind. Speziell beim Zusatz-Kondensator zu C shunt mit 900 pF ist neben hoher Spannung auch der enorm hohe HF-Strom im Kreis (hohe Güte!) zu beachten. Ein kleinerer Türknopf-C wurde mit 100W derart warm, dass eine SWR Schwankung zu beobachten war. Der größere C packte gerade die 100W. Große Glimmer-C’s mit ausreichend Spannung sind bei hohen Strömen wesentlich besser geeignet, aber schwer zu finden.
Nahaufnahme: 160m Zusatz-C mit einen der insgesamt 4 Vakuum-Relais. Der Schaltzustand wird durch Leuchtdioden im Bedienteil angezeigt.
Alle Zuleitungen zur Fernsteuereinheit sind gut zu verdrosseln. Bei sehr hochohmigen Einspeisungen zeigen sich sofort Rückwirkungen auf den Instrumenten, da die Hühnerleiter infolge Unsymmetrie zu strahlen beginnt. Eine Änderungen der Dipol-/Hühnerleiterlänge ist erforderlich, um die Verluste klein zu halten. Die Realisierung von Anzeige und Steuerung erfolgt nach Wahl des Erbauers. Ich habe hierfür zwei große Drehspulinstrumente verwendet. Digitalanzeigen oder gar das Speichern von Einstellungen in PIC Prozessoren bei automatischer Bandsteuerung ist ebenfalls denkbar. Zum feinfühligen Abstimmen ist es nötig, die Motoren auch mit reduzierter Geschwindigkeit zu betreiben und den Motor beim Loslassen der Taste sofort kurz zu schließen, um ein Nachlaufen zu vermeiden.
Abschlussbetrachtung:
Es wurde eine Möglichkeit beschrieben, durch Wahl einer geeigneten Anpassschaltung einen symmetrischen Tuner ferngesteuert zu betreiben. Bei Interesse an einem Nachbau sind die hervorragenden Artikel von Lloyd Butler, VK5BR nachzulesen. Es wurde kein Wert auf eine vollständige Bauanleitung gelegt, vielmehr sollte die Realisierbarkeit mit hierzulande erhältlichen Bauteilen aufgezeigt werden, was zumindest für die Grundversion von 80-10m gelungen ist. Der Funkfreund mit gut bestückter Bastelkiste oder der Flohmarktgänger hat natürlich die Möglichkeit, das Gerät auch sehr kostengünstig aufzubauen. Eine weitere Quelle für verschiedene Drehkondensatoren ist auch der FUNKAMATEUR-Verlag, wobei das Fehlen von Split-Kondensatoren durch Zusammenschalten von zwei einfachen Drehkos über die hier beidseitigen Achsstummel eine Lösung bieten könnte. Mittlerweile sind im Leserservice die Spulen und die C's speziell für Z-match Bauer erhältlich!
Ich hoffe es ist mir gelungen aufzuzeigen, dass in vielen Bereichen unseres Hobbys durch Eigenbau eine kostengünstige Alternative zu den kommerziell erhältlichen Produkten zu erreichen ist.
Bedanken möchte ich mich bei meinen Funkfreunden Dieter, DL5RDO, Ludwig, DG7RZ, Norbert, DC6RN und Hans, DL2ZA für ihre Unterstützung.
Bezugsquellen:
[3] http://www4.tpgi.com.au/users/ldbutler/
[4] www.oppermann-electronic.de
[6] www.conrad.de
[7] www.dx-wire.de
HF-Teil incl. 160m Erweiterung:
