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Luftbalun
Optimierung der Verluste bei der Antennenanpassung mit einem symmetrischen Antennenkoppler ohne Balun und mit Fernabstimmung
Optimization for low loss antenna matching using a symmetric antenna coupler without balun and remote tuning
Anstelle der Verwendung einer Endstufe würde sich oft ein Blick auf mögliche Verluste von HF-Energie auf dem Wege vom Sender bis zur Antenne lohnen. Meist hat es in einer Antennenanlage mehrere Elemente, wo man unwissentlich oder aus Nachlässigkeit zum Teil beträchtlich Leistung verliert. Dank der geduldigen Unterstützung durch meinen Amateurfunkfreund Walter, DL3LH, einem grossartigen HF-Ingenieur, habe ich meine, den örtlichen Gegebenheiten angepasste Antennenanlage auf mögliche Verluste hin optimiert. Unser Konzept der Erstellung einer verlustarmen Antennenanlage möchte ich hier kurz skizzieren (Abbildung 1):
Abbildung 1:

schematische Darstellung der realisierten Antennenanlage (Aufsicht)
Skizze Antennensituation
Für die gewünschte, oben skizzierte Antenne bestanden räumliche sowie bauliche Einschränkungen.

     -  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 3 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.
    -  Die Kabeldurchführung ins Haus ist aus baulichen Gründen nur koaxial möglich.
    -  Der Shack befindet sich im Dachgeschoss und hat einen direkten Zugang auf die Terasse, wo der Koppler installiert und bedient werden kann.

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.

Aufgrund der Forderung für minimale Verluste im Antennen-Zuleitungssystem verbietet sich beim Multibandbetrieb eine Koaxialspeisung fast von selbst. Falls ein Koaxialkabel dennoch verwendet werden muss, ist dies aus Verlustminimierungsgründen nur bei Impedanzen nahe 50 Ω überhaupt tolerabel. Somit kommt hier zur Dipolspeisung nur eine symmetrische Doppeldrahtleitung in Frage.

Wegen der baulich bedingten Unmöglichkeit, eine Hühnerleiter ins Haus zu führen, gibt es hier nur die Lösung, den Antennenkoppler im Aussenbereich zu betreiben. Ein 10 m langes Koaxialkabel (H155) führt vom Koppler ins Haus hinein zum Transceiver. Der Energietransport auf dem Koaxialkabel erfolgt dabei im "matched line Modus", es treten also hier keine zusätzlichen Verluste durch Reflexion (Fehlanpassung) auf.

Ich habe mich für einen manuell ferngesteuerten, symmetrischen Koppler im Selbstbau entschieden. Die Wahl der Doppelleitung fiel auf eine 600 Ω Hühnerleitung, da bei der 450 Ω Wireman-Hühnerleiter bei Regen unter Umständen grosse Verlust auftreten können (bis zu 3 oder 4 dB) !

Der Koppler muss einen symmetrischen Betrieb gewährleisten. Prinzipiell gibt es die Möglichkeit, einen symmetrischen Tuner 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 generell möchte ich eine Bemerkung machen. Beim Balun (oder einer Mantelwellensperre) treten oft viel grössere Verluste auf als gemeinhin angenommen wird. Nur sind dazu leider kaum entsprechende Berechnungen veröffentlicht worden. Walter, DL3LH, hat entsprechende Berechnungen durchgeführt und fand dabei, je nach Einsatzbedingungen (Frequenz, Impedanztransformation, Symmetrierung) teilweise sehr hohe Verluste (DL3LH, diverse Publikationen).

Eine weitere wichtige Vorbemerkung betrifft die Art des LC-Anpassnetzwerkes. 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 hier 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.


Für die nun folgenden Entscheide zur Antennenkopplerplanung sind Messungen an der Antennenanlage und die darauf beruhenden Berechnungen nötig. Zuerst muss die Eingangsimpedanz an der Hühnerleiter gemessen werden. Mit diesen Werten werden die Verluste eines jeden möglichen Antennenkoppler-Konzepts vorausberechnet.

Im vorliegenden Fall zeigten die Berechnungen mit den Eingangsimpedanzen an der Hühnerleiter (siehe Tabelle 1 unten), dass bei Verwendung eines symmetrischen Kopplers eine Hochpassvariante (mit C seriell und L parallel) die geringsten Verluste ergibt. Wir haben auch das Konzept eines asymmetrischen Tuners mit Balun am Ausgang durchgerechnet, was leider bezüglich Verluste ungünstiger ausfiel. Die Verluste in einem Luftbalun sind nach den Berechnungen leider teilweise gross (>1 dB). Somit verlangt die Situation hier einen symmetrischen Koppler möglichst ohne Balun.
Die Symmetrierung allein ist beim Aufbau eines Kopplers selbst nicht das Problem. Ein Symmetrierglied kann prinzipiell aus drei Blindelementen aufgebaut werden, wobei diese Blindelemente wiederum aus Kapazitäten oder Induktivitäten bestehen können (Abbildung 2). Baut man einen symmetrischen Koppler aus diesen drei Elementen, wird zunächst einmal eine ganz normale symmetrische Speisung erreicht. Das Problem aber sind allfällige rückläufige Gleichtaktanteile, welche wegen gewissen Asymmetrien im Speiseleitung-Antennensystem auftreten (kein Antennensystem in der realen Welt ist völlig symmetrisch, somit entstehen immer in einem gewissen Grad Gleichtaktanteile). Diese gilt es zu eliminieren oder abzuleiten.
Abbildung 2:   generelles Prinzipschaltbild für
                         eine Symmetrierung
Prinzipschema Symmetrierglied
Da in unserem Fall die rechnerisch beste Variante ein symmetrisches CL-Glied in der Hochpassvariante mit am Ausgang parallel liegender Induktivität ist, erlaubt die in diesem Fall galvanische Koppelung der beiden Paralleldrahtschenkel über die Spule einen Ausgleich der Gleichtaktströme (Abbildung 3a). So kann bei nicht zu massiver Asymmetrie im Speiseleitung-Antennensystem auf einen Balun verzichtet werden. (Müsste man aufgrund der am Hühnerleitereingang bestehenden Impedanzen eine Symmetriervariante mit einer Kapazität parallel am Ausgang verwenden, also L seriell und C parallel, müssten die Gleichtaktanteile über mittig geerdete 2.7 kΩ -Widerstände (oder über zwei 2.5 mH-Drosseln) am Hühnerleitereingang abgeleitet werden; Abbildung 3b).

Abbildung 3 a:

Cs - Lp - Konfiguration:

Die Induktivität liegt parallel. Gleichtaktströme können über die galvanische Verbindung der Spule ausgeglichen werden
Gleichtaktausgleich

Abbildung 3 b:

Ls - Cp - Konfiguration:

Ausgleichsströme der Gleichtaktanteile sind über die parallelliegende Kapazität nicht möglich. Die Ableitung dieser Gleichtaktanteile erfolgt über die mittig geerdeten 2.7 kΩ Widerstände (oder über 2.5 mH Drosseln)
Gleichtaktableitung
Aufgrund der Erfordernisse habe ich einen manuell fernsteuerbaren, symmetrischen Cs-Lp-Koppler in Hochpasskonfiguration unter Weglassen eines Baluns gebaut (Abbildung 4; Bild 1). Dieser Koppler ist auf der Terasse direkt mit der Masse (d.h. dem Metall am Hause, also mit der Blitzschutzerde; Bild 2) verbunden. 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 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 1 dargestellt.



Abbildung 4:

Aufgrund der Serieschaltung der Kapazitäten von C und C' ergibt sich eine maximal einstellbare Gesamtkapazität von 798 pF,
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 .
symmetrischer Koppler schematisch


Tabelle 1:

Dipol 2 x 17 m  (leichte inverted-V Form),
3 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

1.022

Wie die Tabelle 1 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 2). Das symmetrische CL-Anpassnetzwerk muss auf 80 m einen tiefen Realwiderstand herauftransformieren und auf den beiden höheren Bändern grössere komplexe Anteile ausgleichen.

Man stelle sich nun vor, es wäre zur Elimination von Gleichtaktanteilen durch einen Balun eine zusätzliche Verlustquelle von im Durchschnitt 1 dB eingefügt !
Wir haben hier versuchsweise einen 1:1 Luftbalun von 3.3 µH (Güte Q = 130, k = 0.92) eingefügt und die dabei entstehenden zusätzlichen Verluste berechnet: 0.11 dB auf 80m, 2.5 dB auf 60m und 0.7 dB auf 40m. Solche doch beträchtlichen Zusatzverluste können wegen der Art der symmetrierenden Anpassschaltung nun mit dem Weglassen eines Baluns vermieden werden.
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.

Im vorliegenden Fall fehlt aus Platzgründen leider die Möglichkeit, durch Verändern der Länge der 600 Ω Doppelleitung günstigere Impedanzverhältnisse am Eingang derselben herzustellen.


Das Fazit aus den obigen Ausführungen lautet:

1. zuerst Messungen und Berechnungen für eine Antennenanlage durchführen und aufgrund dieser die beste Variante eines Kopplers suchen
2. so wenig wie möglich Koaxialkabel verwenden, und wenn, nur dann wenn die Einführung ins Haus nicht anders geht.










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).
symmetrischer abgewandelter Christiankoppler





Bild 2:

Der symmetrische Koppler im Aussenbereich.
Die Abschirmung des Koaxial- und des Steuerkabels sind direkt an der Metallfassung des Geländers geerdet.
Symmetrischer Koppler im Aussenbereich




Bild 3:

Kontrolle der Symmetrie mit zwei Fahrradlämpchen in der Speiseleitung.
(die Aufnahme wurde noch mit einem elektrisch identischen Testmodell des Kopplers gemacht, ebenfalls ohne Balun)
Kontrolle der Symmetrie








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 Interesse halber seien hier noch die Impedanzen berechnet, wie sie am Fusspunkt des Dipols vorliegen. Man beachte die eher tiefen Realanteile, die auf die geringe Aufbauhöhe des Dipols und die Nähe zu den Metallstrukturen am Haus zurückzuführen sind sowie die negativen Blindanteile auf 80m als Ausdruck der kapazitativen Belastung des auf diesem Band auf 34m verkürzten Dipols  (Tabelle 2).


Tabelle 2:

Berechnung der Fusspunktimpedanzen des oben beschriebenen Dipols mit 2 x 17 m Schenkellänge und einer 2.7m langen 600 Ω Speiseleitung

MHz

Eingangsimpedanz an der 600 Ω Doppeldrahtleitung

Impedanz am Fusspunkt des Dipols (berechnet)

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

Diese Darstellung ist Walter, DL3LH, gewidmet, dem ich eine überaus kompetente, vertiefte Einführung in die Vielfältigkeit der HF-Technik sowie Berechnungen für meine
Antennenanlage verdanke.

Ein sehr gutes Programm zur Berechnung der Verluste stellt übrigens Walter, DL1JWD, zur Verfügung: "Antenna-Matching-Analyzer" unter : https://dl1jwd.darc.de

HB9AWJ, ( Kontakt: hb9awj [at] kurzwellenstation.ch )

Literatur: DL3LH, diverse Publikationen; auf Anfrage direkt bei DL3LH: (https://gutachten-emvu.jimdo.com/kontakt).