Elektromechanische Unterteilung von Linearantennen
Hallo zusammen,
zur Unterteilung von Linearantennen wurden kürzlich im Thread "Wer hat Erfahrungen mit Antennenswitch von IK6BAK?" Lösungen mit käuflichen Bluetooth-Modulen diskutiert. Sie erlauben, die Antenne ferngesteuert per App an gewünschten Stellen elektrisch aufzutrennen und ermöglichen damit z. B. einen optimierten Mehrbandbetrieb. Der Ansatz ist vor allem für temporäre und QRP-Anwendungen elegant und "state of the art"; er soll hier in keiner Weise kritisiert werden. Trotzdem bleiben Fragen offen: die dauerhafte Versorgung der Empfangs- und Schaltelektronik "in der Luft" mit CR-Knopfzellen, zur Stromersparnis vermutlich der Einsatz bistabiler Relais mit geringer Stromtragfähigkeit und begrenzter Spannungsfestigkeit der Kontakte, ausreichende Schutzart für einen Langzeit-Außeneinsatz. Ich hatte dazu einen eigenen Thread angekündigt.
Es soll hier also ein alternatives robustes Konzept zur ein- oder zweifachen Unterteilung von Linearantennen vorgestellt werden, das klassisch auf einer Überlagerung von DC-Spannungen auf Strahlern und Speiseleitungen basiert. Es erlaubt eine Fernspeisung der Umschaltrelais "in der Luft" aus Akkus oder Netzgeräten und kann mit geeigneten Relais auch für höhere HF-Leistungen eingesetzt werden. In diesem ersten Artikel werden die Grundsätze sowie Lösungen für Monopol- und endgespeiste Halbwellen-Antennen dargestellt; ein zweiter Artikel wird sich mit Dipol- und Faltdipol-Antennen beschäftigen. Bei einfacher Unterteilung der Antenne ist alternativ auch das Einschalten induktiver Verlängerungen, kapazitiver Verkürzungen, Stubs oder kompletter Sperrkreise in den Antennenleiter parallel zu einem geöffneten Relaiskontakt möglich. So lässt sich z. B. bei einer endgespeisten horizontalen Ganzwellenantenne mit einem geschalteten Sperrkreis in der Mitte (Phasenwechsel) das Richtdiagramm von "Acht" auf "Kleeblatt" umschalten
Die vorgestellten Konzepte und Schaltungsvorschläge sind in keiner Weise exotisch oder innovativ; vermutlich finden sie in dieser oder ähnlicher Form auch schon irgendwo Verwendung. Trotz ihrer Einfachheit ist eine systematische Zusammenstellung in Art eines "Baukastens" vielleicht für den einen oder anderen potenziellen Anwender nützlich.
- Die elektromechanische Unterteilung von Monopol- und EFHW-Antennen
Das Grundprinzip besteht darin, den Antennenleiter von der HF-Einspeisestelle bis zu dem/den Relais zweidrähtig (bifilar) auszuführen, um so die DC-Schaltspannung zu übertragen. Die Zweidrähtigkeit kann realisiert werden durch
- einen zweiten Einzelleiter, der eng parallel zum eigentlichen Antennenleiter geführt wird
(für neue Aufbauten oder als Nachrüst-Lösung), - ein Koaxkabel, dessen Schirm als eigentlicher Antennenleiter dient
(Sat-Kabel mit F-Armaturen erlaubt bei Bedarf spritzwasserdichte Schraubverbindungen), - eine Zwillingsleitung (Lautsprecherlitze, "Feldkabel", "NYFAZ").
Am Anfang und Ende der jeweiligen Leitungsstrecke werden die beiden Leiter kapazitiv überbrückt, so dass sie sich für HF auf gleichem Potenzial befinden. Damit spielen dielektrische Verluste zwischen den beiden Leitern keine Rolle. Da sie gegeneinander nur die Kleinspannung für die Relais führen, ist für die Isolation auch keine hohe Spannungsfestigkeit erforderlich.
Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Monopols mit einfacher, Bild 2 den eines Monopols mit zweifacher Unterteilung. Sinngemäß gelten sie auch für endgespeiste Halbwellen-Antennen ("EFHW").
Es bedeuten
- unterer Strahlerteil (bifilar) eines 1-fach unterteilten Strahlers
- oberer Strahlerteil (monofilar) eines 1-fach unterteilten Strahlers
- Einspeisemodul
- Trennmodul bei 1-fach Unterteilung
- unterer Strahlerteil (bifilar) eines 2-fach unterteilten Strahlers
- mittlerer Strahlerteil (bifilar) eines 2-fach unterteilten Strahlers
- oberer Strahlerteil (monofilar) eines 2-fach unterteilten Strahlers
- unteres Trennmodul bei 2-fach Unterteilung
- oberes Trennmodul bei 2-fach Unterteilung
- DC-Spannungsquelle mit Schalter bei 1-fach Unterteilung (Akku oder Netzgerät, erdfrei)
- DC-Spannungsquelle mit Umschalter bei 2-fach Unterteilung (Akku oder Netzgerät, erdfrei)
- Erdungsschalter
AS Anpass-Schaltung: Antennentuner, Unun, Balun …
TRX Transceiver, Station
Die Einspeisemodule (3) befinden sich vor Ort am Fußpunkt der Antenne. Die DC-Spannungsquellen mit Schalter (10,11) können ebenfalls dort angeordnet werden (z. B. bei Portable-Betrieb) oder sie befinden sich im Shack für eine Fernspeisung, vorzugsweise über eine getrennte Zweidrahtleitung. Mit den üblichen Speiseweichen kann man dafür auch das Koax-Kabel vom Transceiver zur Antennenanlage mitbenutzen; hierbei müssen aber mögliche DC-Querwege zwischen Innen- und Außenleiter (z. B. Tuner, Spartrafos oder Teilwicklungen von Ununs/Baluns, evtl. auch der Antennenausgang des Transceivers) kapazitiv unterbrochen werden. Als DC-Spannungsquellen für die Relais können Akkus (z. B. Blei-Vlies, Reihenschaltung von NiMH-AA-Zellen; ggf. gepuffert) oder einfache Steckernetzteile mit guter Siebung verwendet werden. Schaltnetzteile sind wegen möglicher EMV-Probleme nicht geeignet, ebenso AC-Netzteile mit Halbwellengleichrichtung umschaltbarer Polarität. Der DC-Kreis sollte gegen Kurzschlüsse abgesichert werden.
Die einzelnen Module werden in passenden Iso-Kästen ausreichender Schutzart untergebracht. Da sich in den Trennmodulen nur wenige kleine Bauteile befinden, ist die zusätzliche mechanische Belastung frei ausgespannter Antennenleiter gering. Hierbei hängen die Iso-Kästen an Leitungsschwänzen unter Isolatoren, die die Unterteilungsstellen definieren und den mechanischen Zug der Antenne aufnehmen. Bei Verwendung von GFK-Masten als Antennenträger lassen sich die Trennmodule mit Kabelbindern oder Schellen direkt am Mast befestigen.
Die Gleichtaktdrosseln in den Einspeisemodulen (3) werden bifilar auf Ferrit-Ringkerne gewickelt (W1JR-Prinzip: nach der halben Windungszahl Wechsel der parallelen Leitungen über den inneren Durchmesser auf die zweite Kernhälfte; dort in gleichem Sinn weiterwickeln). Ihre Gleichtakt-Induktivität sollte je nach den gewünschten HF-Bändern und dem Eingangswiderstand der Antenne etwa zwischen 30 und 300 uH betragen; mögliche Eigenresonanzen sollten oberhalb der Übertragungsbereiche liegen. Bei rein spannungsgekoppelten Antennen (z. B. EFHW, Fuchs) muss gegebenenfalls die Spannungsfestigkeit zwischen Wicklung und Kern beachtet werden (Bandage des Kerns mit Teflon-Dichtungsband) sowie die maximal zulässige Induktion im Ferrit; eventuell ist ein größerer Kern zu wählen.
Im Fall von hoch übersetzten EFHW-Übertragern ist bei zugänglichem Wicklungsaufbau eine vorteilhafte Alternative für die DC-Einspeisung möglich. Hierzu wird auf den Übertragerkern eine weitere Wicklung mit der Gesamtwindungszahl der Antennenwicklung gleichsinnig aufgebracht. Die DC-Einspeisung erfolgt dann zwischen dem Erdpunkt des HF-Eingangs und dem erdseitigen Ende der Zusatzwicklung. Am anderen Ende der beiden Wicklungen beginnt dann der bifilare Strahlerteil; eine besondere Gleichtaktdrossel entfällt.
Zur Ableitung statische Aufladungen sind die abgeschalteten Antennenteile über hochohmige Widerstände dauernd mit Erde verbunden; die entsprechenden Widerstände (z. B. 3 x 1 MOhm/1 W in Reihe) sind in den Modul-Schaltbildern mit * gekennzeichnet. Zum Statik-Ausgleich zwischen den DC-Leitungen genügen wegen der kleinen Spannungen einzelne Widerstände geringerer Belastbarkeit (z. B. 220 kOhm/0,5 W). Sie sind in den Modul-Schaltbildern mit ** gekennzeichnet. Bei Schaltvorgängen verhindern diese Anti-Statik-Maßnahmen auch die mögliche Ausbreitung von Stoßwellen auf dem Antennenkabel in Richtung zur Station.
Um bei Nichtbenutzung den eigentlichen Antennenleiter niederohmig erden zu können, werden in den Trennmodulen (4) und (9) Relais mit Ruhekontakten bzw. die Ruhekontakte von Wechslern verwendet. Das Relais im Trennmodul (8) benötigt zwei getrennet Ruhe- bzw. Wechsler-Kontakte. Die eigentliche Erdung erfolgt über einen ausreichend spannungsfesten und kapazitätsarmen Schalter (12, z. B. Ruhekontakt eines weiteren Relais; dann ggf. 3-adrige DC-Leitung verwenden) zwischen den Ports a und d der Einspeisemodule (3).
Die Freilauf- und Sperrdioden sind durchweg Standard-Typen wie 1N4007. Die eingesetzten Kondensatoren liegen je nach den gewünschten HF-Bändern zwischen 2,2 und 22 nF/400 V; für höhere Stromtragfähigkeit können dabei auch mehrere kleine Teilkapazitäten parallel geschaltet werden.
Die eingesetzten Relais sollten ohne Last geschaltet werden. Dabei erhöht eine Parallelschaltung mehrerer Kontakte die Kontaktzuverlässigkeit und Stromtragfähigkeit unter Last. Eine Reihenschaltung mehrerer Kontakte erhöht dagegen die Spannungsfestigkeit der offenen Kontakte.
Es folgen die Schaltbilder der eingesetzten Module (3), (4), (8), (9), (10) und (11):
Fortsetzung folgt.
Gl es vy 73,
Tom, DK1IS
. Die analoge Kodierung/Dekodierung der Schaltstellungen über die DC-Spannung ist tricky und ein schönes Beispiel für die ingenieurmäßige Lösung der Aufgabe nach dem damaligen Stand der Technik. Mikroprozessor-Affine (bin ich leider nicht) könnten das sicher digital aktualisieren; die Scheu vor einer Kombination HF/Schalttechnik/Elektronik/DC-Versorgung hat MacTenna jedenfalls genommen.
