Eigenschaften kurzer Antennen

Hallo Clemens,

ich werde mal alle 6 Fälle kurz beschreiben, damit wir uns darüber besser verständigen können. Voraussetzung ist eine symmetrische Speiseleitung, die lang genug ist. Verluste sind vernachässigt und die Speiseleitung ist so verlegt, dass es keine Kopplung vom Dipol auf die Speiseleitung gibt. Im ersten Fall geht sie dann senkrecht zum Dipol nach unten. In den unsymmetrischen Fällen müsste man sie entsprechend abwinkeln. Dies dient zunächst nur zur Vereinfachung der Betrachtung.

• Trafo nur unten
  

  
  

  1) Beide Dipolhälften sind gleich lang:

  
  

  Hier fliessen sowohl unten als auch oben an der Antenne gleich grosse Strome. Das Kabel strahlt nicht, weil sich die Magnetfelder beider Ströme im Idealfall vollständig aufheben.

  
  

  2) Es ist nur eine Dipolhälfte angeschlossen:

  
  

  Unten wird immer noch der Strom eingeprägt. Oben kann am offenen Ende kein Strom fliessen, während am anderen Speisekabelende ein Strom in die andere Dipolhälfte fliessen wird. Da sich nun die beiden Ströme im Kabel unterscheiden, hebt sich das von ihnen erzeugte Feld nicht mehr auf und damit strahlt auch die Speiseleitung.

  
  

  Man kann es auch so betrachten, dass beide Speiseadern wegen ihres dichten Abstandes aufeinander koppeln. Das macht sie am offenen Ende vollkommen (0dB) und am Speisepunkt wo der Trafo einen entgegengesetzten Strom in die Adern einprägt überhaupt nicht (unendliche Koppeldämpfung). Am offenen Ende heben sich der von unten eingeprägte und der von der anderen Ader eingekoppelte Strom auf, so dass er 0 wird.

  
  

  3) Der Dipol ist unsymmetrisch:

  
  

  Es ergibt sich ein Gleichgewicht zwischen 1) und 2). D.h. das Kabel strahlt, aber weniger als bei 2), weil sich die beiden Teilfelder der einzelnen Speiseleitungen schon etwas besser gegeneinander aufheben können.

  
  

  
  

• Trafo unten und oben
  

  
  

  4) Beide Dipolhälften sind gleich lang:

  
  

  Kein Unterschied zu 1)

  
  

  5) Es ist nur eine Dipolhälfte angeschlossen:

  
  

  Die Ströme in den einzelnen Adern der Speiseleitung sind an jedem gemeinsamen Ort entgegengesetzt gleich gross und deren Magnetfelder heben sich auf. Auf der Sekundärseite des oberen Trafos fliesst aber kein Strom, obwohl eine Dipolhälfte dran hängt. Antenne und die Speiseleitung strahlen beide nichts ab. Die gesamt Energie wird im Idealfall zum TX reflektiert (entspricht einem offenen Speiseleitungsende).

  
  

  Man kann es auch so betrachten, dass auf der Sekundärseite des oberen Trafos kein Abschlusswiderstand wirkt (es fliesst ja auch kein Strom durch die Sekundärwicklung) und daher wird alle Energie zum TX refelktiert.

  
  

  6) Der Dipol ist unsymmetrisch:

  
  

  Am oberen Ende der Speiseleitung fliessen in beiden Adern gleich grosse entgegengesetzte Ströme. Die Speiseleitung strahlt also nicht. Auf der Sekundärseite fliesst bei einem 1:1-Trafo der gleiche Strom wie in der Speiseleitung und in beiden Dipolhälften wird der gleiche Strom eingeprägt. Ob Anpassung herrscht kann man allgemein nicht sagen. Es kommt auf die Länge der Dipolhälften an. Sehr wahrscheinlich ist der Strahlungswiderstand aber komplex. Das führt dann zwar zu stehenden Wellen auf dem Speisekabel, doch das Kabel strahlt deshalb nicht.
  

Nun zur oben gemachten Einschränkung der Strahlungskopplung zwischen Dipol und Speiseleitung. Es kommt auf die Wirkfäche an, die die Speiseleitung zum Dipol aufweist. Dieser Effekt überlagert sich zu den oben beschriebenen Wirkungen 1) bis 6). Je nach Orientierung (Winkel) der Speiseleitung zum Dipol kann es bei 2) zu einer Addition oder Subtraktion der eingekoppelten Energie auf die strahlende Speiseleitung kommen. Die Koppeldämpfung ist im Idealfall unendlich, in der Praxis höchstens um die 20dB und so wie Spseiseleitungen üblicherweise hängen, im Bereich um 10dB. Für eine noch festere Kopplung müsste sie schon dichter und länger parallel zum Dipol laufen. Das macht man üblicherweise aber nicht.

Nachtrag:

Ich vergass noch was zur fehlenden Erde zu schreiben. Ja, das ist eigentlich gewollt, weil ich es nicht noch komplizierter machen wollte. Das Thema Erdnetz sollte getrennt in einem anderen Thread behandelt werden, denn so nebenbei wie jetzt abgehandelt ist es eigentlich nicht sehr erschöpfend. Ich kann das ja noch mal explizit erwähnen.

Hallo Clemens,

ok, sehr interessant dein Versuch! Kannst du ihn bitte noch ergänzen, indem du anstatt des Dipols auf der Sekundärseite des oberen Trafos einen Widerstand anbringst, der auf der Leitung eine stehende Welle produziert? In diesem Fall kann man die Einkopplung vom Dipol auf das Kabel ja völlig ausschliessen.

73 de Tom - DC7GB

Hallo Clemens,

warum machst du dir denn die Arbeit so schwer und willst den Trenntrafo gleich für 50MHz aufbauen? Da spielen parasitäre Kapazitäten doch schon eine immer grössere Rolle. Mit einem Guanella-Balun sollte es aber auch klappen. Allerdings ist die Symmetrierung hier von der inneren Kopplung abhängig.

Bei einem echten Trafo ändert sich bei nicht idealem Aufbau nur der Koppelgrad (das hattest du ja selbst schon festgestellt), während die Symmetrierung zwangsläufig immer ideal ist. Ich hatte dazu vor einiger Zeit ein paar Messungen an 1:1-Trafos gemacht. Eine Auswahl der Ergebnisse habe ich in den Anhang gelegt. Man erkennt da, dass ein Eisenpulver-Ringkern zwar breitbandiger ist, aber der Koppelgrad nur eine Refexionsdämpfung von maximal 14,8dB (SWR 1,45) ermöglichst. Das ist allerdings auch nicht gerade schlecht! Mit einem Ferrit-Ringkern erhält man noch etwas bessere Ergebnisse. 50MHz ist aber eine ungünstig hohe Frequenz für alle getesteten Trafos.

Ich schlage vor, probiere es doch mal mit dem Guanella-Balun und wenn die Ströme in den beiden Leitern am TX noch nicht ganz identisch sind, dann liegt es an der nicht ganz vollständigen Symmetrierung. Um die restliche Unsymmetrie auch noch zu eleminieren, kommt man um einen echten Trafo nicht herum. Auf 7MHz wäre der aber sehr viel einfacher aufzubauen und der Effekt ist ja unabhängig von der Frequenz.

Hallo Clemens,

also wenn du alle störenden Randeffekte wirklich ausschliessen willst, dann musst du schon einen Trafo verwenden. Das ist allerdings auf 6m etwas schwieriger. Ich würde den Versuch daher auf 80m oder 40m machen, denn für den Effekt der Einstrahlung auf das Speisekabel spielt die Frequenz ja keine Rolle, abgesehen vielleicht davon, dass die Einkopplung auf tiefen Frequenzen etwas geringer sein müsste.

Die Grösse der Einkopplung spielt aber gar keine grosse Rolle, denn es geht ja um die Symmetrie der Ströme im Speisekabel für den Fall eines unsymmetrischen Dipols. Du hattest vorgeschlagen die beiden Ströme in den einzelnen Adern zu messen und das wäre auch der richtige Weg. Aber auch das dürfte auf 6m schwieriger als auf 40m zu messen sein. Den Versuch nun mit einem Guanella-Balun zu machen, ist an sich ja nicht falsch. Es kommt auch gar nicht auf die galvanische Trennung drauf an, sondern nur darauf, dass der Antennenstrom keinen Gleichtaktanteil auf der Arbeitsfrequenz im Speisekabel erzeugt.

Die Unterschiede zwischen beiden Kopplern sind aber wie folgt: Der Guanella-Balun erzwingt immer mehr Gleichtaktunterdückung durch eine immer fester werdende Kopplung der beiden Wicklungen, während seine Einfügungsdämpfung relativ gering bleibt und praktisch nicht davon abhängt. Bei einem Trafo erzwingt eine immer fester werdende Kopplung dagegen eine immer geringere Einfügungsdämpfung, während die Gleichtaktunterdrückung unabhängig hoch bleibt. Je höher der Koppelgrad, um so besser funktionieren natürlich beide Koppler. Beim Gunanella-Balun variiert mit dem Koppelgrad also seine Gleichtaktunterdrückung und beim Trafo seine Einfügungsdämpfung.

Daher wird es zwangsläufig so sein, dass der Guanella-Balun keine vollständige Symmetrie erzeugen wird. Der Restfehler ist vielleicht vernachlässigbar. Er wird stark mit dem Aufbau variieren und ich wollte nur darauf hinweisen, dass man bei der Interpretation der Messergebnisse kritisch sein muss. Bei 50MHz wird das Ergebnis durch die verfügbaren Bauelemente schon stark beeinflusst; auf 7MHz werden die Restfehler eher zu vernachlässigen sein. Ein praktisches Ergebnis wäre aber sehr interessant!

Wie auch immer, es ist bestimmt so, dass die Symmetrie mit Guanella-Balun auch auf 50MHz besser als ohne sein wird. Allerdings wird man vielleicht den Idealfall der vollständigen Symmetrierung bei dieser Frequenz nicht mehr ganz erreichen können. Damit strahlt dann aber auch das Speisekabel wieder bzw. immer noch. Ausserdem dürfte es schwierig sein, dies breitbandig (160m-6m) hin zu bekommen. Das ändert an der Aussage der zu vernachlässigenden Einkopplung vom Dipol ins Speisekabel nichts. Es zeigt nur, dass die verfügbaren Bauelemente unzureichend sind.

Hallo Clemens,

Der Kopplungsgrad zwischen Antenne und Speiseleitung hängt ausser von ihrer gegenseitigen Orientierung natürlich auch von der Länge der Speiseleitung ab. Wenn sie statt Lambda/2 nur noch Lambda/4 lang wäre, dann würde die eingekoppelte Energie um etwas weniger als 3dB abnehmen. Unter Lambda/4 nimmt die Größe der eingekoppelten Energie immer besser linear mit der Länge des Speisekabels ab. Man müsste das daher auch noch bei kürzeren Speiseleitungen messen können, allerdings ist der Messfehler bei längeren Speiseleitungen geringer.

Wenn es keine zu grosse Mühe macht, dann kannst du ja auch mal messen, wie viel Energie auf einen frei zur Antenne laufenden Draht in Abhängigkeit von seiner Orientierung eingekoppelt wird. Da wäre das Gleichtaktproblem auch nicht vorhanden.