Verluste kurzer Antennen in der Praxis

  • Verluste an verkürzten Vertikalantennen am Beispiel einer 10m langen
    Antenne für 160m.


    Wie oft finden wir sie, die Wunderantenne? Kurz, klein, unsichtbar für
    "Antennengeschädigte" mit enormen Gewinn ..., nur für wen? Dieser Artikel will
    möglichst unwissenschaftlich aber anschaulich ein paar Zusammenhänge
    aufzeigen, die durch die Physik vorgegeben sind.


    Ein moderner Transceiver hat einen Ausgangswiderstand, der per Definition auf
    50Ohm genormt wurde. Passend dazu bietet die Kabelindustrie freundlicherweise
    Koaxkabel mit einem Wellenwiderstand von 50Ohm an. Der simple Grund ist, daß
    man an der Stoßstelle zwischen Sender und Kabel keine Reflexionen haben möchte.
    Sprich, man möchte die Energie möglichst verlustfrei in das Kabel loswerden.


    Die Antenne und die elektromagnetischen Wellen, die von der Antenne
    abgestrahlt werden sollen, schert es erst einmal herzlich wenig was der Mensch
    definiert hat. Durch die Strom-/Spannungsverhältnisse auf der Antenne ergeben
    sich an jeder Stelle der Antenne gem. Ohmschen Gesetz andere Widerstände.
    Der Mensch versucht nun sein auf 50Ohm definiertes Koax irgendwo anzuschließen,
    wo die Antenne auch 50Ohm hat. Strenggenommen gilt das nur für eine Frequenz,
    bzw. vielfache davon, wo die Strom-/Spannungsverhältnisse wieder 'zufällig' 50Ohm
    ergeben (z.B. Lambda 3/4). Das ist beim Lambda-halbe Dipol nun etwa der Fall.


    Das Problem in unserem Fall (verkürzte Antenne) ist nun, daß wir keine 50Ohm finden,
    weil sich der Widerstand aus zwei Komponenten (der Real- und der Blindkomponente)
    zusammensetzt. Diese Komponenten sind um 90Grad phasenverschoben. Tatsächlich
    finden wir bei unserer 10m langen Vertikal für 160m ca. 2 Ohm - j1000 Ohm. 2 Ohm
    real, 1000 Ohm kapazitiv. Also keine 50 Ohm ohne Blindanteil.


    Blindwiderstände sind unerwünscht und müssen kompensiert werden. Also bauen wir
    das Gegenteil von dem ein, was als Blindkomponente (-j1000 Ohm) steht -> eine
    Spule, die ebenfalls für die Frequenz einen Blindwiderstand von +j1000 Ohm
    hat.


    Wenn das nun optimal funktioniert, wird die Blindkomponente kompensiert. Die
    Antenne hat jetzt einen Widerstand von 2 Ohm ± j 0 Ohm. Mist! Immer noch keine
    50Ohm. Wenn wir jetzt aber ein SWR von 1:1 messen sollten, haben sich still und
    leise Verluste eingeschlichen, die sich zu den 2 Ohm addieren. Erst einmal ca. 5Ohm
    durch die Spule (+j1000 Ohm / Güte). Wenn wir die Güte mit 200 annehmen, ergeben
    1000Ohm/200=5Ohm. Also sind wir schon bei 2+5=7Ohm.


    Jetzt kommt noch ein unsichtbarer Feind daher, der ganz gierig Sendeenergie
    vernichten möchte. Die Erdverluste! Der Gegenpol zu unserem Strahler ist, da wir
    keinen Dipol betreiben, die Erde. Die Erde leitet leider fast gar nicht. Also suchen
    wir uns Komponenten, die die Leitfähigkeit am Fußpunkt der Antenne (da wo unser
    Kabel angeschlossen wird) verbessert. Dafür nehmen wir Radials, Heizungen,
    Wasserrohre, Dachrinnen, etc.. Aber wie gut leitet das, was wir angeschlossen
    haben wirklich? Der HF-Widerstand hat leider nichts mit dem Gleichstromwiderstand
    zu tun. In Erdnähe sind kapazitive Kopplungen für diese Verluste verantwortlich. Je
    höher der Speisepunkt ist, desto weniger Radials braucht man, weil diese Kopplung
    abnimmt. Deshalb braucht man nicht so viele "elevated" Radials. Eine 160m Antenne
    wird man aber kaum in 10m Höhe aufbauen können. Also bleibt die Kopplung zum
    Erdboden hoch. Was macht man dagegen? Mehr Radials auslegen, Wasserrohre
    anschließen, etc.! Dennoch bleiben ein paar Verluste.


    Wenn das SWR also 1:1 ist, kann man davon ausgehen, daß wir 43Ohm Erdverluste
    haben (die 7 Ohm (Realteil + Spule) plus 43Ohm Erdverluste = 50Ohm) Voila,
    SWR 1:1 und wir meinen: "Hey klasse, meine Antenne funktioniert!!" Aber nix da!
    Die Verluste verheizen die Energie!


    Die Effizienz (also die abgestrahlte Leistung) ergibt sich aus den 2 Ohm
    Strahlungswiderstand zum Gesamtwiderstand. 2Ohm zu 50Ohm ergeben 4%.
    Von 5Watt QRP werden nur noch 200mW abgestrahlt!


    Was nun?


    Je länger die Antenne zur Wellenlänge ist, desto höher ist der Strahlungswiderstand
    (bis Lambda/2; wir betrachten bei der verkürzten Antenne nur bis Lambda/4).
    Gleichzeitig benötigen wir weniger Induktivität, um den geringer werdenden
    kapazitiven Blindwiderstand zu kompensieren. Bei z.B. 18m Länge statt 10m ergeben
    sich rund 5Ohm -j600 Ohm. Wenn die Spule gleichzeitig mit einer besseren Güte
    hergestellt wird (Q=300) ergeben sich 600Ohm/300=2Ohm für die Spule. In Summe
    wieder 7Ohm, aber 5Ohm sinnvoller Strahlungswiderstand und nur 2Ohm Verluste.
    Effizienz?
    5Ohm/50Ohm=10% => von 5Watt werden 500mW abgestrahlt. Immerhin 4dB mehr!


    Nun zum echten Feind: Die Erdverluste! Was bleibt? Radials! So viele und so
    lang wie irgend möglich. Diese möglichst gleichmäßig im Garten verteilen. Vielleicht
    bekommen wir die Erdverluste auf 7 Ohm gedrückt!? Was wenn?
    Dann haben wir 5+2+7=14Ohm. Effizienz: 5Ohm/14Ohm=36% Wow! Von 5W gehen
    knapp 1,8W in die Luft! Ein Antennenanalyzer wäre hier sinnvoll, um die tatsächliche
    Fußpunktimpedanz zu messen!


    Aber -oh Schreck- 14Ohm : 50Ohm => Das SWR ist im roten Bereich! Die Antenne
    kann ja nicht funktionieren!!! Kann sie nicht? Doch! Wir müssen nun die 14Ohm an
    die 50Ohm anpassen. Wir machen es uns jetzt mal einfach, und behaupten, daß das
    ein autom. ATU am Fußpunkt am besten kann, womit man dann auch die Antenne
    etwas breitbandiger (im Sinne von remote nachstimmbar) betreiben kann. Denn
    wenn auf eine hohe Güte geachtet wurde, wird eine Antenne auf 160m schmalbandig
    arbeiten. Dafür aber effektiv, und darauf kommt es gerade bei QRP an!


    Der ATU hat jetzt nicht mehr viel Arbeit zu leisten und sollte kaum Verluste beitragen.
    Wenn man die Spule für 80m per Relais überbrückt, hat man zusätzlich eine super
    Antenne für 80m. Auf 80m ergeben sich mit dem 18m Strahler etwa 50-60%
    Wirkungsgrad, je nach Erdverlusten.


    Fazit: Wenn man also weiß wie lang die Antenne im Verhältnis zur Wellenlänge
    ist, kann man schon grob abschätzen welchen Wirkungsgrad sie hat und wie
    beworbene "Gewinne" einzuschätzen sind. Ist dann das Erdnetz unzureichend
    und/oder sind noch verlustbehaftete Bauteile im Spiel (z.B. kleine, eng gewickelte
    Spulen) wird der Wirkungsgrad noch (viel) schlechter.


    Damit erübrigt sich in aller Regel die Frage nach Erfahrungsberichten zu Antennen,
    sofern die Frage Richtung Performance zielt. Die Bandbreite der (ehrlichen) Antworten
    ist so groß, wie die Bandbreite der Qualität vom verwendeten Erdnetz. Der
    Erfahrungsbericht bezieht sich also selten auf die Antenne selbst. Davon unabhängig
    sind natürlich Erfahrungswerte zur mechanischen Stabilität, Wertigkeit und
    Handhabung interessant.

  • Siehe dazu meinen Beitrag
    HF-Erde für kleine Vertikalantennen
    in FUNKAMATEUR 1998, H. 7, S. 848-849


    Tabelle 2: Strahlungswiderstand kurzer Antennen
    Tabelle 3: Beispiele für den elektrischen Wirkungsgrad
    ( 8m Vertikal auf 40-, 80- und 160m )



    Ich selber betreibe seit 14 Jahren eine 9m Vertikalantenne auf allen Bändern
    160 (!) bis 10m. Die Antenne steht auf dem Erdboden zwischen Reihenhäusern.
    Ausführliche Beschreibung in FUNKAMATEUR 1998, H. 5, S. 563 - 567

  • Werter OM Horst,
    danke für den tollen Beitrag. In diesem Forum wird normaleweise mit Fakten geholfen und nicht mit einer Zeitschrift, wo die Veröffentlichung schon fast 9 Jahre zurück liegt. Das ist sicher auch ein Grund, warum der Nachwuchs wegen fehlender Informationenen zu Grunde geht. Ich liege zwar noch eine Generation zurück und werde nächstes Jahr 60 und versuche, mich nur positiv und effektiv am Geschehen zu beteiligen, um anderen OM's zu helfen. In diesem Sinn, lbr OM Horst, noch einen schönen Sonntagabend...

  • Quote

    Original von DC4LO
    Werter OM Horst,
    danke für den tollen Beitrag. In diesem Forum wird normaleweise mit Fakten geholfen und nicht mit einer Zeitschrift, wo die Veröffentlichung schon fast 9 Jahre zurück liegt. Das ist sicher auch ein Grund, warum der Nachwuchs wegen fehlender Informationenen zu Grunde geht. Ich liege zwar noch eine Generation zurück und werde nächstes Jahr 60 und versuche, mich nur positiv und effektiv am Geschehen zu beteiligen, um anderen OM's zu helfen. In diesem Sinn, lbr OM Horst, noch einen schönen Sonntagabend...


    Gerhard, was soll denn das? In diesem Forum werden die Leute nicht angemacht, wenn sie einen Verweis auf einen hilfreichen Artikel geben. Ich habe hier im Forum dutzende Literaturstellen gesehen. Was soll Horst denn deiner Meinung nach tun, soll er den Artikel nachempfinden?? Sein damaliges Manuskript kann er schlecht hier posten.


    Du weisst genau, dass jeder sich diese Ausgabe des FA besorgen kann, wenn er möchte, der Hinweis ist also völlig ok.

    73/2 de Peter, DL2FI
    Proud member of Second Class Operators Club SOC and Flying Pig Zapper #OOO (Certificated Kit Destroyer)

  • Hi,
    also das finde ich auch. Wenn wirklich einer einen Artikel braucht, dann kann er in die Runde fragen und bekommt ihn sicher. Ansonsten hat den Artikel sicher der Verlag noch.
    Ansonsten war das ein sehr anschaulicher Artikel von Ken.

  • Quote

    Original von DL2FI


    Gerhard, was soll denn das? In diesem Forum werden die Leute nicht angemacht, wenn sie einen Verweis auf einen hilfreichen Artikel geben. Ich habe hier im Forum dutzende Literaturstellen gesehen. Was soll Horst denn deiner Meinung nach tun, soll er den Artikel nachempfinden?? Sein damaliges Manuskript kann er schlecht hier posten.


    Du weisst genau, dass jeder sich diese Ausgabe des FA besorgen kann, wenn er möchte, der Hinweis ist also völlig ok.


    Hallo Peter,
    ich werde versuchen, dieses Heft zu bestellen. Da auch Veröffentlichungen in Zeitschriften nicht so lange wie Patente geschützt sind, gibt es doch einige OM's, die dann Ihre Artikel auf der Homepage bereit stellen. Ich bitte hiermit um Entschuldigung. Selbst der "Quarz-Papst" von KVG hat sein Buch, das es nicht mehr gibt, in das Internet gestellt.

  • Quote

    Original von DL2FI


    Gerhard, was soll denn das? In diesem Forum werden die Leute nicht angemacht, wenn sie einen Verweis auf einen hilfreichen Artikel geben. Ich habe hier im Forum dutzende Literaturstellen gesehen. Was soll Horst denn deiner Meinung nach tun, soll er den Artikel nachempfinden?? Sein damaliges Manuskript kann er schlecht hier posten.


    Du weisst genau, dass jeder sich diese Ausgabe des FA besorgen kann, wenn er möchte, der Hinweis ist also völlig ok.




    Das fragliche Heft des FA ist definitiv noch beim Verlag erhältlich. Alternativ gibt es auch Jahrgangs-CDs beim Funkamateur mit allen Beiträgen des jeweiligen Jahrgangs, derzeit ab 1995 !!