Wie funktioniert die Fuchsantenne?

  • Stand: 14.09.2007



    0. Einleitung


    Die Fuchsantenne bzw. allgemein die endgespeiste Lambda/2-Antenne ist unter Funkamateuren oft der Ausgangspunkt strittiger Diskussionen, denn um diese Antenne ranken sich viele Fragen, die in keinem Antennenbuch zufriedenstellend beantwortet werden. Hier einige davon:

    • Wie ist es möglich, dass von einem Fuchskreis ein Strom in die Antenne fliessen kann, ohne dass ein Potentialunterschied zwischen Fuchskreis und Antenne vorhanden ist?
    • Kann ein Stromkreis aus nur einem Draht bestehen?
    • Hat die Fuchsantenne das gleiche Nahfeld wie ein Lambda/2-Dipol?
    • Welche Aufgaben erfüllt der Fuchskreis?

    Ich möchte versuchen hier diese und weitere Fragen zu klären und bitte Euch um Diskussionsbeiträge und praktische Ergänzungen, die ich ebenso wie Korrekturen in den Text einarbeiten werde.



    1. Die klassische Antennenankopplung


    In den Anfängen der Funktechnik, zu Beginn des 20. Jahrhunderts, koppelte man einen langen Antennendraht einfach kapazitiv an einer geeigneten Anzapfung der Sendeendstufe an. Aus heutiger Sicht wurden dadurch die zwei Bedingungen einer komplexen Leistungsanpassung erfüllt: a) durch Wahl der richtigen Spulenanzapfung erfolgte die erforderliche Widerstandstransformation des Antenneneingangswiderstandes und b) durch Abgleich des Anodenschwingkreises wurden kapazitive oder induktive Anteile der Antennenimpedanz kompensiert und in den Kreis eingestimmt.


    Zwischen der Antenne und dem Erdreich bildete sich nun ein elektromagnetisches Feld aus, und der Generatorstromkreis musste über eine gute Erdverbindung zum Sender wieder geschlossen werden. Ohne diese Verbindung war der Antennenwirkungsgrad abhängig vom Erdwiderstand, und das Gehäusepotential des Senders konnte gegen Erde hohe HF-Spannungen haben, was für den Operator bereits bei relativ kleinen Sendeleistungen (ab 10 W) sehr gefährlich sein kann.



    2. Der Lambda/2-Langdraht mit Endspeisung


    Der Strahlungswiderstand eines Vertikalstrahler ist abhängig von seiner Länge. Der qualitative Zusammenhang kann in den Diagrammen zu diesem Forumsbeitrag abgelesen werden. Man erkennt lokale Maxima bei Vielfachen von Lambda/2. Das erste Maxima liegt bei etwa 0,45 Lambda und hat gegen Erde den Wert von etwa 107 Ohm.


    Bei Antennen > Lambda/4 ist der Strahlungswiderstand Rs jedoch nicht mehr mit dem Eingangwiderstand Rein identisch. Er wandert mit dem Strombauch und befindet sich bei einem Lambda/2-Strahler als Modellvorstellung kompakt in der Mitte des Strahlers. Zum Speisepunkt wirkt das verbleibende Lambda/4 lange Antennenstück nun als transformierende Leitung, so dass der Eingangswiderstand Rein im Speisepunkt deutlich hochohmiger wird. Je nach Leitungslänge und Eigendämpfung führt dies zu unterschiedlichen Werten von Rein (siehe Anlage für verschiedene Amateurbänder).


    Schaltet man diese Antenne an den Hochpunkt eines Parallelschwingkreises, der auf der anderen Seite mit Erde verbunden ist, so kann man die Antenne über Abgriffe oder eine Koppelwicklung an den 50 Ohm-Ausgang eines TX anpassen (siehe Abb. 1). Das elektromangnetische Feld baut sich bei unendlich gut leitender Erde nun zwischen Antenne und Erde auf. Es fliesst ein Erdstrom, der die gleiche Größe wie der in die Antenne vom Parallelkreis eingekoppelte Strom hat. Die kapazitive Rückwirkung Zwischen Antenne und dem Kreis kann in diesem Fall vernachässigt werden.



    3. Die Idee von Josef Fuchs, OE1JF


    Lambda/2 lange Antennen ähneln einem Parallelschwingkreis. Zwischen ihren beiden Antennenenden ist das elektrische Potential entgegengesetzt und die elektrische Feldstärke damit maximal. Koppelt man nur eine Seite der Antenne an einen Parallelschwingkreis (erst dann nennt man ihn Fuchskreis), der zugleich nur induktiv mit dem Ausgangsschwingkreis des Senders gekoppelt ist, so erfolgt auch ohne galvanische Verbindung mit Erde eine Energieübertragung auf die Antenne und damit eine Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen (siehe Abb. 2).


    Der HF-Stromkreis wird hierbei über die Koppelkapazität Ck geschlossen (siehe Abb. 3). Diese Koppelkapazität wirkt wegen des sich ändernden Potentials entlang der Antenne (a-b) nur mit der Hälfte der physikalischen Länge. Zwischen Antennenende b und Koppelpunkt c herrscht in Resonanz kein Potentialunterschied, so dass von dort auch bei endlichem Abstand kein kapazitiver Strom zum Fuchskreis fließen kann.


    Der Antennenstrom ist bei der Fuchsantenne also von Ck abhängig. Diese Koppelkapazität nimmt mit steigender Frequenz ab, da die Antenne aus Resonanzgründen dann kürzer sein muss. Gleichzeitig nimmt bei steigender Frequenz aber auch der kapazitive Blindwiderstand ab. Beide Effekte kompensieren sich, so dass die Wirkung von Ck unabhänig von der Arbeitsfrequenz der Fuchsantenne ist. Ck führt auch zu einer geringfügigen Verstimmung des Fuchskreises hin zu tieferen Frequenzen, die aber leicht eingestimmt werden kann. Die Größe von Ck kann durch das Anbringen einer Metallfläche am Punkt c erhöht werden. Dies führt zu einem geringfügigen größeren Antennenstrom und damit zur Erhöhung des Antennenwirkungsgrades. Der Antennenstrom selbst wird aber in stärkerem Maße von der Güte des Fuchskreises bestimmt. Sein Resonanzwiderstand Rres sollte deshalb hoch gegenüber dem Eingangswiderstand Rein der Antenne sein. In Grenzen erreicht man dies durch ein hohes L/C-Verhältnis bzw. auch durch mechanisch grössere Kreise, wodurch wegen der grösseren Baufläche automatisch auch Ck erhöht wird.


    Im Idealfall bildet sich das elektromagnetische Feld bei einer Fuchsantenne nur zwischen Anfang und Ende des Strahlers und nicht mehr gegen Erde aus. Es entspricht dann in Näherung dem Nahfeld eines Dipols. Unterschiede findet man jedoch an den Speisepunkten. Während beim Dipol der Strom an beiden Enden zwangsläufig Null sein muß, kann er bei der Fuchsantenne im Speisepunkt am Drahtende nicht gleich Null sein, weil sonst keine Energie in die Antenne fließen könnte. Dafür ist bei der Fuchsantenne die Spannung in der Mitte des Strahlers gleich Null, was wiederum bei einem Dipol im Speisepunkt nicht sein kann. Die allgemein als sinusförmig idealisierten Strom und Spannungsverteilungen sind also mit kleiner werdenden Abstand zum Speisepunkt gar nicht mehr sinusförmig. Dies gilt jedoch grundsätzlich für alle Drahtantennen. Da bei der Fuchsantenne im Idealfall in der Erde kein HF-Strom mehr fließt, entfallen wie beim Dipol sämtliche Erdverluste der Schaltung nach Abb 1.


    Diese Idee ließ sich Josef Fuchs um 1927 patentieren.



    4. Die reale Lambda/2-Antenne.


    In der Praxis hängt die Lambda/2-Antenne weder über unendlich gut leitenden Boden, noch verhindert man aktiv durch Abschirmung des Fuchskreises und Kontaktierung des Schrims mit dem Speisepunkt der Antenne die Wirkung von Ck. Aus diesem Grund stellt sich immer ein standortabhängiger Mischbetrieb zwischen den beiden Idealvorstellungen ein, den man z.B. durch Radials beeinflussen kann. Der dadurch erzielte Effekt ist gering und beeinflußt im wesentlichen nur den Abstrahlwinkel der Antenne.


    Der Mischbetrieb ist durch das Verhältnis der Koppelströme ik/ierde charakterisiert (siehe Abb. 4). Der Erdstrom ierde hängt von der Bodenleitfähigkeit 1/Zerde und von der Erdungsimpedanz Zm des TX gegen Erde ab. Ist die kapazitive Kopplung über Zk gross gegen die Erdkopplung und weiterhin Zm niederohmig genug, so ist die entstehende Spannung zwischen TX-Gehäuse und Erde so klein, dass man bei Berührung nichts merkt. Im ungünstigen Fall, also bei genügend gut leitender Erde, kann sich aber bereits bei nur wenigen Watt Sendeleistung an Zm (das ist im ungünstigsten Fall der Hautwiderstand des Operators!) eine hohe HF-Spannung einstellen. Dies lässt ganz nebenbei auf einen schlechten Wirkungsgrad der Antenne schliessen, da Zk dann offenbar viel zu hochohmig ist.


    Abhilfe schafft eine Erhöhung von Ck durch Anbringen einer kleinen Metallfläche am Fuchskreis (siehe oben) oder eine Verminderung (!) der Bodenleitfähigkeit. Nicht an den Antennenfußpunkt angeschlossene Radials oder große elektrisch leitende Flächen unterhalb der Antenne können die Gefahr eines HF-Schlags daher erhöhen. Da der Nutzen von Radials bei der Fuchsantenne ohnehin verschwindend gering ist, sollte man also gleich ganz darauf verzichten.



    5. Zusammenfassung


    Die Fuchsantenne erzeugt im Nahfeld in guter Näherung den gleichen Feldverlauf wie ein Dipol. Ihre Verluste werden im wesentlichen durch den kapazitiven Koppelgrad und die Güte des Fuchskreises begrenzt. Je kleiner dieser Koppelgrad wird, um so stärker wird auch der Einfluss der Güte des Fuchskreises. Die echte Fuchsantenne benötigt keine Radials, weil es keinen Erdrückstrom gibt. Sie ist daher gegen Nahbereichs-QRM genauso unempfindlich wie ein Dipol.


    Erdet man dagegen den Fußpunkt des Fuchskreises, so bildet sich das elektromagnetische Feld mit zunehmender Bodenleitfähigkeit auch gegen Erde aus. Alle im Erdnetz fliessenden Störströme überlagern sich im Empfangsfall dem Nutzsignal. Daher sind solche Antennen gegen Nahbereichs-QRM sehr empfindlich. Wichtig auch: Dies ist per Definition keine Fuchsantenne mehr!


    Da die Namen Fuchskreis und Fuchsantenne leider für beide Schaltungen gebräuchlich sind (genau müsste man von "endgespeister Lambda2-Antenne" sprechen), sie sich aber im Nahbereich etwas anders verhalten, kommt es bei Diskussionen oft zu Mißverständnissen. Man sollte sich also genau anschauen, was man da benutzt, denn ein niederohmig geerdeter Fuchskreis ist streng genommen kein Fuchskreis mehr! Wie sich gezeigt hat, ist die Erdung aber auch nur bei hoher Bodenleitfähigkeit, also z.B. auf einem Schiff, sinnvoll, weil man sonst bei Berührung des Sendergehäuses mit HF-Schlägen rechnen muss. Diese Unberechenbarkeit könnte der Grund dafür ein, warum die Fuchsantenne im stationären Betrieb "in Ungnade" gefallen ist, denn stromgekoppelte Dipole haben diese Probleme nicht.


    Um statische Aufladungen der Antenne zu vermeiden, sollte man jedoch auch beim Fuchskreis einen hochohmigen Ableitwiderstand (1 MOhm) nach Erde schalten. Dieser Widerstand ändert am elektromagnetischen Feld selbst nichts.

  • Quote

    Das elektromagnetische Feld bildet sich nun zwischen Anfang und Ende des Strahlers und nicht mehr gegen Erde aus. Es entspricht in Näherung dem Nahfeld eines Dipols. Unterschiede findet man jedoch an den Speisepunkten. Während beim Dipol der Strom an beiden Enden zwangsläufig Null sein muß, kann er bei der Fuchsantenne im Speisepunkt am Drahtende nicht gleich Null sein, weil sonst keine Energie in die Antenne fließen könnte. Dafür ist der Strom in der Mitte gleich Null, was wiederum bei einem Dipol im Speisepunkt nicht sein kann. Da bei der Fuchsantenne in der Erde kein HF-Strom mehr fließt, entfallen wie beim Dipol sämtliche Erdverluste der Schaltung nach 2.


    Ich glaube das sollte heißen "...die Spannung ist in der Mitte gleich Null....".
    Danke für die aufschlußreichen Erläuterungen zum Prinzip Fuchsantenne.


    Gruß
    Holger

  • Hallo Tom,


    Danke für die Erklärung. Dann muß ich meine Fuchsantenne, die eigentlich keine ist :-), sondern nur ein endgespeister Dipol nur etwas umbauen und den Parallekreis nicht erden, schon habe ich das Original.


    Werde gelegentlich mal probieren, welche Auswirkungen das in der Praxis hat und ob es sich lohnt.

  • Quote

    Original von DF2OF
    Hallo Tom,


    Danke für die Erklärung. Dann muß ich meine Fuchsantenne, die eigentlich keine ist :-), sondern nur ein endgespeister Dipol nur etwas umbauen und den Parallekreis nicht erden, schon habe ich das Original.


    Werde gelegentlich mal probieren, welche Auswirkungen das in der Praxis hat und ob es sich lohnt.


    Der DL-QRP-AG Fuchskreis nach DL7AQT hat KEINE Masseverbindung zwischen der Koppelspule und dem Resonanzkreis. Beschwerden über schlechte Funktion, die wir im Einzelfall hatten konnten dadurch erledigt werden, dass wir die feste Masseverbindung die die Bastler eingebaut hatten weil sie glaubten es läge ein Schaltungsfehler vor wieder entfernt haben.


    Die Erklärung von Tom ist gut nachvollziehbar. Ich habe das bei einer Vorstellung unseres Fuchskreises einmal anders ausgedrückt:


    Eine Lambda/Halbe Antenne mit Fuchskreis ist ein Dipol. Die eine Seite ist als AntennenDraht ausgebildet, die andere Seite als Parallelkreis. Elektrisch gesehen ist der Parallelkreis nur eine andere Aufbauform, eine Nachbildung. Das ist so wie bei einer Zweidraht Speiseleitung, die ich durch ein symmetrisch Anpassglied verlängern kann.

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

  • Hallo YLs und OMs,


    Hat jemand vielleicht schon mal etwas genauere Messungen gemacht, wie sich die Bandbreite des Fuchskreises erhöht, wenn man die Antenne anschliesst? Für ein Rechenbeispiel wären diese Werte sehr interesssant.


    @Holger


    danke für den Hinweis. Natürlich muss da "Spannung" und nicht "Strom" stehen. Ich habe es korrigiert.


    Matthias


    Es wäre sehr interessant, wenn du deine Erfahrungen hier berichten würdest.

  • Hallo OMs,


    ich habe der Erklärung ganz am Anfang mal zwei Kurven für den Strahlungswiderstand Rs eines endgespeisten Langdrahts, der nicht gegen Erde, sondern gegen sein Ende erregt wird beigefügt. Dazu muss man noch wissen, dass die Antenne als verlustbehaftete Leitung betrachtet wird und sich deshalb in Abhängigkeit von den ohmschen Verlusten des Antennendrahts verschiedene Strahlungswiderstände Rs ergeben.


    Ich habe zwei Diagramme angefügt. In einem Diagramm wird die Frequenz bei 3,5 MHz konstant gehalten und die Dämpfung der Antennenleitung variiert mit den Werten 1dB, 3dB und 6dB. Der Draht ist hierbei maximal 120m (3/2 Lambda für 80m) lang. Das zweite Diagramm hält die Dämpfung bei 3dB konstant und variiert die Arbeitsfrequenz mit den Werten 3,5MHz, 7MHZ und 14MHz. Die sich hierbei ergebende Änderung der Kurven kommt daher, dass die Antennenlänge von 3/2 Lambda jetzt von 120m bis 30m variiert, was natürlich auch Einfluss auf die ohmschen Verluste der Antenne haben muss. Welche Verluste man nun bei einer realen Antenne hat, ist nicht ganz einfach zu sagen. Man müsste dazu die Bandbreitenänderung des Fuchskreises bei Belastung messen (daher meine Frage und Bitte nach Messwerten zuvor).


    Als Ergebnis kann man ablesen, dass auch der Antennendraht selbst hochwertig sein sollte (wer hätte das gedacht - hi). Wenn der Fuchskreis nun nicht deutlich hochohmiger als der Strahlungswiderstand der Antenne ist, so nimmt der Antennenwirkungsgrad ab! Die Höhe der Verluste kann man ganz simpel mit parallelgeschalteten Widerständen selbst ausrechnen. Weiterhin erkennt man, dass der Langdraht bei Lambda/2 insgesamt am hochohmigsten ist und bei allen weiteren Vielfachen immer niederohmiger wird. Plausilbel ist auch, dass ein sehr kurzer "Langdraht" immer hochohmiger wird, weil er dem Fuchskreis immer weniger Energie entnimmt (Ck wird immer kleiner) und somit natürlich auch weniger abstrahlen kann. Dies ist ein entscheidender Unterschied zum gegen Erde erregten Strahler, dessen Strahlungswiderstand immer niederohmiger wird, was seine zunehmende Erdnetzempfindichkeit erklärt.

  • Hallo Mitleser,


    Ulrich,
    Ich habe nichts dagegen, wenn du dich in unserem Forum sachlich äusserst. Deine verdammten Polemiken läßt du gefälligst sein, sonst fliegst du gleich wieder raus! Üble Polemiken gegen Personen werden - wie in diesem Fall gelöscht - sobald sie aufgefallen sind. Wenn es dir nicht passt, dann eröffne selbst ein Forum.
    DL2FI, Admin


    Mal ehrlich, stellt sich da nicht wenigstens bei denjenigen Mitlesern, die schon zum Teil mehrere Jahrzehnte praktische Amateurfunkerfahrungen haben, ein leises Unbehagen ein, wenn hier "bewiesen" wird, daß ein gegen Erde erregter Halbwellenstrahler einen Speisewiderstand von 107 Ohm haben soll??
    Hat noch niemand von euch die Erfahrung gemacht, daß man sich an einem endgespeisten gegen Erde erregten Halbwellenstrahler schon bei 10 Watt Brandblasen an den Fingern holen kann? Nahcdenken: Geht das bei einer Antenne mit 107 Ohm Eingangswiderstand??


    Ist denn niemandem aufgefallen, daß DC7GB zwar die richtige Kurve (Strahlungswiderstand einer Vertikalantenne) benutzt, daß er aber die Begriffe "Strahlungswiderstand" und "Widerstand im Speisepunkt" verwechselt und darauf eine ganze Kette falscher Schlußfolgerungen aufbaut?


    Es ist richtig, die Kurve zeigt den Strahlungswiderstand einer (nicht allzu dicken) Vertikalantenne über Erde. Gemeint ist aber hier der Strahlungswiderstand der Antenne, die in ihrem Strommaximum gespeist wird. Ein vertikaler Halbwellendipol über Erde hat diesen Strahlungswiderstand von ca. 100 Ohm, wenn er in der Mitte gespeist wird. Speist man am Ende (es ist egal, ob oben oder unten!) ein, transformiert sich dieser Widerstand auf einen Wert, der vom "Wellenwiderstand" desr Antennendrahts abhängt:


    Rfuß = Zl ^2 / Rs


    Zahelnwerte: Den ungefähren Wellenwiderstand kennt man von der "Eindrahtleitung" der klassischen Windom-Antenne, der ist in der Größenordnung von 550 Ohm..


    Wir erhalten also einen Fußpunktwiderstand in der Größenordnung von ca. 3000 Ohm, und diesen Wert kennt auch jeder, der einmal eine Fuchsantenne oder endgespeiste Halbwellenantenne aufgebaut hat..


    Den Rest kann sich jeder selbst zusammenreimen.


    "echte" und "falsche" Fuchsantennen? --> Unsinnige Unterscheidung
    "Erdströme" beim gegen Erde endgespeisten Halbwellendraht? -->Unsinn


    und so weiter, und so fort, meine Zeit ist leider heute etwas knapp, also bitte:
    selber nachdenken!
    73
    Ulrich, DF4KV

  • Halo Ullrich,


    auch wieder da? Nun, da kann man gar nichts verwechseln, denn für diesen Fall sind beide identisch ;)


    Ich zitiere mal aus dem , was der Admin wieder geöscht hat:


    Quote

    Original von df4kv
    Hat noch niemand von euch die Erfahrung gemacht, daß man sich an einem endgespeisten gegen Erde erregten Halbwellenstrahler schon bei 10 Watt Brandblasen an den Fingern holen kann? Nahcdenken: Geht das bei einer Antenne mit 107 Ohm Eingangswiderstand??


    Wer nun mal das Beispiel im ersten Beitrag nachliest und nachempfindet, der dürfte wissen wie unangenehm 264V an 107 Ohm Strahlungswiderstand bei nur 10W sein können.

  • Hallo Tom,


    Quote

    Original von DC7GB
    Wer nun mal das Beispiel im ersten Beitrag nachliest und nachempfindet, der dürfte wissen wie unangenehm 264V an 107 Ohm Strahlungswiderstand bei nur 10W sein können.


    mein Taschenrechner meint, das 264V an 107 Ohm einer Leistung von 651W entspricht.