Verlustarme Antennenspeisung

Transkript

1 Verlustarme Antennenspeisung Hungriger Wolf

2 Ziele: geringstmögliche Verluste auf der Speiseleiteung, größtmögliche Abstrahlung an der Antenne in die gewünschte Richtung, möglichst einfache Impedanz- und Symmetrieanpassung, möglichst geringe Anpassungsverluste Vermeidung von Störungen, TVI usw.

3 Wichtige Eigenschaften der Antenne: Impedanz am Speisepunkt Verlauf von Strom und Spannung längs der Antenne Wirkungsgrad, d.h. Verhältnis von Gesamtwiderstand zu Verlustwiderstand Bandbreite in Bezug zur Betriebsfrequenz Verluste von eventuellen zusätzlichen Bauelementen (z.b. Traps) Unwichtige Eigenschaften der Antenne: SWR!! EINE ANTENNE HAT KEIN SWR!!!

4 Wichtige Eigenschaften der Speiseleitung: Impedanz der Speiseleitung nur bedingt frei wählbar (50 / 75 / 93 Ohm als Koax). Leistungsverluste bei richtigem Abschluss sind frequenz- und längenabhängig, ab 14 MHz oft nicht mehr zu vernachlässigen. Zusatzverluste durch Fehlanpassung sind überproportional groß und bestimmen daher fast immer die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems. Impedanztransformation bei Fehlabschluss. Veränderung des SWR längs der Leitung durch Verluste, Messung am Leitungsbeginn täuscht besseres SWR vor als am Antennenspeisepunkt. Strom-, Spannungs- und Impedanzverlauf der Leitung ändert sich im Rhythmus der halben Betriebswellenlänge.

5 Dipol mit Speiseleitung: Symmetrisch gespeister Dipol (7,05 Mhz), 10 m hoch mittlere Erdverhältnisse Z = 79,3 + j1,7 Ohm Stromrichtung auf der Speiseleitung Bewegung der Ladungsträger 30 m Speiseleitung Transformierte Impedanz am Speisepunkt: Z1 = 61,5 - j16,6 Ohm (RG 58A) Z2 = j2090 Ohm (600 Ohm Hühnerleiter)

6 Symmetrische Antenne mit symmetrischer Speiseleitung (1): Im (idealen) verlustlosen Zustand sind die Ströme auf den beiden Leitungen gleichgroß und entgegengerichtet. Dem entspricht eine Phasenverschiebung von 180. Die sich bewegenden Ladungsträger auf den Speiseleitungen erzeugen elektromagnetische Felder. Die Feld- vektoren der beiden elektromagnetischen Felder sind an jedem Leitungsabschnitt gleichgroß und entgegengesetzt. Logische Schlußfolgerung: die beiden Felder heben sich auf, die Speiseleitung kann nicht strahlen. Zweite Schlußfolgerung: das SWR spielt hierbei überhaupt keine Rolle. Hohes SWR ist in keinem Fall für TVI o.ä. verantwortlich!

7 Symmetrische Antenne mit symmetrischer Speiseleitung (2): Ein derartiger Antennenbetrieb wird als Gegentaktbetrieb bezeichnet. Die im Gegentakt verlaufenden Ströme auf der Speiseleitung heben sich auf. Die Speiseleitung kann nicht strahlen. Das Nahfeld der Antenne induziert zusätzliche Ströme in der Speiseleitung. Dies ist besonders ausgeprägt, wenn die elektrische Länge der Speiseleitung der halben Betriebswellenlänge entspricht. Dieser Betrieb wird als Gleichtaktbetrieb bezeichnet. Die nicht mehr im Gegentakt verlaufenden Ströme auf der Speiseleitung heben sich nicht mehr auf; die Leitung kann strahlen! Auf vielen Speiseleitungen treten Gegentakt- und Gleichtaktbetrieb nebeneinander auf, insbesondere wenn uneinheitliche Symmetrieverhältnisse vorliegen. Gleichtaktströme müssen unterdrückt werden.

8 Gleichtaktbetrieb durch falsche Geometrie der Speiseleitung Symmetrisch gespeister Dipol (7,05 Mhz), 10 m hoch mittlere Erdverhältnisse Bewegung der Ladungsträger Im Nahfeld der Antenne induzierter Gleichtaktstrom!

9 Balune: Aufgaben: Schaffung einheitlicher Symmetrieverhältnisse im System Antenne/ Speiseleitung, Unterdrückung von Gleichtaktstörungen bzw. Mantelwellen auf Koaxkabeln, dämpfungsarme Durchleitung von Gegentaktströmen über einen großen Frequenzbereich, Durchleitung hoher Leistungen ohne Sättigungseffekte, Impedanztransformation.

10 Balune: Funktionsweise Kein Balun, lediglich einfache Drosselspule, dämpft auch Gegentaktströme!

11 Balune: Funktionsweise Gegentaktströme erzeugen im Balun Selbstinuktionen, die um 180 phasenverschoben sind und sich daher aufheben. Bei Gleichtaktströme gilt die nicht. Sie werden durch Selbstinduktion gedrosselt.

12 Verluste auf Speiseleitungen Verluste sind Leitungskonstanten (!) und hängen von der Betriebsfrequenz und der Länge ab. Sie werden im wesentlichen vom Dielektrikum gesteuert. Zweidrahtleitungen haben sehr viel geringere Verluste als alle Koaxialleitungen. Sie sind am geringsten bei richtigem Leitungsabschluss und steigen bei Fehlanpassung extrem stark an: Impedanz: 150 Ohm, Leitungslänge: 30 m, Frequenz: 21,05 MHz Kabeltyp RG 58 RG Ohm Grunddämpfung (db/100 m) 7,81 3,20 0,41 Systemdämpfung (db) 2,70 1,20 0,15 SWR ( Antenne) 3,00 3,00 3,00 SWR (Speisepunkt) 1,94 2,42 2,63 Impedanz (Speisepunkt) 32,62 - j21,72 27,07 -j24,99 183,05-160,35 abgestrahlte Leistung (%)

13 Anpassnetzwerke (1): Zielvorgaben: Geringe Verluste im Netzwerk, d.h. Anpassung mit möglichst wenig Bauteilen, vor allem möglichst wenig Induktivitäten, diese allerdings mit hoher Güte, Anpassung bei Koaxkabeln auf 50 Ohm möglichst frühzeitig am System, d.h. am Antennenspeisepunkt, um hohe Leitungsverluste zu verringern, Dem widerspricht aber die Forderung leichter Bedienbarkeit, d.h. Hochwertige Koaxialkabel benutzen und Anpassung im Shack oder Zweidrahtleitung benutzen aufgrund der vernachlässigbaren Dämpfung. Balune o.ä. sollten in erster Linie der Gleichtaktunterdrückung dienen, Impedanztransformation ist - wenn überhaupt - sekundär.

14 Anpassnetzwerke (2): Funktionen: Impedanzanpassung erfolgt durch 2 Vorgänge: 1. Kompensation des Blindwiderstandes 2. Transformation des realen Widerstandes auf 50 Ohm. Verlustbehaftet ist die Kompensation. Bei richtiger Anpassung tritt am Anpassnetzwerk Totalreflexion des rücklaufenden Stromes ein, d.h. auch ein hohes SWR am Antennenspeisepunkt ist für Transceiver / PA ungefährlich.

15 Beispiel: nicht resonanter Dipol Daten: Länge: 30 m Speisepunkt mittig Betriebsfrequenz: 21,05 MHz Leitungslänge: 25 m Höhe: 10 m Absolut nichtresonant! SWR grottenschlecht! Impedanz: 892 j1937 Ohm Anpassung im Shack mit L-Tuner (Spulengüte =200)

16 Beispiel: nicht resonanter Dipol RG 58 RG Ohm abgestrahlte Leistung 4 W 9 W 87,4 W SWR (Ant.) > 20 > 20 9,06 Leitungsverlust 13,84 db 10,10 db 0,33 db SWR (Shack) 4,34 9,82 8,43 Verluste Tuner 0,1 db 0,3 db 0,2 db eingespeiste Leistung 100 W 100 W 100 W

17 Beispiel: Anpassung einer kurzen Vertikalantenne: Antennenhöhe: 16 m 16 Radials zu je 10 m Länge Betriebsfrequenz 3,55 MHz Impedanz: 21,6 j241 MHz Untersucht werden: Anpassung mit pi-filter im Shack Anpassung mit pi-filter am Antennenspeisepunkt Kompensation mit Spule am Speisepunkt und Anpassung im Shack Spulengüte = 200

18 Anpassung mit pi-filter im Shack: RG 58 RG213 abgestrahlte Leistung 15,3 W 28,1 W SWR (Ant.) > 20 > 20 Leitungsverlust 7,91 db 5,08 db SWR (Shack) 8,42 16,23 Verluste Tuner 0,25 db 0,44 db eingespeiste Leistung 100 W 100 W

19 Anpassung mit pi-filter am Antennenspeisepunkt: RG 58 RG213 abgestrahlte Leistung 63 W 72 W SWR (Ant.) > 20 > 20 Verluste Tuner 1,05 db 1,05 db Verluste Leitung 0,93 db 0,40 db SWR Shack 1,00 1,00 eingespeiste Leistung 100 W 100 W

20 Kompensation des Blindwiderstandes am Antennenspeisepunkt und endgültige Anpassung im Shack: RG 58 RG213 abgestrahlte Leistung 65 W 77 W SWR (Ant.) > 20 > 20 Verlustleistung L 10 W 10 W Verluste Leitung 1,03 db 0,45 db SWR Shack 1,00 1,00 Verluste Anpassung 0,02 db 0,02 db eingespeiste Leistung 100 W 100 W