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Projekt:Verlängerter λ/4 Strahler | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kontakt: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Einleitende Worte | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Nach
dem Motto, man nehme eine Rolle Draht, zwei Abspannleinen, zwei Isolatoren
und einen 500 pF Drekondensator und baue in fünf Minuten eine Portabelantenne.
Alles sollte in der Bastelkiste zu finden sein, einfacher gehts wohl kaum.
Gesehen und ausprobiert wurde diese Antenne in Thalbürgel zum QRP-Treffen. Helmut, DL2AVH demonstrierte ein QSO mit seinem 3 Volt Transceiver und dieser verlängerten λ/4 Antenne. Für portabel Betrieb ist es nicht nur eine Behelfsantenne. Mit QRP habe ich immer gute Rapporte erhalten. Die Leistungsfähigkeit dieser Antenne hängt aber sehr stark von den lokalen Erdverhältnissen ab. |
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Anpassungsverhältnisse | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Der
niedrige Fußpunktwiderstand einer λ/4 Antenne wird durch
eine Strahlerverlängerungd erhöht. Das Spannungsminimum am Einspeisepunkt
wird verlassen und rückt in einen Bereich erhöhter Spannung.
Da der Strom nun etwas zurückgeht und die Spannung ansteigt, erhöht
sich der Eingangswiderstand, Mischform aus Strom und Spannungsspeisung.
Ist der Strahler zu kurz, hat er einen kapazitiven Blindanteil, ist er zu lang hat er einen induktiven Blinanteil. Eine Verlängerungsspule kompensiert die kapazitive und ein Kondensator die induktive Blindkomponente. Diesen kann ich nun durch einen 'Trick' auf fast 50 Ω bringen, indem ich den Strahler erst mal etwas über λ/4 verlängere. So schön, so gut. Aber was ist jetzt mit der Resonanz des Strahlers? Durch Messen am Speisepunkt kann ich feststellen, dass sich ein induktivier Blindwiderstand eingestellt hat. Nun gut. Den muss ich kompensieren, in dem ein Kondensator in Reihe geschaltet wird. Diese Kompensation ist fast verlustfrei und nicht selektiv!. Eine perfekte Kompensation dieses induktieven Blindanteils erreicht man durch einen im Speisepunkt zwischengeschalteten 500 pF Drehkondensator. Es genügt dabei schon ein herkömmlicher Rundfunk-Drehkondensator, der keine besondere Spannungsfestigkeit haben muss. Er sorgt dafür, dass die Antenne nun wieder elektrisch verkürzt und die Resonanz des Systems sogar exakt auf der gewünschten Frequenz hergestellt wird. Ein Dreko gestattet somit großzügige Korrekturen. Der Dreko braucht nur geringe Spannungsfestigkeit aufweisen. Aber Achtung, auf gute Kontaktgabe schauen, denn es fließen ja erhöhte Ströme! Aber bei QRP ist das ja nicht das Problem. |
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Muss
eigentlich eine Antenne resonant sein?
Ein einfaches L-Glied bestehend aus C und L wird zur Anpassung genutzt und hat sehr geringe Verluste. Es kann so berechnen werden, dass eine beliebige komplexe Antennenimpedanz auf 50 Ω reell angepasst werden kann, man also ein SWR von 1 bekommt. Damit wird aber NICHT die Antenne in Resonanz gebracht sondern NUR die Impedanz auf reelle 50 Ω angepasst. Also Antenne auf Resonanz bringen und mit L-Tuner Impedanz auf 50 Ω abstimmen, [SWR 1:1] DL4ZAO schrieb mal sinngemäß im Forum darüber: Eine Antenne muss nicht resonant sein, damit sie 'maximal' strahlt und die gesamte von ihr aufgenommene Energie in den Raum abstrahlt. Ist die Antenne nicht resonant, ist ihr Fußpunktwiderstand nicht reell, sondern komplex. Besteht also aus einem realen ohmschen Anteil und einem imaginären induktiven oder kapazitiven Anteil. Wenn die Eingangsimpedanz der Antenne nicht mit dem Wellenwiderstand der Speiseleitung übereinstimmt, dann transformiert die Leitung die komplexe Impedanz der Antenne in Abhängigkeit von der Länge der Leitung und ihrem Wellenwiderstand. Die Transformation erfolgt nach den Regeln der Leitungsgleichung, und kann grafisch im Smith Diagramm anschaulich dargestellt werden. Am senderseitigen Ende der Leitung erscheint also der transformierte Wert der Fußpunktimpedanz der Antenne. Nur die 'sieht' der Sender. Damit der Sender seine gesamte Leistung an die transformierte Impedanz abgeben kann, stimmt man mit einem Antennen-Tuner den imaginären Anteil der Impedanz durch einen gleich großen aber mit entgegengesetztem Vorzeichen behafteten Blindwiderstand weg und transformiert den ohmschen Anteil auf die vom Hersteller des Senders spezifizierte Impedanz. In der Regel sind das heute 50 Ω. Man nennt das konjugiert komplexe Anpassung. Ein Antennentuner 'tunt' also mitnichten die Antenne, sondern sorgt lediglich für die Anpassung des Senderausgangs auf die transformierte Impedanz am Leitungseingang. |
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Skizzierter Aufbau in Form einer L-Antennenabspannung. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Skizzierter Aufbau in Form einer Antennenabspannung mit Hilfsmast. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Die
Anordnung der ausliegenden Radials üben geringen Einfluß auf
die Resonz und Anpassung aus. Der Erdeinfluss bei portable Betrieb ist
daher sehr verschieden. Ein Minimum von drei oder vier Radials sollte jedoch
nach Möglichkeit nicht unterschritten werden, da sonst die Erdverluste
der Antenne zu hoch werden. Vier Radials reichen aus. Erdradials oder elevatet
Radials in 1 bis 2m Höhe, möglichst gleich lang und entgegengerichtet.
Radials werden meistens auf den Erdboden gelegt und sollten in Richtung
der bevorzugten Abstrahlrichtung verlegt sein. Siehe auchhier.
Diese Antenne in Form einer "verlängerte Groundplane" läßt sich recht gut abstimmen. Es sind keine weiteren Anpassmittel erforderlich. Zur Groborientierung einige Angaben für den Strahlerabgleich. Die angegeben Längenangaben sind Richtwerte und beziehen sich auf den CW Teil des Bandes. Immer Reserve einplanen! |
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Misst
du eine zu hohe Resonanzfrequenz, dann ist der Strahler zu kurz und muss
verlängert werden. Andersherum ist der Strahler zu lang, wenn du eine
zu tiefe Resonanzfrequenz misst, also verkürzen.
Aber ACHTUNG beim Kürzen. Bitte nichts abschneiden. Wenn zu lang dann erst mal nur umlegen. Denn "WiederRanschneiden" geht nicht. Merke, immer ca. 5% Reserve der Strahlerlänge einplanen. |
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Die
Abspannhöhe sollte zwischen 8 und 10m liegen, höher ist natürlich
besser, aber nicht immer zu realisieren. Das Gelände sollte möglichst
frei sein, wenn möglich nicht im Walddickicht aufbauen. Den Einspeisepunkt
nicht auf den Erdboden legen, sondern etwas erhöht, Antenne strahlt
im Strombauch. Das Koaxkabel kann beliebig lang sein.
Durch Variieren mit den Zusatzkapazitäten und Dreko auf minimales SWR bzw. Resonanz abstimmen. Es gibt ein deutliches SWR Minimum. Eleganter geht das mit einem Antennenanalysator. Letzteren hat man natürlich nicht im Rucksack. Ich benutze diese Antenne als Einbandantenne. Auf Flohmärkten kann man fast immer größerer Längen billige Schaltlitze oder LFK ergattern. Daraus können einfach für die benutzten Bänder Strahlerlängen konfektioniert werden. Durch schnelles wechseln des Strahlers ist man dann auf verschiedenen Bändern qrv. |
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Messaufbau | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Der
verlängerte λ/4 Strahler mit dem Radialsystem wurde ohne
Anpassglied gemessen. Die Werte sind akzeptabel, gar nicht so schlecht.
Jetzt muss nur noch die Resonaz auf 7 MHz gezogen und der Blindwiderstand
kompensiert werden. Der Strahler ist hier bei 6,35 MHz resonant. Das sind
ca. 700 KHz zu tief. Diese Differenz muss mein Kondensator wegstimmen.
Die folgenden Diagramme zeigen den Verlauf meiner Optimierungen auf. Auf Diagramm klicken, dann wird im separaten Fenster das Diagramm gross angezeigt. |
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Stehwellenverhältnis,
Wirkwiderstand/Blindwiderstand, Scheinwiderstand/Phasenwinkel und Smith-Diagramm.
Dargestellt werden die Messwerte, ohne Anpassglied auf der Frequenz 7,034 MHz. Der 'nackte' Strahler hat eine Resonanz, die ca. 700 KHz zu tief liegt. Im folgenden wurde auf diese Resonanzfrequenz getriggert. |
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Stehwellenverhältnis,
Wirkwiderstand/Blindwiderstand, Scheinwiderstand/Phasenwinkel und Smith-Diagramm.
Dargestellt werden die Messwerte, ohne Anpassglied auf der resonanten Frequenz, die unter 7 MHz, bei ca 6,3 MHz liegt. |
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Der
verlängerte λ/4 Strahler mit dem Radialsystem und Anpassglied
gemessen. Die Werte sehen sehr gut aus. Die Antenne ist abgstimmt und für
Portabelbetrieb optimal. Die folgen Diagramme zeigen das auch recht anschaulich.
Das Stehwellenverhältnis wurde auf fast 1,0 optimiert. Ich konnte es für 7,036 MHz auf 1,07 einstellen. Der Einfluß der Bodenverhältnisse mit den Radials ist in den Messwerten zu spüren. Auf Diagramm klicken, dann wird im separaten Fenster das Diagramm gross angezeigt. |
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Stehwellenverhältnis,
Wirkwiderstand/Blindwiderstand, Scheinwiderstand/Phasenwinkel und Smith-Diagramm.
Dargestellt werden die Messwerte, mit Anpassglied auf der Frequenz 7,034 MHz. |
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Schaltung | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Schaltungsskizze. Der 2,2 MΩ Widerstand soll lediglich vor möglichen statischen Aufladungen schützen. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Layout der Lochrasterplatine zur Orientierung. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hinweise zum Bau | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Matrixübersicht
des Drehkodierschalters.
Mit dem Drehkodierschalter kann ich 10 Schalterstellungen belegen. Es lassen sich mit diesen Werten Kapazitäten von ca. 15 pF bis 1040 pF einstellen. Diese Werte sind für die Praxis ausreichend, können natürlich individuell variiert werden. |
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Da der Dreko einen Variationsbreich von ca. 15 pF bis 220 pF ausweist lassen sich mit den zusätzlichen parallelschalten von Kondensatoren folgende Kapazitätsbereiche einstellen: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Blindwiderstand
Xc = 1 / [6,28 * Frequenz * Kapazität]
Woher bekomme ich nun aber den Blindwiderstand? Es gibt Erfahrungswerte über idealer Erde. Mit den ausgelegten Radials können diese Angaben als Anhaltswerte genutzt werden. Hier mal einige unverbindliche Richtwerte: |
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Die Strahlerlänge von 0,27 bzw. 0,28 λ bedarf der Aufmerksamkeit. Der Realteil des Strahlungswiderstands bewegt sich um die 50 Ω. Der Imaginärteil von +80 bis +85 als induktiver Blindanteil, kann durch einen entsprechenden Kondesator kompensiert werden. Und genau das mache ich hier. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Details zur Konstruktion | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Der fertiger
Tuner mit variabler Zuschaltung der SMD Kondensatoren und des variablen
Drekondensators. Links die BNC Buchse zum TRX und rechts die beiden Steckerbuchsen.
Schwarz für Masse bzw. Radials und rot für den Strahler.
Die Bauteilebemessung ist auf QRP Betrieb ausgerichtet! |
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Lochrasterplatine von der Lötseite. Gut zu erkennen die SMD Kondensatoren, die direkt unter dem Drehkodierschalter gelötet wurden. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oben die Strahlerlitze mit Verbindungsstift zum Tuner. Darunter die gebündelten Radialdrähte, ebenfalls mit Verbindungsstift zum Tuner. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Einfachere Form des Isolator, der zwischen Strahler und Abspannung gebracht wird. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Bewährte "K" Form des Isolator, der zwischen Strahler und Abspannung gebracht wird. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gesamter Strahler, aufgewickelt auf den "K" Isolator. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
"K" Spreizer und Isolierspanner für den Strahler. Die Abspannung links wird an einem Hering befestigt. Der Strahleranschluss zum TRX wird in dem "K" Schenkel zugspannungsfrei abgeleitet. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
QRP TRX "HEGAU" mit dem Tuner im Outdooreinsatz. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||