Homebrew, Hühnerleiter, Uli-DL2LTO

Auf die 'Hühnerleiter' gekommen, symmetrische Speisung einer Drahtantenne - etwas Theorie und mehr Praxis

Projekt: Symmetrische Antennenspeisung mit einer 'Hühnerleiter' - Abstimmmöglichkeiten

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Abstimmmöglichkeiten des ganzen Systems:

Nun das interessante. Wenn man den strahlenden Dipol und nichtstrahlenden 'Hühnerleiter' Abschnitt getrennt betrachtet, dürfen beide außer Resonanz sein. Aber nur unter der Voraussetzung, daß die Zusammenschaltung beider Abschnitte wieder Resonanz ergibt. Aus dieser Tatsache haraus kann man bei einem zu kurz oder zu lang bemessenen Strahler durch eine entsprechende Verlängerung oder Verkürzung der Speiseleitung die Blindanteile am Fußpunkt eleminieren. Generell sollen ganzzahlige Vielfache der Speiseleitung vermieden werden, die Speiseleitung darf also nicht resonant mit der Betriebsfrequenz sein! In der Praxis immer etwas länger oder kürzer ausführen.
Prakisch hat das den riesigen Vorteil, daß man die Speiseleitung nicht mechanisch verlängern oder verkürzen muß. Das geschieht elektrisch durch einen entsprechenden Koppler am Ende der Speiseleitung. Zunächst muß ich feststellen ob das Leitungsende einen Stromknoten, also hochohmig oder ein Strombauch, niederohmig darstellt.

Bei Spannungskopplung, z'z' ist hochohmig erfolgt die Abstimmung mit dem Parallel Drehkondensator. Der Serienkondensator sollte voll eingedreht sein und seine höchste Kapazität haben.	Anders bei Stromkopplung, z'z' ist niederohmig. Hier stimmt man mit dem Serien Drehkondesator ab und die Parallelkapazität ist rausgedreht, also kleinste Kapazität.	Eine Universalkopplung ist bei Stromkopplung und/oder Spannungskopplung sinnvoll. Das ist bei Mehrbandantennen der Fall.

Die folgende Tabelle zeigt die Zusammenhänge der Länge X zu der zu erwartenden Impedanz im Speisepunkt. Also eine grobe Überprüfung, ob man mit der Länge Dipolschenkel + Feederlänge als Summe im günstigen Impedanzbereich liegt.
Quelle der Tabelle ist ‘HF Antennas for All Locations’ von L.A Moxon.

C auf der linken Seite deutet auf eine kapazitive Impedanz und L auf der rechten Seite auf eine induktive Impedanz hin.
Innerhalb dieser Darstellung verweisen die grün gezeichneten Kästchen auf eine hohe Impedanz und die blau gezeichneten Kästchen auf eine niedrige Impedanz. Anzustreben ist eine möglichst durchschnittlich gleichbleibende Impedanz. Das ist nicht immer einfach. Durch etwas probieren, kann man aber das X einigermaßen so ermitteln, dass auf allen gewünschten Bändern eine Impedanz erzielt wird, die der Koppler abstimmen kann.

Beispiel:
Ich möchte eine Antenne für die Bänder 80, 40, 20 15 und 10 m realisieren. Auf Grund von Platzbeschränkungen kann ich nur ca. 20m für den Dipol nutzen. Ich entscheide mich für 2 x 10 m und möchte L näherungsweise ermitteln. Immer unter der Maßgabe, auf all den Bändern, die ich nutzen möchte, eine durchschnittliche mittlere Impedanz zu erreichen. Ich möchte vermeiden, dass auf dem einen Band die Impedanz 30 Ω und auf den anderen Band die Impedanz 1000 Ω beträgt. Durch die Variation von X kann ich das positiv beeinflussen.
Wenn ich mir einen 10 m Strahler plus 9,8 m Feeder vorstelle, komme ich auf X=19,8 m. Mit diesen Wert gehe ich in die Tabelle, markiere mir X=19,8 m als ersten Fixpunkt. Mit einem Lineal drehe ich nun von diesem Fixpunkt über die Bandpunkte und merke mir die Schnittpunkte auf der linken Skala. Wenn ich bei allen zu betrachtenden Bändern in die Nähe zwischen dem blauen und grünen Kästchen komme, liege ich optimal. Auf den höheren Bändern sieht es bei diesem Beispiel ganz gut aus, auf den niederen Bändern muss der Koppler mehr arbeiten, Hi. Bitte die Tabelle nicht als das Non Plus Ultra ansehen. Sie stellt eine grobe, aber schnelle Orientierung dar, ob man im Strom- oder Spannungsmaximum liegt. Probiert es einfach mal.
Die Hühnerleiter sollte immer etwas länger bemessen werden. Mit der Länge der Hühnerleiter können kritische Längen, wo der 'Koppler versagen könnte' ausgeglichen werden. Siehe auch Abstimmumgsüberprüfung mit der Glühlämpchenmethode.

Hier mal einige Beispiellängen, die zu vermeiden sind, wenn ein Multiband Dipol mit abgestimmter Feederleitung erstellt wird. Die Längenangaben setzen sich aus einer Dipolhälfte plus Feederlänge zusammen. Die Längenangaben lassen sich nicht in mm vorgeben, da die äußeren Einflußfaktoren sehr unterschiedlich sein können. Also bitte etwas experimentieren, es sind Orientierungslängen.

1,8 MHz

56,4 m

93,7 m

131,0 m

3,6 MHz

29,3 m

48,8 m

68,3 m

7,0 MHz

15,0 m

25,2 m

35,2 m

45,3 m

10,1 MHz

10,5 m

17,5 m

24,5 m

31,5 m

14,2 MHz

7,5 m

12,6 m

17,6 m

24,2 m

27,7 m

32,7 m

18,1 MHz

5,9 m

9,9 m

13,9 m

17,8 m

21,8 m

25,8 m

29,7 m

33,7 m

21,2 MHz

4,9 m

8,2 m

11,6 m

14,9 m

18,1 m

21,5 m

24,7 m

28,0 m

31,4 m

34,7 m

24,9 MHz

4,3 m

7,1 m

10,0 m

12,8 m

15,6 m

18,5 m

21,3 m

24,2 m

27,1 m

29,9 m

29,0 MHz

3,7 m

6,1 m

8,5 m

11,0 m

13,4 m

15,8 m

18,3 m

20,7 m

23,2 m

25,6 m

28,0 m

Ich habe mir einige Hilfsmittel geschaffen, um relativ schnell eine Orientierung zu bekommen. Meist kannst du nur maximal einen Dipol von 2 mal x Metern auf deinem Grundstück spannen. Wie lang sollte die Speiseleitung sein, damit du auf deinem ausgewählten Band oder Bändern noch vernünftig einkoppeln kannst.

Excel Sheet zur Feederlängenberechnung ...

Den errechneten Wert Ld λ Strahler auf der x-Achse suchen und den Schnittpunkt mit der roten Linie finden. Von dort nach rechts zur y-Achse und den zugehörigen λ Wert fixieren und mit dem errechneten Wert Lh λ Speiseleitung vergleichen.
Oder einen Punkt auf der roten Linie suchen und beide Werte auf den Achsen ablesen. Die rote Linie ist eine Orientierungslinie und darf nicht als Optimum gewertet werden.

Beispiel:
Ich kann maximal einen Dipol von 2 x 12 m im Garten spannen und möchte diesen vorzugsweise auf 20m CW nutzen. Mit den λ 0,59 auf der x-Achse finde ich den Schnittpunkt mit der roten Linie bei λ 0,39 auf der y-Achse. Jetzt verändere ich die Länge der Speiseleitung so lange bis im unteren Feld dieser Wert angezeigt wird. Ich stoppe die Suche bei einer Speiseleitungslänge von ca. 7,5 m.
Die Frequenzangabe und der Verkürzungsfaktor sollten immer beachtet werden. Somit kann ich am Speiseleitungsende bei 14 MHz niederohmig einkoppeln. Auch bei geplanten Mehrbandbetrieb kann das

Excel-Sheet nützlich sein.

Wie groß ist der Einfluß der Zweidrahtspeiseleitung?

Auf der Zweidrahtspeiseleitung findet eine frequenzabhängige Impedanztransformation statt. Wichtig, beide Längen, Strahlerlänge und Zweidrahtspeiseleitung, gehen als Gesamtheit in die Rechnung ein!

Beispiel:
Eine 2 x 10 m lange Doppelzepp hat auf 7 MHz direkt am Einspeisepunkt einen Strombauch, was Niederohmigkeit von ca. 50 Ω bedeutet.

Hier könnte also direkt mit Koax gespeist werden, Die Symmetrierung betrachte ich mal nicht.
In der Praxis arbeitest du ja aber mit einer Zweidrahtspeiseleitung. Bemisst du diese nun mit ca.10m, als λ/4, dann tritt eine Impedanzumkehr auf. Am Ende hast du ca. 2500 Ω, also hochohmig. Das ist zu vermeiden!

Verlängerst du nun die Zweidrahtspeiseleitung ca. 5 bis 7 m, auf etwa 17 m, wäre die Welt wieder in Ordnung und du liegst im mittelohmigen Bereich bei ca. 300 Ω. Bei zu langer Zweidrahtspeiseleitung kann natürlich auch verkürzt werden.

Die Zweidrahtspeiseleitung fungiert als Verlängerung des Antennenstrahlers.
Beträgt die Gesamtlänge Ld + Lh x Vf auf der Betriebsfrequenz λ/2 oder ein Vielfaches davon, ergibt sich am Speiseleitungsende ein Spannungsbauch (hochohmig). Bei allen ungeraden Viertelwellenlängen ergibt sich ein Strombauch (niederohmig).
Diese zwei Beispiele spiegeln natürlich nur beide Extremwerte wieder. In den Zwischenbereichen nimmt die Impedanz kontinuierlich zu bzw. ab.

Bei Mehrbandbetrieb ist die Rechnerei etwas zeitaufwendig. Mit einem einfachen Excel-Sheet bei dem du verschiedene Längen einfach durchrechnen kannst und sofort ein Ergebnis siehst.

Das

Excel-Sheet kannst du dir hier downloaden.

Antennenanpassung mit Paralleldraht, wie lang muss denn ein Paralleldraht bzw. ein symmetrisches Kabel sein?
Unter dieser Überschrift veröffentlichte

Artur, DL7AHW einen interessanten Beitrag.

Bodo, DJ9CS stellt auf seiner Seite ein

Grundlagenvortrag zur Anpassung von Antennen bereit. Ich will nicht schon zu viel verraten, schaut euch diese Präsentation einfach mal an.

Zur schnellen Optimierung eines symmetrisch gespeisten Dipols schrieb Jean, F5IMV ein

Antennen-Optimierungsprogramm und nannte es 'Levy'. Diese Software in der Version 1.6 wird hier näher beschrieben.

Walter, DL1JWD entwickelte ein

Tool zur Optimierung einer Doppelzepp Antenne in seiner Gesamtheit.
In der Datenbasis unterscheidet das Analyse-Tool zwischen einer idealisierten und einer realen Dipolbetrachtung. Der Toolalgorithmus legt besonderen Wert auf eine sorgfältige Optimierung der Feederlängen, verbunden mit einer visuell dargestellten Verlustanalyse.
Walter stellt sein Tool

'Doppelzepp-Rechner' freundlicherweise zum Test bereit.

Gute und schlechte Hühnerleiterlängen

Es gibt viele Daumenregeln, um bestimmte Dipollängen und die Längen der parallelen Zuleitung zu vermeiden. Cecil, W5DXP hat versucht, die Mythen und Ratespiele, die mit diesem Thema verbunden sind, zu entflechten.
Das hier vorgestellte DOS Programm ‚IMAXGRAF' ermittelt die optimalen Feederlängen, die sich aus der horizontalen Dipollänge und dem Verkürzungsfaktor der Speiseleitung für die HF-Bändern. Es wird von einem 1:1 Strom-Balun ausgegangen und das Programm akzeptiert keinen N:1 Balun, also nur 1:1. Das Ergebnis kann nur eine Näherung basierend auf EZNEC sein und sollte im praktischen Betrieb genau abgeglichen werden./font>

Die Theorie von W5DXP's ‚guten' und ‚schlechten' Hühnerleitungslängenbezeichnung basiert auf Impedanzen, die freundlich bzw. unfreundlich von den integrierten Tunern verarbeitet werden.
Die ‚guten' Längen, gekennzeichnet durch die Punkte sind in der Nähe der aktuellen Stromhochpunkte der Hühnerleiter, wo das 50Ω SWR geringer als 3:1 ist und das von den meisten Autotuner akzeptiert wird.
Die ‚schlechten' Längen, in der Mitte zwischen zwei Punkte auf der gleichen waagerechten Zeile sind in der Nähe eines Spannungshochpunkts, wo das 50Ω SWR sehr hoch und viel größer als 3:1 ist. Diese sollte man meiden.
Das DOS Programm

IMAXGRAF, dass die Stromhochpunkte in einer Punktegrafik darstellt, kann aus dem Internet heruntergeladen werden.
Die Punkte auf dem Grafen zeigen die Längen der Hühnerleiter, die freundlich von integrierten automatischen Tunern abzustimmen sind, d.h. die Stromhochpunkte.
In der Mitte zwischen zwei beliebigen Punkten auf der gleichen waagerechten Linie findest du die Hühnerleiterlängen, die unfreundlich von den integrierten automatischen Tunern abgestimmt werden, d.h. die Spannungshochpunkte.
Sind mehrere Punkte vertikal angeordnet, sind das die Hühnerleiterlängen, die gut für Multi-Band-Betrieb sind.
Zum Beispiel, bei einem VF von 0,85 und einer Dipollänge von 90 Fuß, findest du fünf Punkte vertikal bei einer Hühnerleiterlänge bei 40 Fuß. Das ist die ZS6BKW Antenne, die gut auf den Bändern 40, 20, 17, 12, und 10m funktioniert.
In diesem Screenshot findest du die Längen der ZS6BKW Antenne abgebildet.

Die nächste Hühnerleiterlänge, die für 40m gut wäre, liegt bei 98 Fuß. Das ist natürlich λ/2 länger als die 40 Fuß bei der ZS6BKW Antenne. Beachte aber, dass nur drei Bänder auf der vertikalen Linie mit der Hühnerleitungslänge von 98 Fuß dargestellt sind, das sind 40m, 20m, und 10m.
Eine Hühnerleitungslänge von 69 Fuß sollte für den 40m Betrieb vermieden werden, da sich die Länge etwa in der Mitte zwischen 40 und 98 Fuß befindet und sich eine sehr hohe Impedanz an der 1:1 Drossel aufbaut, die vom automatischen Tuner so nicht akzeptiert wird.
Beachte, die roten Punkte auf der 80m wagerechten Linie, die zeigen, dass ein 90 Fuß Dipol zu kurz für den 80m Betrieb ist und das anstehende SWR inakzeptabel für einen Autotuner ist.
Wenn du den Verkürzungsfaktor und die Dipol-Anfangslänge eingegeben hast, kannst du die Dipollänge ganz einfach im Programm variieren. Mit 'i' vergrößerst du und mit 'd' verringerst du die Dipollänge. Die Auswirkungen auf die Stromknoten pro Band kannst du sofort im Programm ablesen!
Das DOS-Programm läuft unter XP und früheren Windows Versionen. Für aktuellere Windowsversionen ist ein X86-Simulationsprogramm mit Namen

DOS-Box aus dem Internet herunterzuladen, das in einem separatem Fenster laufen kann.

Geht es auch ohne Tuner?

Jeder Funkamateur ist bestrebt, die mühevoll erzeugte HF, so verlustarm wie möglich, zur Antenne zu bekommen und nur dort abzustrahlen.
Mit der Speiselänge der Hühnerleiter kann ich ja für jede Frequenz einen mir 'angenehmen' Fußpunktwiderstand transformieren. Optimal wären 50 Ω. Ins grübeln gekommen, stellte ich mir die Frage. Wozu brauche ich eigentlich noch einen Tuner?
Ich variiere einfach die Feederlänge und stimme so auf minimales SWR am Feederende ab. Keine zusätzlichen Induktivitäten oder Kapazitäten! Eine einfache, preiswerte und vor allem fast verlustfreie Methode.
Eigentlich habe ich es ja schon immer so gemacht, indem ich die Feederleitung etwas verlängert oder verkürzt habe, um aus einem kritischen Anpassbereich herauszukommen.

Die Idee ist nicht neu.

Cecil, W5DXP beschreibt auf seiner Seite einen solchen 'Anpassungskasten', für den Mehrbandbetrieb keine Hexerei ist.
Das machte mich neugierig und ich fand bei

Karsten, OZ1DB ein weiteres praktisches Beispiel für diese Anpassungsmethode.
Lesenswert ist auch die praktische Abhandlung

'Wiremann stimmt Antenne ab' von Ludger, DF1BT.
Ja, es geht auch ohne herkömmlichen Tuner. Sollte ich mal viel Zeit haben, baue ich mir so einen 'Kasten', der ja letztendlich doch ein 'Tuner' ist. Aber mal was anderes, Hi.

'Wellenwiderstand einer 'Hühnerleiter'

Jede Speiseleitung hat eine, ihre charakteristische Impedanz. So auch die 'Hühnerleiter'. Diese Impedanz ist abhängig von den physikalischen Eigenschaften der Paralleldrähte. Das Gute bei einer Zweidrahtleitung ist, daß nur drei Faktoren maßgeblich sind. Der Drahtdurchmesser d, der Abstand D zwischen den Drähten und das Dielektrikum zwischen den Drähten.

Um die Impedanz genau berechnen zu können gibt es verschiedene Gleichungen, die diese drei Faktoren berücksichtigen.

D = Abstand der Spreizer vom Zentrum zu Zentrum des Drahtdurchmessers der Feeder
d = Drahtdurchmesser
e = Dielektrizitätskonstante
D und d müssen in der gleichen Maßeinheit sein! Weiterhin muß gelten, daß D viel größer als d ist. [ D>>d ]
Diese Gleichungen gehen von runden Drahtquerschnitt aus.
Gebräuchliche Feederleitungen haben 240, 300, 400, 450 oder 600 Ω. Aber nicht zu genau nehmen, denn jede andere Impedanz ist möglich. Der Wert des Wellenwiderstandes hat nur eine Bedeutung für die Transformation.
Übrigens ist der Wellenwiderstand der Feederleitung völlig gleichgültig. Siehe weiter unten.

Die berechneten Werte in der Tabelle sind bei weitem präziser als die gemessenen in der Realität. Der sogenannte 'Spagat' von Theorie und Praxis. Wie auch immer, mit einer Abweichung von einem oder zwei Prozent vom errechneten Wert kann man leben. Vorausgesetzt natürlich eine sorgfältige Konstruktion der 'Hühnerleiter'. Das Dielektrikum sollte Luft sein, kann aber auch mit nichtleitendem Material gefüllt oder umgeben sein.

Die Tabellenwerte beziehen sich auf ein Dielektrikum aus Luft!
Luft ist das beste Dielektrikum.
Zwei Aussagen werden in der Abbildung deutlich.
Erstens:
Der Verlauf jeder Drahtstärke liefert einen lineare Zuwachs der Impedanz für den angenommenen Feederabstand.
Zweitens:
Mit der Vergrößerung des Feederabstandes im oberen Bereich, werden die Impedanzsprünge geringer.
Für 2mm Durchmesser im Bereich Feederabstand 10mm zu 20mm ist die Impedanzänderung ca. 84Ω, während zwischen 90mm und 100mm nur eine Impedanzänderung von ca. 13Ω auftritt.
Größere Feederabstände reagieren folglich nicht so kritisch mit einer Impedanzänderung. Die Anforderungen an die praktische Realisierung sind etwas unkritischer aber nicht zu unterschätzen!

Zur schnellen Orientierung für die Praxis reicht diese Tabelle aus. Es dient zur Feststellung, wo ich überschlagsmäßig mit dem Wellenwiderstand meiner selbstgebauten 'Hühnerleiter' liege.
Ein

Diagramm veranschaulicht die Zusammehänge immer sehr hilfreich.