R-Tuner für HF-Antennen

R-Tuner für HF-Antennen

Universeller R-Tuner für nicht resonante HF-Antennen

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Universeller R-Tuner für nicht resonante HF-Antennen

von W. Michael Schneider, DF2LS




Im Gegensatz zu den üblichen Antennentunern mit L-C Netzwerken fungiert beim hier vorgestellten R-Tuner ein induktionsarmer Widerstand - engl. Resistor - als wesentliche Komponente um nicht resonante HF-Antennen breitbandig mit einem SWR 2.5 anzupassen.




Bis auf wenige Ausnahmen aus dem kommerziellen Angebot sind unsere gebräuchlichen Amateurfunk-Antennen nur eingeschränkt mehr-Band fähig.

Mit allerlei Tricks, wie aufwendigen Sperrkreisen, fern abstimmbaren Netzwerken und Tunern, können Antennen im weiten Bereich von 1,8 bis 30 MHz in Resonanz gebracht werden.

Aus den Anfangszeiten der Funktechnik ist eine interessante Methode bekannt, um Antennen breitbandiger zu machen: Die Bedämpfung der Antenne mit einem möglichst Induktionsarmen Widerstand.

Antennen diesen Typs sind die T2FD [1] der Australische Dipol [1] sowie die kommerziellen Antennen von Comet CHA 250 B [2] und von Diamond BB7V [3], die G8JNJ [4] eingehend untersucht hat.

Durch die Einfügung eines Widerstandes in die Antenne oder am Fußpunkt der Antenne vermindert man die Welligkeit des Systems, aber es ergeben sich auch Verluste durch Erwärmung des Last-Widerstandes.

Bereits 1987 hat DK4XU [5] gezeigt, dass eine Monopol-Antenne durch Einfügen eines Widerstandes am Speisepunkt breitbandiger gemacht werden kann. Mit einer Art Dummy Load aus ei­nem 1:4 Spartrafo und einer als rein ohmsche Last geschalteten 200 Ω Widerstandskombination am Speisepunkt eines 6,6 m langen Vertikalstrahlers hat DK4XU erfolgreich europaweit Funkverkehr machen können. Das SWR dieser Antenne liegt bei oder unter 1.5 auf allen KW-Bändern von 80 bis 10 m.


Alte Idee, neue Technik


Nach fast 30 Jahren hat sich in der HF-Technik eine Menge weiterentwickelt.

Der von DK4XU so erfolgreich eingesetzte Trafo wurde nach seinen eigenen Worten auf einen handelsüblichen Ferrit-Rundstab gewickelt, was einige Fragen offen lässt.

Zudem standen den OMs zur damaligen Zeit üblicherweise nur begrenzte Messmittel zur Verfügung, um so komplexe Objekte wie Baluns oder Trafos zu analysieren.

Ein heute wenig spektakulärer Vector Network Analyzer hätte vor 30 Jahren einige 10000 DM gekostet und war damit für die meisten OMs unerschwinglich gewesen.

Kurz und gut, es lohnte sich meines Erachtens, das Projekt Dummy Load Antenne noch einmal mit heutigem Wissen, moderner Messtechnik und neuen, möglicherweise besseren Ferritmaterialien anzugehen!


Bild 1: Schaltbild R-Tuner mit 1 kΩ Lastwiderstand

█ R-Tuner


Der R-Tuner ist in der Tat wirklich ziemlich einfach aufgebaut und besteht gerade mal aus 4 elektrischen Bauteilen, einem Spartrafo (L1a,b), einem Induktionsarmen Hochlastwiderstand (R1), einer Kompensationsspule (L2) und einem Kondensator (C1), ferner noch notwendigen Verbindungskomponenten, zwei SO 239-Buchsen, Erdungsanschlüssen und ein Metallgehäuse, das auch als Kühlkörper für den Abschlusswiderstand fungiert.


Wie funktioniert nun so ein R-Tuner?


Der 1:4 Spartrafo hat bei optimalem Aufbau am Ausgang eine reale Impedanz von ca. 200 Ω mit nur sehr geringen Blindwiderstandsanteilen. Mit dem parallel geschalteten Induktionsarmen 1kΩ Lastwiderstand ergibt sich eine Parallelschaltung von Widerständen, die einen realen Impedanzwiderstand von ca. 166 Ω aufweist.

Diese Impedanz von ca. 166 Ω stellt für den Transceiver eine Grundlast dar und sorgt mit der ebenfalls parallel anliegenden realen Antennenimpedanz für ein niedriges SWR in einem weiten Frequenzbereich.

Der hohe Lastwiderstand von 1kΩ resultiert in einem relativ niedrigen Einfügeverlust von nur ca. 1 dB im Vergleich zu mindestens 3 dB Einfügedämpfung der Bauvorschläge von DK4XU [5] und HB9ACC [6] mit 200 Ω Last.

Der Abschlusswiderstand sollte bei diesem Schaltungskonzept mit ca. 25 bis 30 % der TX-Leistung belastbar sein.

Zum Ausgleich von noch vorhandenen induktiven Blindwiderständen, die sich besonders bei höheren Frequenzen bemerkbar machen, dient Eingangs seitig ein verlustarmer Hochvolt-Glimmerkondensator (C1) mit 22 pF. Eine verlustarme Spule (L2, 2 x T68-6, 8 Windungen) am Ausgang des Spartrafos sorgt im höherfrequenten Bereich ab ca. 10 MHz für einen ausgeglichenen Impedanzverlauf (165 bis 155 Ω) am Ausgang des R-Tuner.

Da auch der R-Tuner bei sehr niedrigen oder sehr hohen Impedanzverhältnissen - z. B. λ/4 oder λ/2 Resonanzen - keine Wunder bewirken kann, sollten möglichst Antennenlängen verwendet werden, die im Frequenzbereich unserer KW-Amateurfunkbänder mehrheitlich mittelohmige Impedanzverhältnisse um 200 bis 400 Ω aufweisen. Für Monopol-Antennen sind das die fast schon klassischen Antennenlängen von 7,5 m, 13 m, 27 m.


Messresultate R-Tuner mit 1:4 Spartrafo und 1 kΩ Lastwiderstand


Wesentliche Komponente dieses Tuners ist ein Verlust verursachender Hochlastwiderstand in der Antennenleitung. Daher sollten die Messungen mit dem VNWA 3 zunächst klären, wie hoch die Einfügedämpfung des Tuners ist.

In Bild 2 ist gut zu erkennen, dass die Dämpfung in der Größenordnung um 1 dB liegt, was einer TX-Leistungsreduktion von ca. 20 % entspricht. Grundsätzlich nimmt die Einfügedämpfung in Richtung höherer Frequenzen ab 14 MHz ein wenig zu.

Als Zweites war von Interesse, ob der R-Tuner Ausgangsseitig eine Impedanz mit einem Realanteil um die 166 Ω aufweist. Wie zu erkennen ist, liegt die Impedanz absolut und im Realteil nahe

160 Ω, nur das 160 m und 10 m Band liegen im Realteil bei ca. 155 Ω. Diese Abweichungen sind bedingt durch kapazitive Effekte der Spule des Spartrafos mit dem eng anliegenden Metallgehäuse.

Bild 2: Impedanz abs. (rot)/real (pink) (Ω) am Ausgang des R-Tuner und Einfügedämpfung in dB

 

Als Letztes war die Frage zu klären, wie sich der R-Tuner im Betrieb bei der Antennenanpassung verhält.

Als Testobjekt musste meine L-Antenne für die Bänder 160 m bis 10 m herhalten.

Die Antenne ist folgendermaßen aufgebaut: 5 m Vertikal- und 20 m Horizontalteil in 7 m Höhe.

Als Gegengewicht fungiert ein 20 m langes, flach eingegrabenes Radial kombiniert mit einem ca.

2 m langen Staberder. Diese Antenne wird auf allen KW-Bänder mit einem Automatiktuner

CG2000 angepasst, SWR 1.1 bis 1.2.


Bild 3. veranschaulicht, dass sich die L-Antenne auf allen KW-Bändern auch mit dem R-Tuner und einem SWR 2.5 anpassen lässt. Selbst im 160 m Band liegt das SWR unter 2, obwohl die Antenne mit gerade mal 25 m Länge für dies Band viel zu kurz ist. Bei der HF-Abstrahlung stellen sich aber Verluste ein, was später noch gezeigt wird.


Bild 3: SWR Vergleich ohne (hellblau) und mit R-Tuner (dunkelblau) der L-Antenne

█ Performance mit WSPR-Rapporten


Das Weak Signal Propagation Reporter-Programm - kurz WSPR - von K1JT [7] stellt eine ideale Möglichkeit dar, auf unseren Amateurfunkbändern objektive Feldstärkerapporte auszutauschen und neue Antennenprojekte zu vergleichen.

Das Internet basierte WSPR-Projekt beruht auf einem weltweiten Amateurfunknetz von Bakensendern kleiner Leistung mit deren Hilfe Ausbreitungsbedingungen beurteilt werden können. Mit dem Bakensignal werden Rufzeichen, eine Maidenhead-Locator-Kennung und die Sendeleistung mittels schmalbandiger 4-FSK-Modulation übertragen.

Die Übertragungen sind bei günstigen Ausbreitungsbedingungen bis zu Signal-Rausch-Abständen von -32 dB möglich.

Für den Performancevergleich des R-Tuners und mit einem gebräuchlichen Automatiktuner CG 2000 habe ich über eine Distanz von 525 m (Fernfeldbedingung) Messungen im 80 m-, 40 m-, 20 m- und 10 m-Band vergleichende Feldstärkemessungen mittels WSPR-SNR-Rapporten vorgenommen.

Als Sender und zugleich WSPR-Bake diente ein K2 von Elecraft mit 100 mW Ausgangsleistung an der L-Antenne, wechselweise mit dem R-Tuner oder dem Automatiktuner angepasst, und als mobile Empfangsstation ein FT 817 ND mit kurzer CB-Funkantenne auf dem Wagendach sowie ein Tablett-Computer zur Verarbeitung des WSPR-Signals.

Rein Interesse halber habe ich zusätzlich mit gleichem Messaufbau aber über größere Distanz von 1,96 km und 5 W Ausgangsleistung auf dem 160 m-Band Feldstärkemessungen gemacht.

In Bild 4 ist gut zu erkennen, dass der R-Tuner bis auf das 160 m-Band unter Fernfeld- und Bodenwellenausbreitungsbedingungen nahezu identische SNR-Rapporte zeigt wie der Automatiktuner. Nur im 160 m-Band, für das die 25 m lange L-Antenne zu kurz ist, ist die Antennenanpassung mit dem R-Tuner bei moderatem SWR von 1,9 dem Automatiktuner deutlich unterlegen.

Bild 4: Performanceanalyse des R-Tuner mit WSPR-SNR-Rapporten


Hinweise zum Nachbau und Betrieb


Die beiden wichtigsten Komponenten für den R-Tuner sind der Hochlastwiderstand und der Spartrafo.

Als Widerstand fungiert ein Induktionsarmer und nahezu Kapazitätsfreier 100 W, 1kΩ Typ von ARCOL/Ohmite mit der Hersteller-Teilenummer FPA100 1KJ, erhältlich bei Mouser [8].

Alternativ ist auch der bei Reichelt [9] erhältliche Induktionarme 50 W Hochlastwiderstand von VISHAY, Typnummer RTO50F im TO 220 Gehäuse verwendbar. Allerdings hat dieser Typ eine wesentlich höhere kapazitive Blindlast, die durch eine in Serie liegende Spule (L2 ) mit entsprechender Induktivität (ca. 200 nH) zu kompensieren ist. Bei Verwendung der VISHAY Widerstände entfällt die Spule L2 in Serie mit dem Spartrafo.

An dieser Stelle möchte ich noch darauf hinweisen, dass die Hochlastwiderstände die angegebene Verlustleistung von 50 Watt bzw. 100 W nur bei ausreichender Kühlung vertragen!


Für den Trafo wird ein möglichst großer AMIDON Ferritring vom Typ FT 140-43 mit höherer Permeabilität vorzugsweise für Low-Band Betrieb oder der gering permeablere Typ FT 140-61 für den Bereich von 80 m bis 10 m Band eingesetzt.

Der Spartrafo sollte mit mindestens 9 Windungen (es zählen die innen liegenden Windungsdurchgänge!) aus Zweidrahtleitung bewickelt werden. Als Zweidrahtleitung verwende ich Schlauchleitung vom Typ H03VVH2-F, 2x075, zugelassen für 300 V, erhältlich in gut sortierten Baumärkten.

Kondensator C1, der im Wesentlichen Einfügeverlusten im höherfrequenten Bereich ab 10 MHz entgegen wirkt, sollte ein Spannungs fester, verlustarmer Glimmerkondensator sein, u. a. erhältlich bei Funkamateur Box73 [11] und Mouser [9].

Bild 5 zeigt den geöffneten R-Tuner mit Angabe der einzelnen Komponenten. Über die beiden abgebildeten Erdungsanschlüsse können wahlweise mit Bananenstecker oder Kabelösen verbundene Erdleitungen oder bei Dipolbetrieb der zweite Dipolast angeschlossen werden.

 

Bild 5: R-Tuner mit geöffnetem Gehäuse


Das Gehäuse und gleichzeitig Kühlkörper für den Hochlastwiderstand ist ein Alu-Gehäuse von Hammond der Serie 1590 FL; es ist eingeschränkt wasserdicht (IP 54), hat aber Montageflansche und ist u.a. erhältlich bei Bürklin [11] und Reichelt [9].

Im praktischen Funkbetrieb sollte immer vor dem R-Tuner eine Mantelwellensperre eingesetzt werden, um unerwünschte HF-Abstrahlungen über den Außenmantel des koaxialen Speisekabels zu vermeiden.

Auch das Erdungskabel sollte über eine Drosselspule mit dem jeweiligen Erdungssystem verbunden werden.

Bei Monopol-Antennen habe ich die Erfahrung gemacht, dass für eine gute HF-Abstrahlung Radials nicht unbedingt benötigt werden. Beim Dipolbetrieb sollte der zweite Dipolast, angeschlossen am Erdungssanschluss des R-Tuner, immer deutlich kürzer (ca. 10 bis 15 %) sein als der eigentliche Strahler am TX-Anschluss des R-Tuner. Ansonsten verschieben sich die Impedanzverhältnisse auf der Antenne derart, dass eine Anpassung der Antenne mit dem R-Tuner nur noch bedingt möglich wird.

Von der Auslegung her sollte der Tuner mit dem 1kΩ Hochlastwiderstand bei ausreichender Kühlung 100 W Sendeleistung schadlos vertagen. Meine eigenen Sendeversuche mit ca. 10 bis 12 W Dauerstrichleistung im WSPR-Betrieb an meiner L-Antenne haben keinerlei Erwärmung des R-Tuner gezeigt.


Fazit


In der Realwelt gibt es weder Wunderantennen noch wundersame Antennen-Anpasssysteme, die die Gesetze der Physik auf den Kopf stellen!

So ist auch der hier vorgestellte R-Tuner eine Kompromisslösung. Dies Anpassungskonzept mit ca. 1 dB Dämpfung im Mittel ist unter Fernfeldbedingungen zwar nicht verlustlos, dafür aber eine technisch einfache und kostengünstige Alternative zu anderen, wesentlich aufwendigeren Varianten der Antennenanpassung.

Zudem wird der 20 %-ige Verlust an Sendeleistung bei den Gegenstationen kaum wahrnehmbar sein! Auch Empfangs seitig ist die Einfügedämpfung anhand von WSPR- Vergleichsrapporten nicht bemerkbar.

Der R-Tuner ist ausgesprochen handlich, einfach in der Bedienung und ermöglicht schnelle Frequenzwechsel ohne zeitraubende Abstimmungsvorgänge.

Aufwendige und manchmal auch anfällige Elektronik mit separater Stromversorgung entfällt.

Nicht resonante Antennen auch mit weniger als λ/4 Wellenlänge sind noch brauchbar anpassbar mit SWR ≤ 2.5.

Schaltungstechnisch bedingt sind Antennen beim Einsatz des R-Tuner dauerhaft geerdet und die angeschlossenen Geräte vor Schäden durch statische Aufladungen geschützt.


Literatur und Bezugsquellen


[1] Krischke, Alois: Rothammels Antennenbuch, 12. aktualisierte Ausgabe, DARC Verlag ^ Baunatal, S. 265-266 und S. 267-268

[2] Homepage: www.comet-ant.eu

[3] Homepage: www.diamondantenna.net

[4] Homepage: http//:www.g8jnj.net/cometch250b.html

[5] Kaiser. K., DK4XU: Die Mini-Matchbox. Beam 12/87, Siebel-Verlag , S. 37-38

[6] Ruegger, Max: Praxisbuch Antennenbau, 1. Auflage, Januar 2011, Box 73, Aateurfunkservice

GmbH, Majakowskiring38, 13156 Berlin, S. 334-336

[7] Homepage: physics.princeton.edu/pulsar/k1jt/wspr.html

[8] Homepage: www.mouser.de

[9] Homepage: www.reichelt.de

[10] Homepage: www.box73.de

[11] Homepage: http://www.buerklin.com/de

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