Internationale Funkausstellung Aktiv - Antennen Internationale Funkausstellung Berlin 2008 HAM-Fest 23.8.2008 DF2YQ Manfred Schulze Dipl.-Ing., Dipl.-Wi.-Ing. 16/11/18 DF2YQ

Inhaltsverzeichnis Aktiv - Antennen Dauer: ca. 40 min. Grundlagen / Empfangsaufgabe Wie funktioniert eine Aktiv-Antenne ? Vor- und Nachteile von Aktiv-Antennen ? Schaltungsanalyse Selbstbau Einspeisung und Montage a) Montage im Zimmer (5 m Koaxialkabel) b) Montage auf einem Mast (h = 10 m) c) Montage über Erdboden (h = 1 m) Diskussionen und Fragen 16/11/18 DF2YQ

Grundlagen / Empfangsaufgabe Elektromagnetische Wellen bestehen aus 2 Feld-Komponenten: a) H-Feld (magnetisches Feld) und b) E-Feld (elektrisches Feld) Verknüpfung E und H über Freiraum-Wellenwiderstand Z o = 377 Ω E R EIN = Z L i c u u Z o i Empfänger Leitung Z L Freiraum Antenne 16/11/18 DF2YQ

1. Grundlagen / Systematik HF-Antennen (30 kHz - 300 MHz) Aktive Antennen (mit Halbleiter) Passive Antennen magnetische A. elektrische A. elektromagnetische Antennen magnetische Antennen Selektive A. (vert.) Loop mit C Ferritstab mit C Breitband A. (vert.) Loop im Kurzschluß Leerlauf Rahmen-Ant. Kreuz-Rahmen Ferrit-Ant. Selektive A. Monopol (vert.) Breitband A. Monopol Dipol (vert.) (horiz.) (vert.) λ < 4 Loop mit C Ferrit-A Rahmen-A Wendel-A. (zirkular) Helix A. Dipol-A. (vert., horiz.) Herzscher Dipol Schleifen-A. (vert., horiz.) Quad Delta-Loop Monopol-A. (vert.) λ/ 4-Monopol vertikale Reuse kap. bel. Monopol R-L-Monopol verkürzter Monopol Trap-Ground-Plane Discone-Antenne λ/ 2-Dipol λ-Dipol Gruppen-Antennen 16/11/18 DF2YQ

Grundlagen / Vergleich Dipol und Aktiv-Antenne Feldstärke (dB) S S Störabstand D D R Antennenlänge (m) Aktiv-Antenne Dipol S: Empfangssignal D: Störungen R : System-Rauschen 16/11/18 DF2YQ

Grundlagen / Dynamik eines Empfangssystems Feldstärke (dB) Dynamik des Empfangs-Systems mit Dipol Dynamik des Empfangs-Systems mit Aktiv-Antenne S Dynamik des Empfängers S R Aktiv-Antenne Dipol S: Empfangssignale R : System-Rauschen 16/11/18 DF2YQ

Grundlagen / Empfangsaufgabe Frequenz: 7 MHz 7 MHz Dipol: 2 x 10 m 1 m Stab: ~ 10 pF (XC = 1/ 2 π f C) Impedanz : Z = R ~ 70 Ω Z ~ 1 + j2 kΩ (kapazitiv) Ziel: Eine Antenne für alle Frequenzen ohne Nachstimmung ! Anpassungsproblem: Antennenstab (~ j2 kΩ) an ein 50 Ω-Koaxialkabel bzw. 50 Ω-Empfangs-System anpassen! Lösung: Aktiv-Antenne mit Impedanzwandler 16/11/18 DF2YQ

2. Wie funktioniert eine Aktiv-Antenne ? E-Feld Antenne Elektrische Antenne E 50 Ohm Antennenimpedanz Z Ant:1 + 10 jkΩ Impedanzwandler R e: 1 MΩ R a: ~ 50 Ω G: 0 dB, F: 3 dB Ip3: 30 dBm Koaxialkabel Z L: 50 Ω G: - 1 dB, l = 20 m Empfänger R e: 50 Ω F: 10 dB Ip3: > 30 dBm - Betrieb (Antenne) im Leerlauf 16/11/18 DF2YQ

Wie funktioniert eine Aktiv-Antenne ? H-Feld Antenne Magnetische Antenne H 50 Ohm Antennenimpedanz Z Ant: 0,1 Ω Impedanzwandler R e: 1 bis 10 Ω R a: ~ 50 Ω G: 20 dB F: 3 dB Ip3: 30 dBm Koaxialkabel Z L: 50 Ω G: - 1 dB, l = 20 m Empfänger R e: 50 Ω F: 10 dB Ip3: > 30 dBm - unempfindlich bezüglich E-Felder - Richtwirkung - Betrieb im Kurzschluss, sehr kleine Ströme, Frequenzunabhängig 16/11/18 DF2YQ

Vor- und Nachteile von Aktiv-Antennen ? Vorteile: + Breitbandigkeit: 30 kHz - 30 MHz λ = 10.000 m - 10 m + konstantes Strahlungsdiagramm + kleine Abmessungen, unauffällig + wenig Störungen + wenig elektrostatische Aufladung + hohe Dynamik und Linearität + entkoppelt von anderen Antennen, + dadurch gleichzeitiges Senden und Empfangen möglich Nachteile: nicht zum Senden geeignet Betriebsspannung notwendig (typ. 12 V, 18 V, 24 V) empfindliche Elektronik 16/11/18 DF2YQ

4. Schaltungsanalyse Schutz vor elektrostatische Aufladung R a ~ 50 Ω Antennenstab + U B T1 R E R a ~ 50 Ω 10 M U a Ableitwiderstand Überspannungsschutz Impedanzwandler DC-Weiche gegen statische mit Gegenkopplung Aufladung Schutz vor elektrostatische Aufladung 16/11/18 DF2YQ

Schutz vor elektrostatische Aufladung 4. Schaltungsanalyse Antennenstab + U B Bedämpfung T2 Dr D1 R E 1 M 40 R Schutz R a ~ 50 Ω T1 R E u a 10 M D2 Gas-Ableiter Siemens 90 V R S T3 Ableitwiderstand gegen statische Aufladung Überspannungsschutz Impedanzwandler Komplementär- DC-Weiche Gegentakt B-Endstufe Schutz vor elektrostatische Aufladung Schutz vor Blitzeinschlag in der Nähe 16/11/18 DF2YQ

Ersatzschaltung Antennenstab (Quelle) und Verstärkereingang (Last) 5. Selbstbau Ersatzschaltung Antennenstab (Quelle) und Verstärkereingang (Last) E, h eff Zo C Ant. U 0 C Ein R Ein u 0/ 2 Kapazitiver Spannungsteiler besteht aus Antennenstab 1 m (C Ant. ~ 10 pF) und Eingangsschaltung (C Ein ~ 10 pF ll R Ein 10 …100 kΩ) gebildet. C Ant.= Funktion (Länge und Dicke des Stabes) C Ein = Funktion (Platinen-Layout, Transistor, Bauteile, Gehäuse,…) 16/11/18 DF2YQ

Aktiv - Antennen Dipol (RFT) 30 - 300 MHz Eingangs Transistoren Endstufe Schutz-Dioden 16/11/18 DF2YQ

Aktiv-Antenne mit Kabeldrossel (RFT) 10 kHz - 80 MHz Aktiv - Antennen Antennenstab ca. 1 m Radials Isolierstück Aktiv-Antenne mit Kabeldrossel (RFT) 10 kHz - 80 MHz 16/11/18 DF2YQ

Aktiv - Antennen Monopol (RFT, Mil.) 30 kHz - 80 MHz Gehäuse BNC-Buchse Endstufe Überspannungsschutz Gasableiter und Dioden Monopol (RFT, Mil.) 30 kHz - 80 MHz 16/11/18 DF2YQ

Was ist zu beachten ? Einspeisung und Montage a) Montage im Zimmer (5 m Koaxialkabel) b) Montage auf einem Mast (h = 10 m) c) Montage über Erdboden (h = 1 m) Was ist zu beachten ? 16/11/18 DF2YQ

Quellen: Senke: Einspeisung und Montage Schaltnetzteile, Bildschirme, Wie gelangen Signale zu einer Antenne ? Quellen: Senke: KW-Sender, Dimmer, Antenne (hochohmiger Verstärker) Schaltnetzteile, Bildschirme, PC, Energiesparlampen, Kontakte, Steuerungen, etc. elektromagnetische Felder Boden- u. Raumwellen galvanische Verbindungen Koaxialkabel-Schirm mit PE! E-Felder 230 V-Leitungen (groß !) B-Felder 230 V-Leitungen (gering) 16/11/18 DF2YQ

Einspeisung und Montage Störungen gelangen vornehmlich über Kabel und Mast in den Verstärker. Störströme ! A-A ist empfindlich gegenüber E-Feldern, die von in der Nähe befindlichen Netzleitungen verursacht werden. Maßnahmen: isolierte Montage der Aktiv-Antenne vom Mast und PE Erdungspunkte beachten ! Kabeldrossel in allen Zuleitungen und Mastfuß. RF-Ströme minimieren! Entfernung von 230 V-Leitungen möglichst groß. Abstand ! E ~ 1/ r² (Nahfeld), E ~ 1/ r (Fernfeld) (Man-made-noise) Radials (l << λ/ 4) 16/11/18 DF2YQ

Aktiv - Antennen Kabeldrossel Kabeldrossel 16/11/18 DF2YQ Koaxialkabel aufgewickelt auf einem Ringkern mit großen μ Kabeldrossel 16/11/18 DF2YQ

6. Einspeisung und Montage Antennenstab Z Ant:1 + 10 jkΩ Impedanzwandler/ Elektronik R e: 1 MΩ , || 10 pF R a. ~ 50 Ω Radials Anzahl > 4, Länge: ~ 1 m Fernspeiseweiche Kabeldrossel 1 Auf Ferritkern 8 - 12 Windungen RG 223 CU C Koaxialkabel RG 223 CU, 10 - 20 m Z L: 50 Ω Empfänger Aktiv-Antenne Kabeldrossel 2 Auf Ferritkern 8 - 12 Windungen RG 223 CU L Fernspeiseweiche (DC-Weiche) Betriebsspannungserzeugung + U B 12 V + U B Empfänger R e ~ 50 Ω Rx Netzeinspeisung L, N, 230 V, AC, 50 Hz PE Stationserde (PE) 16/11/18 DF2YQ

a) Montage im Zimmer (5 m Koaxialkabel) kein Blitzschutz erforderlich keine Witterungsprobleme zugänglich im Störnebel, (E + B Feldkopplung) Störungen durch PE / Netz (galvanische Verbindung) Antennenstab A-A Kabeldrossel Minus erdfrei aufbauen ! L 1 µ L + U B kapazitive Kopplung ca. 15 pF 1 : 1 HF- Breitband- Übertrager 7812 10 mF kapazitive Kopplung über 230 V-Netz- Transformator i Stör Netzfilter Empfänger L N PE L N PE 230 V i = Störströme 16/11/18 DF2YQ

6. b) Montage auf einem Mast (h = 10 m) Mast = Gegengewicht λ/ 4 Veränderung des Diagramms Mast = Empfangsantenne ! Koaxialkabel = Empfangsantenne ! Übersteuerungsgefahr (heff ) Gegenmaßnahmen ! Mast-Drosseln Blitzschutz Antennenstab A-A Mast: h = 10 m λ/ 4 für 7 MHz Mastdrossel 16/11/18 DF2YQ

6. b) Montage auf einem Mast (h = 10 m) Antennenstab (1 m) A-A u Mast: h = 10 m λ/ 4 für 7 MHz i ohne Mastdrossel i mit Mastdrossel Mastdrossel 16/11/18 DF2YQ

6. c) Montage über Erdboden, (h ~ 1 m) Maststummel (1 m) ist kein Gegengewicht für KW! Koaxialkabel in der Erde dämpft Resonanzen große System-Dynamik geringe Blitzgefahr entfernt vom Störnebel des Hauses E ~ 1/ r² (Nahfeld), E ~ 1/ r (Fernfeld) Störströme über Schirm des Koaxialkabels Typisch Einsatz: Militär, Kommerzielle Empfangsstationen, KW-Peiler Montage direkt auf Ground-Plane (Schiff) Antennenstab A-A Drossel Mast: h = 1 m 16/11/18 DF2YQ

KW-Breitband und Aktiv-Antennen-Systeme Diskussionen und Fragen Empfehlung/ Zusammenfassung: Mit „großer“ Antenne senden und mit Aktiv-Antenne empfangen. Aktiv-Antenne 1 m über Boden montieren. Koaxialkabel gegen Störströme verdrosseln. Kontakt: DF2YQ@yahoo.de Literaturhinweis: KW-Breitband und Aktiv-Antennen-Systeme Manfred Schulze, DF2YQ, Beam-Verlag, 2006 16/11/18 DF2YQ

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Aktiv - Antennen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! 16/11/18 DF2YQ