Dem DARC zu seinem 60. Geburtstag gewidmet ANTENNENANPASSUNG WARUM WANN WIE WO Ein Vortrag von Heinz Bolli, HB9KOF Dem DARC zu seinem 60. Geburtstag gewidmet 18. September 2010 Bild: DO1MDE (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WARUM Physikalischer Grundsatz: Die optimale Übertragung von Energie von einem Erzeuger zu einem Verbraucher stellt sich nur ein, wenn deren Innenwiderstände gleich sind. Ist diese Gleichheit gegeben, spricht man von Leistungs- oder Impedanzanpassung. Bei rein ohmschen Widerständen lautet die Formel Ra = Ri. Bei Impedanzen, wenn also kapazitive oder induktive Blindwiderstände auftreten, müssen diese zueinander komplex konjugierte Werte annehmen. (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WARUM Beispiel: Uo = Generatorspannung Ri = Innenwiderstand Quelle Ra = Lastwiderstand Ua = Lastspannung Ia = Laststrom Po = Generator-Verlustleistung Pa = Ausgangsleistung Ptot = Gesamtleistung (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WANN Wenn Fehlanpassung „problematische“ Folgen zeigt. Folgen von Fehlanpassung: Mangelhafte Leistungsauskopplung aus dem Generator. Anpassung 1 ► 100%, 1.5 ► 67%, 2 ► 50%, 3 ► 33% Vermehrte Beanspruchung der Übertragungselemente durch Überhöhung von Spannungen und Strömen (stehende Wellen). Zusätzliche Verluste auf Übertragungsleitungen zufolge mehrfachem Signaldurchlauf. (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WANN Entstehung und Wirkung stehender Wellen. Fehlanpassung führt zu Energie-Reflektionen. Reflektionen führen zur Leistungs-Rücklauf. Die rücklaufende Welle und die vorlaufende Welle bilden Interferenzen. Interferenzen führen zu stehenden Wellen. Grafik: Wikipedia (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WIE Anpassung heisst Angleichung von Quellen- und Lastimpedanz durch Transformation. Generatoren benötigen reelle Lasten, nur diese übernehmen die produzierte Wirkleistung. Lasten mit hohen Blindanteilen sind zu vermeiden. Blindenergie belastet die Systeme, bewirkt aber keinen Leistungsfluss. Blindwiderstände (Reaktanzen) sind zu kompensie-ren. Fachbegriff: Komplex konjugierte Anpassung. Prinzip: Kompensation einer kapazitiven Reaktanz durch eine induktive Reaktanz und umgekehrt. (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WIE Die Lösung: Ein Anpass-Netzwerk, welches sowohl die Transformation der Widerstände als auch Kompensation der Blindanteile erlaubt. (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WIE Anpass-Schaltungen: Konventionelle Transformatoren. Vorteil: Einfacher Aufbau mit Luftspulen oder mit magnetischen Werkstoffen (Eisenpulver / Ferrit). Vorteil: Jedes Transformationsverhältnis machbar. Geeignet auch zum Symmetrieren (Balun). Nachteil: relativ frequenzabhängig. Nachteil: keine Reaktanzkompensation. Nachteil: Gefahr magnetischer Sättigung (bei Eisen-, bzw. Ferritkernen), insbesondere durch Blindstrom. (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WIE Anpass-Schaltungen: Leitungstransformatoren. Widerstandstransformation typischerweise 1:1, 1:4, 1:9 usw. Geeignet auch zum Symmetrieren (Balun). Vorteil: Relativ breitbandig. Vorteil: Keine hohen magnetischen Flüsse, daher kleine Abmessungen. Sättigungsgefahr geringer (gilt nur bei Stromgleichheit in beiden Spulen). Nachteil: keine Reaktanzkompensation. (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WIE Anpass-Schaltungen: Anpassnetzwerke mit Reaktanzen, L/C-Netzwerke. Vorteil: Einfacher Aufbau, nur 2 Reaktanzen nötig. Bei Verwendung variabler Elemente geeignet für variable Frequenzen, bzw. Impedanzen. Vorteil: Weiter Anpassbereich. Vorteil: Reaktanzkompensation möglich. Nachteil: Je nach Impedanzverhältnis Umschaltung der L/C-Konfiguration nötig. (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WIE Anpass-Schaltungen: Anpassnetzwerke mit Reaktanzen, Pi-Netzwerke. Bei Verwendung variabler Elemente geeignet für variable Frequenzen, bzw. Impedanzen. Vorteil: Weiter Anpassbereich. Vorteil: Reaktanzkompensation möglich. Vorteil: Kein Umschalten der L/C-Konfiguration nötig. Nachteil: Mitunter sehr grosse C-Werte nötig. Nachteil: Mehrdeutige Resultate, Güte kontrollieren! (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WIE Anpass-Schaltungen: Anpassnetzwerke mit Reaktanzen, T-Netzwerke. Bei Verwendung variabler Elemente geeignet für variable Frequenzen, bzw. Impedanzen. Vorteil: Weiter Anpassbereich. Vorteil: Reaktanzkompensation möglich. Vorteil: Kein Umschalten der L/C-Konfiguration nötig. Nachteil: Mehrdeutige Resultate, Güte kontrollieren! (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WO Idealerweise am Ort des Zusammentreffens ungleicher Impedanzen. Je höher das SWR, desto wichtiger die Dämpfungsarmut der Speiseleitung. Je höher das SWR, desto kürzer soll die Speiseleitung sein. Grund: SWR-bedingte Zusatzverluste auf Speiseleitungen. Optimale Lösung: Anpassgerät am Verbindungspunkt von Antenne und Speiseleitung. (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WO SWR-bedingte Zusatzverluste können erheblich sein! (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG - WO SWR-bedingte Verlustbilanz mit PIN 1.0kW Dipol, l=30m, H=15m f (MHz) Antennen- Impedanz (Ω) 1.8 4.5 – j1673 3.8 38.9 – j362 7.2 481 + j964 10.1 2584 – j3292 14.1 85.3 – j23 18.1 2097 + j1552 21.1 345 – j1073 24.9 202 + j367 28.4 2493 – j1375 30m RG 213 50Ω Verluste POUT (dB) (kW) 0.23 + 26 0.002 0.36 + 5.2 0.278 0.52 + 5.2 0.270 0.64 + 9.7 0.093 0.78 + 0.15 0.806 0.90 + 8.0 0.128 0.99 + 8.7 0.108 1.10 + 4.0 0.313 1.20 + 8.8 0.100 30m Feeder 600Ω Verluste POUT (dB) (kW) 0.02 + 6.50 0.214 0.03 + 0.30 0.926 0.05 + 0.05 0.980 0.06 + 0.25 0.935 0.07 + 0.16 0.952 0.08 + 0.15 0.952 0.09 + 0.25 0.926 0.09 + 0.11 0.952 0.10 + 0.18 0.935 (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG Betrachtungen zu Antennen allgemein: Eine Antenne ist ein elektrische und magnetische Felder zulassender Leiter, der elektromagnetische Wellen aussendet oder empfängt. Eine Antenne ist ein Resonanzgebilde. Dessen Entstehung zeigt die Grafik an- hand einer Dipolantenne. Sie erzeugt, bzw. empfängt, sowohl elektrische als auch dazu senkrecht stehende magne- tische Felder. Man kann sich diese An- tenne auch als „entarteten“ Schwing- kreis oder Resonanzkreis, bestehend aus Kondensator und Spule, vorstellen. Grafik: Wikipedia (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG Für Antennen gelten die gleichen Gesetzmässigkeiten wie für Schwingkreise. Im Resonanzfall Speisewiderstand rein reell. Je höher der Wirkungsgrad, desto höher die Güte Q. Je höher die Güte, desto schmalbandiger die Antenne. Je schmalbandiger die Antenne, desto grösser die Änderung der Speiseimpedanz bei Änderung der Frequenz. (c) HB9KOF 2010

ANTENNENANPASSUNG Allgemeine Regel: Impedanzänderung bei Frequenz-änderung weist auf eine „gesunde“ Antenne hin. Führt eine Frequenzänderung NICHT zu einer Impe-danzänderung, ist das zu hinterfragen. Das gilt besonders bei Antennen mit sehr grosser Breitbandigkeit. Oft ist diese die Folge von ohmschen Verlusten in Abschlusswiderständen (T2FD u.a.), Erdverlusten (Verticals) oder Verlusten in der Anpassschaltung (erd-freie Kurz-Verticals). Mit ohmschen Widerständen ist Breitbandigkeit am ein-fachsten zu erreichen. Sie geht allerdings zu Lasten des Wirkungsgrades, dieser kann bis unter 1% sinken. (c) HB9KOF 2010

Ende der Präsentation Ich danke Ihnen für Ihr Interesse und Ihre Aufmerksamkeit. Bitte zögern Sie nicht, Fragen zu stellen, bzw. mich zu einem späteren Zeitpunkt zu kontaktieren. Sie erreichen mich wie folgt: Heinz Bolli, HB9KOF HEINZ BOLLI AG Rütihofstrasse 1 CH-9052 Niederteufen Tel +41 71 335 07 20 / Fax +41 71 335 07 21 heinz.bolli@hbag.ch / http://hbag.ch (c) HB9KOF 2010