3 Anpassung und SWR

Die maximal mögliche Leistungsübertragung vom Sender auf die Antenne erfordert Leistungs­anpassung. Dazu müssen das Antennensystem, also Antenne, Zuleitung (Feeder) und Anpassungsvorrichtung (sofern vorhanden, Balun, Antennentuner) resonant und der Widerstand des Antennensystems als Last gleich dem Innenwiderstand des Senders als Quelle sein. "Resonant" heißt, dass kapazitive und induktive Blindwiderstände Null sind oder zu Null kompensiert wurden. Dass die Antenne selber resonant sein muss, z.B. bei einer Länge von λ/2 , ist nicht erforderlich, macht die Sache lediglich übersichtlicher.

3.1  Koax-Feeder

Betrachten wir zunächst die Ankopplung eines λ/2-Dipols an den TX mittels 50Ω-Koax. In der Nähe der Resonanzfrequenz funktioniert das auch üblicherweise, weiter abseits zunehmend schlechter. Unsauber bleibt dennoch der der unvermittelte Übergang vom symmetrischen Dipol auf das unsymmetrische Koax-Kabel.

Monobanddipol

Abb. 3.1: λ/2-Monobanddipol mit Koax-Speisung.

Ein außerhalb der Resonanzfrequenz unmittelbar hinter dem TX gemessenes "ideales" SWR von 1 muss nicht ein Indiz für eine optimale Anpassung an die Antenne bedeuten. Bei Fehlanpassung entstehen am Impedanzsprung Reflexionen. Die reflektierte Welle überlagert sich mit der einströmenden zu einer stehenden Welle auf der Zuleitung. Bei diesem Ping-Pong-Spiel der auf der Zuleitung hin und her laufenden Wellen verliert die reflektierte Welle aufgrund der je nach Koax-Typ und Frequenz nicht unbeträchtlichen Kabelverluste einen Teil ihrer Energie. Der Rest wird abgestrahlt.

Misst man die reflektierte Welle wie allgemein üblich zwischen TX-Ausgang und Feeder, täuscht diese verminderte Energie ein kleines SWR lediglich vor. Maßgeblich wäre das SWR am Antennenfußpunkt, der ist aber für Messungen kaum zugänglich. Den haben wir ja so hoch wie möglich aufgehängt.

Mit einem langen Koax-Feeder, der einen Teil der reflektierten Sendeleistung als Wärmeenergie verheizt und am senderseitigen Ende ein "optimales" SWR = 1 vortäuscht, gratuliert man sich voreilig zu diesem "schönen Erfolg". Ein schlechteres Koax-Kabel mit höherer Dämpfung würde den gemessenen SWR-Wert sogar noch verringern und das um so mehr, je höher die Frequenz ist. Am anderen Ende des Koax-Feeders sieht es ganz anders aus. Anders ausgedrückt: Gibt es stehende Wellen aufgrund von Fehlanpassungen mit hohem SWR, spielt der Verlust im Feeder eine wesentliche Rolle. Da sind zunächst einmal verlustarme Koaxkabel gefragt, besser aber fast verlustlose offene (symmetrische) Zweidrahtleitungen. Und Antennentuner.

Ein Vergleich zur groben Orientierung für das 10m-Band (http://www.arrg.us/pages/Loss-Calc.htm):

Typ dB/100m
RG58 (50Ω) 7,3
RG213 (50Ω) 3,5
Wireman CQ552 (450Ω) trocken 1,0
Wireman CQ552 (450Ω) nass 6,6
Open line "Hühnerleiter" (600Ω) 0,3

3.2  Zweidraht-Feeder

Bewegen wir uns weiter weg von der λ/2-Resonanz, kommt die Zweidrahtleitung wegen der geringen Stehwellenverluste ins Spiel. Die Antennenimpedanz läuft uns auch davon. Wir müssen die Antenne anpassen. Der ideale Ort einer Anpassung wäre der Antennenfußpunkt hoch oben und weit weg vom Shack. Nächstbeste Alternative ist ein Feeder aus einer verlustarmen Zweidrahtleitung und Anpassung in Reichweite.

Multibanddipol

Abb. 3.2: Nicht resonanter Dipol mit symmetrischer Speisung.

Die Anpassungsvorrichtung, i.a. ein Antennentuner (ATU) zwischen Sender und Feeder, kann mit der jeweils komplementären Reaktanz von Induktivitäten und Kapazitäten für eine Kompensation der Blindanteile und damit für Systemresonanz sorgen. Es verbleibt ein reeller Widerstand. Dieser lässt sich nun durch eine weitere Zuschaltung von passenden Induktivitäten und Kapazitäten im Anpassungsnetzwerk auf reelle 50Ω transformieren. Im Ergebnis bewirkt der damit hergestellte senderseitige Eingangswiderstand des Anpassungsnetzwerks von 50Ω eine Leistungsanpassung an die Senderendstufe. Am SWR auf dem Feeder ändert der ATU rein gar nichts. Aber damit kann ein Zweidraht-Feeder besser umgehen als einer aus Koax-Kabel. Insofern ist ein von 1 abweichendes SWR auf dem Feeder kein Qualitätskriterium für ein funktionierendes Antennensystem.

Was passiert, wenn wir das nicht tun? Bei Fehlanpassung an eine hohe Impedanz, die der Endstufe wenig Leistung abnimmt, entstehen entsprechend hohe HF-Spannungen, die die Endstufentransistoren durchschlagen lassen können. Fehlanpassung an eine geringe Impedanz zieht zu viel Leistung aus den Endstufentransistoren mit entsprechend zu hohen Strömen. Wenn wir die Sache übertreiben, wird sich in beiden Fällen die Endstufe verabschieden, wenn dies nicht eine Schutzschaltung verhindert.

3.3  Spezielle Feeder-Längen

Bei den hier auftretenden Fehlanpassungen, d.h. wenn der Feeder nicht mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, stellt sich ein zusätzlicher Effekt ein. Der Feeder verhält sich wie ein von seiner Länge und von der Frequenz/Wellenlänge abhängiger Impedanztransformator. Zwei herausragende Eckpunkte, unabhängig von der Bauform des Feeders:

  • Wenn die elektrische Kabellänge (unter Berücksichtigung des jeweiligen Verkürzungsfaktors) λ/2 oder Vielfache von λ/2 ist, erfolgt eine eins zu eins Impedanztransformation. Am Kabelende ist also die übertragene Impedanz identisch mit der Fußpunktimpedanz der Antenne.
  • Wenn die elektrische Kabellänge λ/4 oder ungerade Vielfache von λ/4 ist, erfolgt eine Umkehrung der Impedanzverhältnisse, d.h. eine hohe Antennen-Fußpunktimpedanz wandelt sich am Kabelende in eine niedrige Impedanz und umgekehrt ("Viertelwellen-Transformator").
    Die Eingangsimpedanz ZE transformiert sich hier über die Kabelimpedanz ZK zur Ausgangsimpedanz ZA gemäß ZA = ZK2 / ZE.

Die besagten Transformationsbedingungen λ/4 bzw. λ/2 einschließlich aller Zwischenzustände wiederholen sich natürlich bei ausreichender Länge nach jeweils weiteren λ/2 entlang des Feeders.

Mit der Länge des Feeders lässt sich also eine Antenne auch anpassen, allerdings nur in einem bestimmten Frequenz- und Oberwellenbereich. Diese besonderen Zuleitungskonfigurationen zur Impedanztransformation spielen bei den nachfolgenden Dipoltypen eine besondere Rolle. Nimmt man auch noch in Kauf, statt der einfach zu handhabenden Koax-Kabel auf mechanisch etwas anspruchsvollere symmetrische Speiseleitungen ("open wire feeder", "ladder line", "window line", "twinlead", "Paralleldrahtleitung", "Lecherleitung", "Hühnerleiter") umzusteigen, spielen SWR und dabei durch Reflexionen verursachte Verluste nur noch eine untergeordnete Rolle, insbesondere bei offenen Hühnerleitern.

Symmetrische Leitungen, also Paralleldrahtleitungen, sind von sich aus verlustarm. Somit können sie auch besser als Koax-Kabel mit einem hohen SWR umgehen. Da sie symmetrisch sind, sind die Ströme auf den beiden Leitern im Idealfall um 180° phasenverschoben. Auf einem Leiter geht's rauf, auf dem anderen um den gleichen Betrag zurück. Die beiden Phasen heben sich auf, so dass eine symmetrische Leitung nicht strahlt. Sie transportiert lediglich die HF-Energie ohne zusätzliche Strahlungsverluste zur Antenne. Wenn der Dipol genau symmetrisch aufgebaut ist, auch in Bezug auf seine nähere Umgebung (Höhe über Grund und metallische Gegenstände in der Nähe), trifft dies auch zu, wenn auch nur im "Idealfall".

Zurück zur Frage am Anfang zur Wunschantenne:

  1. Für alle Kurzwellenbänder nutzbar
  2. mit einem SWR = 1 am 50Ω-TX
  3. mit einer hohen Strahlungsleistung, je nach Anspruch auch für DX geeignet.

Eine für alle Bänder mit niedrigem SWR ohne Tuner mit hoher Strahlungsleistung arbeitende Wunderantenne gibt es nicht. Zumal nicht in unseren begrenzten örtlichen Umgebungen. Wenn wir nicht zufällig als Rancher in Texas geboren wurden, müssen wir mit Kompromissen leben.