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Ulrich Gerlach DF4EU

TC2MBreitband- Antenne f端r Kurzwelle

Vortrag f端r die Wolfswelle M05 26.September 2015 M05

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Titelbild Seite 1: TC2m-Antenne bei DF4EU Weitere Artikel/Vortr채ge 체ber Antennenthemen von DF4EU siehe http://issuu.com/radio-m05/docs Siehe auch www.DK0IZ.de und www.wolfswelle.de

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TC2M- Breitband-Antenne für Kurzwelle Vortrag für OV M05, gehalten anlässlich der Wolfswelle am 26.September 2015 von Prof. Ulrich Gerlach, DF4EU. TC2M = Terminated Coaxial Cage Dipol Bedeutung der Abkürzung: mit ohmschem Widerstand abgeschlossene Reusen- Monopol-Antenne. Erfinder bzw. Entwickler der TC2M -Antenne ist Martin Ehrenfried, G8JNJ. Funkamateur in GB. Er ist bekannt für seine div. Antennenartikel im Internet und in verschiedenen Magazinen. Dieser Vortragstext basiert auf seiner Veröffentlichung im britischen Amateurfunk-Magazin RadCom von Mai und Juni 2014. (Lit. 1) Der Autor hat keine Einwände erhoben, dass ich seinen Artikel hier ausführlich zitiere. Die Antenne ist patentiert, der Autor hat aber nichts dagegen, wenn seine Antenne privat nachgebaut wird. Zum Inhalt des Vortrages: Zum besseren Verständnis von Breitbandantennen werden zunächst einige Grundlagen zur Antennenimpedanz behandelt, insbesondere für den dicken Monopol sowie für die WanderwellenAntenne. Daran schließt sich die Entwicklung zur TC2M- Antenne an, wobei auch auf die Reusen-Antenne und die T2FD- Antenne eingegangen wird. Auswahl einer Antenne Wie jede technische Komponente muss bzw. sollte die Antenne als wichtiger Bestandteil einer -drahtlosen- Übertragungsstrecke für eine bestimmte Aufgabe ausgelegt sein. Die Antenne dient der Anpassung von Sender und Empfänger an die Gegebenheiten des Übertragungsmediums. (Lit. 2). Im Bild 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Kurzwellen-Übertragungsstrecke dargestellt. Wichtige Parameter sind für die Stecke u.a. der Frequenzbereich und die Länge. Weiter ist wichtig, ob die Strecke nur für eine Punkt- zu- Punkt- Verbindung oder für Rundumstrahlung genützt werden M05

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soll. Mit der geforderten Übertragungsgüte (Signal-Rauschverhältnis) sowie der zur Vergügung stehenden Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit ergibt sich hieraus für die Antenne ihre Richtcharakteristik sowie der benötigte Gewinn. In Kenntnis dieser Bedingungen läßt sich dann eine bestimmte Bauform der Antenne auswählen. Daneben spielt noch die Aufstellung (Standort, Höhe) der Antenne eine Rolle, die wiederum die mechanische Beanspruchung bestimmt. Die Wirtschaftlichkeit (Kosten für Anschaffung, Aufbau und Betrieb) ist zu beachten.

Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer KW-Übetragungsstrecke (Lit. 2) Entwicklungsziel: Breitbandantenne Das Entwicklungsziel für Martin Ehrenfried war eine Breitbandantenne für den gesamten Kurzwellenbereich. Dies führte schließlich zur Entstehung der TC2M- Antenne, die sich besonders durch gute Anpassung auszeichnet. Es gilt sicherzustellen, dass die Antenne im gesamten vorgesehenen Frequenzbereich möglichst verlustfrei die HF- Energie abstrahlt bzw. auch empfängt. Dazu ist es erforderlich, dass die Antennenimpedanz an den Senderausgang bzw. den Wellenwiderstand Z0 des Zuleitungskabels angepasst ist. Als Maß für den Grad der Anpassung dient das Stehwellenverhältnis SWV, das allerdings keine Phaseninformation beinhaltet. Ist M05

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diese gewünscht, so wird der Reflexionsfaktor verwendet. Im Idealfall der Anpassung gilt: SWV = 1. Definitionen: Stehwellenverhältnis SWV = R/Z0 für R>Z0, bzw. SWV = Z0 /R für R<Z0 R = Wirkanteil der Antennenimpedanz, SWV immer ≥1. Bei Anpassung ist SWV = 1. Frequenzabhängigkeit der Antennenimpedanz Es ist zu beachten, dass sich die Antennenimpedanz mit der Frequenz stark verändert. Die Änderung des Wellenwiderstandes ist dagegen gering, sie wird deshalb nicht berücksichtigt. Die Änderung der Antennenimpedanz verläuft ähnlich wie beim Schwingkreis, wobei die Antenne nicht nur eine, sondern eine Vielzahl von Resonanzstellen aufweist. Bei Resonanz ist der Blindwiderstand null. Das ist immer dann der Fall, wenn die Antennenlänge – bzw. doppelte Antennenlänge bei Monopolen – ungefähr einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht.

Bild 2: Ortskurve der Impedanz einer Stabantenne (Lit. 3)

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Im Bild 2 ist die Ortskurve der Impedanz einer Stabantenne gezeigt. Für die Dipolantennne sind die Widerstandswerte zu verdoppeln. Man erkennt den induktiven Bereich (obere Halbebene, mit zunehmender Frequenz erhöht sich der Widerstand) und den kapazitiven Bereich (untere Halbebene, mit zunehmender Frequenz erniedrigt sich der Widerstand). Parameter an der Ortskurve ist die Frequenz bzw. das Verhältnis von h/λ. (h= Länge der Stabantenne, λ= Wellenlänge). Man erkennt, dass mit Variation des Parameters h/λ bzw. der Frequenz der Betrag der Impedanz periodisch schwankt. Der Zeiger wird länger oder kürzer, damit einher geht die ebenfalls periodische Schwankung des Wirkanteils und des Blindanteils. Anm.: Wird bei konstanter Länge h der Antenne die Frequenz f erhöht, so wird die Ortskurve im Uhrzeigersinn durchlaufen. (f ~1/λ, je größer f umso kleiner wird die Wellenlänge λ). Mit Variation des Wirkwiderstandes variiert in gleicher Weise auch das SWV. Außerdem ist zu bemerken, dass die Resonanzpunkte für die gezeigten Ortskurven nicht auf der reellen Achse liegen. Dies ist auf die sog. Antennenverkürzung zurückzuführen. Bei gleicher Länge würde eine dickere Antenne durch ihre höhere Kapazität eine niedrigere Resonanzfrequenz aufweisen als eine sehr dünne. Um auf die gleiche Resonanzfrequenz wie bei der dünnen Antenne zu kommen, müsste man die dicke Antenne verkürzen. Die Ortskurve zeigt, dass bei dicken Antennen die Schwankungen der Impedanz bedeutend geringer sind. Zum Vergleich der Antennen wird der Parameter Schlankheitsgrad eingeführt. Dieser ist definiert als das Verhältnis von Länge L zum Durchmesser d der Antenne. Z.B. L= 10m, d= 1cm → L/d = 1000). Es ist wegen der Impedanzschwankungen nicht möglich, eine derartige Antenne gleichmäßig gut im gesamten Frequenzbereich anzupassen. Oft ist dies nur mit aufwendigen Kompensationsmaßnahmen zu erreichen, d.h. verlustbehafteten Bauelementen L oder C. Die stärksten Schwankungen ergeben sich, wenn die Antenne sehr dünn ist, d.h. ihr Schlankheitsgrad sehr groß. M05

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Bei kleinem Schlankheitsgrad verringern sich die Impedanzschwankungen. So eine Antenne ist leichter über einen gewissen Frequenzbereich anzupassen. Allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, das die Impedanzwerte dabei erheblich absinken. Wir haben hiermit bereits eine Möglichkeit, eine Breitbandantenne in einfachster Form zu realisieren. Auf dem Bild 3 (Lit.1) sind die Schwankungen des Wirkanteils der Impedanz für verschiedene Antennenausführungen dargestellt. Man erkennt deutlich, dass die Schwankungen bei dünnen Antennen deutlich größer sind. Am günstigsten über den gesamten Frequenzbereich wäre eine 5drähtige Reuse (lila Kurve).

Bild 3: Abhängigkeit des Eingangswiderstandes vom Antennendurchmesser (Lit. 1) Aus Bild 4 ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Antennendurchmesser der Wirkanteil der Impedanz fällt. Interessanterweise liegen alle Werte oberhalb von 250mm Antennendurchmesser nahe beieinander, bei ca. 100...170Ω. Danach fallen sie nur noch wenig ab. Bei einer 10m langen Antenne entspricht das einem Schlankheitsgrad von 40. Durch weitere Vergrößerung des Antennendurchmessers bis in die Größenordnung der Antennenlänge lässt sich der Eingangswiderstand bis auf 50Ω verringern. Bei der 10m Antenne wäre dazu ein Durchmesser von ca. 8m erforderlich! Für Amateurzwecke nicht sehr praktisch, AnwenM05

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dung findet diese Technik aber z.B. bei der kommerziellen Kegelantenne.

Bild 4 Äquivalenter Reusendurchmesser (Lit. 1)

Die nahezu konstante Impedanz lässt sich gut an den Ausgangswiderstand von 50Ω moderner Transcievern anpassen. Normalerweise müssen Antennen mit Anpassungsnetzwerken ausgestattet werden, die jedoch in den meisten Fällen nur in einem kleinen Frequenzbereich von etwa 10% wirksam sind. In Sendeanlagen, bei denen schnelle Änderungen der Betriebsfrequenz erforderlich sind, müssen aktive Anpassgeräte eingesetzt werden, um die korrekte Anpassung und damit effiziente Energieübertragung zu gewährleisten. Ein großer Nachteil dieser Anpassungsnetzwerke sind deren Verluste und oftmals auch ihre endliche Einschwingzeit, bevor die Energieabstrahlung beginnen kann. Die zur Umschaltung erforderlichen elektromechanischen Bauteile erreichen jedoch nur eine endliche Anzahl von Schaltzyklen und müssen dann ausgetauscht werden.(Lit. 1) Die Folge endlicher Antennendicke zeigt sich auch im Richtdiagramm, wo aus Nullstellen oder Einbrüchen des Diagramms relativ flache Minima werden und Nebenzipfel weniger deutlich hervortreten. Siehe Bild 5. M05

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Bild 5 Vergleich der Richtwirkung von dicken und dünnen Strahlern (Lit. 1)

Dicker Monopol/Reusenantenne Im Allgemeinen wird hauptsächlich die Antennenimpedanz (und damit die Antennenanpassung) als begrenzend auf die Verwendbarkeit der Antenne im Frequenzbereich angesehen, obwohl auch andere Parameter, wie z.B. der Gewinn oder die Form des Richtdiagramms stark frequenzabhängig sind. Wie bereits geschildert, ist der einfachste Weg, die Bandbreite einer Antenne zu vergrößern, eine Dicke Antenne (Dipol oder Monopol) zu benützen. Es ist nicht nötig, die Antenne als dickes Rohr auszuführen. Man kann das Rohr durch eine durch eine Vielzahl von parallel angeordneten Einzelleitern simulieren. Solch eine Anenne wird wegen ihrer Form als Reusenantenne (cage antenna) bezeichnet. Bild 6 zeigt die Konstruktion einer Dipol- Reusenantenne von W4NFR für 40m, Höhe ca. 13m. M05

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Bild 6 Dipol- Reusenantenne von W4NFR (Lit. 5) Der äquivalente Antennendurchmesser ist abhängig vom Reusendurchmesser und der Anzahl der parallelen Antennendrähte. Z.B. wirkt eine Reuse mit 5 Drähten bei einem Durchmesser von knapp 600mm wie ein Antennenrohr von 250mm. Siehe hierzu Bild 7.

Bild 7 Berechneter äquivalenter Durchmesser einer Reusenantenne in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser einer Stabantenne (Lit. 1)

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Wie in Bild 3 schon gezeigt wird, variiert die Impedanz bei sehr dünnen Drähten zwischen 40Ω und 5kΩ. Die Spitzen der schwarzen Kurve (siehe Bild 3) sind nicht mit eingezeichnet, um die kleineren Werte besser darstellen zu können.Mit größerem Antennendurchmesser verringern sich die Ausschläge des Verlaufes stark. Dies gilt auch schon bei geringer Vergrößerung des Durchmessers. (Lit. 1) Wenn die Abstände der parallelen Drähte der Reusenantenne zu groß werden (im Vergleich zur Wellenlänge) treten Abweichungen im Vergleich zu einer Rohrantenne auf. Das zeigt sich deutlich bei ca. 100MHz, wo die dünnere Antenne (0,4m, blau) einen niedrigeren Widerstand hat als die dicke (1m, lila). Konstruktion einer Reusenantenne Eine nach diesen Erkenntnissen konstruierte vertikale Reusenantenne über einem guten Erdnetz zeigt Bild 8. (Lit. 1) Die Abmessungen sowie die Anzahl der Drähte zur Simulation der Reuse lassen sich gemäß Bild 7 graphisch bestimmen. Die Reuse soll ein Rohr mit 250mm Durchmesser simulieren. Bei 5 Drähten ist dazu ein Reusendurchmesser von ca. 600mm erforderlich. Die Eingangsimpedanz variiert dann zwischen 150 und 170Ω, so dass die Anpassung an 50Ω leicht mit einem 4:1 Übertrager erfolgen kann. Das SWR sollte dabei im Bereich von 7 bis 70MHz nicht höher als 2...3 werden. Die 5 Einzeldrähte laufen oben und unten in einem Winkel von etwa 50 bis 60° zusammen. Dadurch wird besonders im Speisepunkt (unten) die schädliche Endkapazität der Reuse gegen Masse Bild 8 Koaxiale Reusenantenne verringert. (Lit. 7) (Lit. 1) M05

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G8JNJ hat diese nach den Konstruktionshinweisen aufgebaute Reusenantenne anhand von Feldstärkemessungen überprüft. Zum Vergleich wurde eine einfache vertikale Drahtantenne mit 0,5mm Durchmesser und 10m Höhe herangezogen (siehe Bild 9, gestrichelte schwarze Linie bei 0dB).

Bild 9 Gewinn der Reusenantenne gegen verschiedene 10m Vertikalantennen (Lit. 1), Erläuterung siehe Text Gegenüber dieser besitzt eine 6drähtige Reusenantenne mit 1m Durchmesser (dicke rote Linie) einen bis zu 3dB höheren Gewinn, dies allein durch die Vergrößerung des Antennendurchmessers! Ein Antennenrohr mit nur 10mm Durchmesser (dicke blaue Linie) weist gegenüber der einfachen Drahtantenne nur eine geringere Gewinnerhöhung auf. Die einfache Drahtantenne und das Antennenrohr wurden beide mit CG3000 Auto- Tunern angepasst. Die Messergebnisse sind in Bild 9 dargestellt. Unterhalb 5MHz steigt der Gewinn der Reusenantenne noch einmal an. Vermutlich tritt die Verbesserung ein, weil die Impedanz der dünneren Antenne schwieriger anzupassen ist als die geringere Impedanz der Reusenantenne. Dies könnte die Tunerverluste stark verringert haben. Ein weiterer Einfluss könnte darauf zurückzuführen sein, dass die Stromverteilung der Reusenantenne einen höheren Wanderwellen- Anteil aufweist, wodurch bei geringen Abstrahlungswinkeln der Gewinn höher ist M05

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als bei der dünnen Drahtantenne. Bild 10 zeigt eine kommerzielle Reuse, 22m hoch. Zur besseren Anpassung ist diese kegelförmig zugespitzt. Die Antenne ist zerlegbar. Im gesamten Kurzwellenbereich von 3,5.. 30MHz herrschen nahezu konstante, günstige Betriebsverhältnisse vor. Ohne besondere Anpassungsglieder ist das SWV max. 1,3. Das Richtdiagramm der Reusenantenne zeichnet sich durch eine gleichmäßigere Abstrahlung aus. Nullstellen werden aufgefüllt und kleinere Nebenkeulen verschwinden. Dies ist besonders auffällig, wenn die Antenne 3λ/2 oder 2λ

Bild 10 Kommerzielle Reusenantenne (Lit. 6)

lang ist und besonders nützlich bei vertikal polarisierten Antennen. Dadurch verbessert sich die Abstrahlung bei mittleren Sprungentfernungen. Hieraus ergeben sich bereits Hinweise auf die Anwendung von Wanderwellen bei Antennen, wie im nachfolgenden Abschnitt beschrieben.

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Ohmisch abgeschlossene Antennen Eine andere Gruppe von Antennen erreicht die breitbandige Anpassung mittels ohmscher Abschlusswiderstände.

Bild 11 Stromverteilung auf einer Antenne bei stehenden und bei Wanderwellen (Lit. 1) Auf Bild 11 sind oben die Stehwellen auf einer 4λ langen Dipolantenne dargestellt. Diese entstehen durch die Überlagerung der zum Ende hin laufenden mit der am Ende reflektierten Welle. Im unteren Teil des Bildes ist der Verlauf der Wanderwelle auf einer 4λ langen Dipolantenne dargestellt. In diesem Fall erfolgt keine Reflektion am Antennenende, die hin laufende Welle wird bei idealem Abschlusswiderstand vollkommen absorbiert. Die Restwelligkeit erklärt sich daraus, dass der Abschlusswiderstand nicht ideal ist. Es ist praktisch nicht möglich, einen perfekten, nicht reflektierenden Abschlusswiderstand herzustellen. Daher sind Stehwellen und Wanderwellen stets gleichzeitig vorhanden. Die Strom- und Spannungsverteilung ist deshalb nicht konstant, sondern weist je nach der Güte des M05

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Abschlusses Schwankungen auf. D.h., egal wo man die Speiseleitung anschließt, der Eingangswiderstand der Antenne ist nahezu immer gleich. Die Antenne ist frequenzunabhängig und damit zur Breitbandantenne geworden. Voraussetzung hierfür ist, dass die Antenne mehrere Wellenlängen lang ist. Weil die Antenne aber in der Praxis für die meisten Betriebsfrequenzen elektrisch kurz ist (kleiner als einige λ/4), kann sie nicht wie eine echte Wanderwellenantenne arbeiten, ihre Funktionsweise ist jedoch ähnlich. In Bild 12 wird ein Faltdipol mit Abschlusswiderstand gezeigt. Die Richtwirkung ist ähnlich wie beim normalen Dipol. Diese Ausführung findet z.B. bei der T2FD (= Tilted Terminated Folded Dipole, geneigter, abgeschlossener Faltdipol) Anwendung. Das ist eine KWAntenne, welche die United States Navy bereits in den 1940er Jahren entwickelt hat. (Lit. 8)

Bild 12 Abgeschlossener Faltdipol (Lit. 1)

Bild 13 zeigt die Konstruktion einer solchen Antenne. (Lit. 9) Als NVIS -Antenne (near vertical incidence skywave = nahezu senkrecht einfallende Raumwelle) wird sie auf kurzen bis mittleren Entfernungen bis 2000 km Reichweite auf Frequenzen von 2 bis 15MHz verwendet. Die große Bandbreite ist insbesondere vorteilhaft für moderne Frequenz- Hopping- oder ALE- Verfahren. Aus dem Aufbau dieser Antenne lassen sich einige Hinweise für die Konstruktion der TC2M-Antenne gewinnen. Das günstige SWV- Verhalten im gesamten KW-Bereich zeigt Bild 14. (Lit. 9). Das SWV bleibt hier immer unter 1,5. M05

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Bild 13 T2FD Tilted Terminated Folded Dipol – geneigter, abgeschlossener Faltdipol (Lit. 8)

Bild 14 Stehwellenverhältnis der T2FD Antenne (Lit. 8) M05

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Es ist verständlich, dass durch Hinzufügen eines ohmschen Abschlusswiderstandes der Wirkungsgrad der Antenne verringert wird. (sog. Schluckwiderstand, ein Teil der Sendeleistung wird im Widerstand verheizt, deshalb ist bei Funkamateuren eine solche Antenne als leistungsschwache Dummyload- Antenne verschrieen). Abgesehen von den niedrigeren Bändern fällt es im praktischen Betrieb jedoch kaum auf, wenn das Signal 1-3 dB schwächer ist. Dagegen benötigen schmalbandige Antennen zur Anpassung an den Senderausgang oft Anpassglieder, deren Spulen und Kondensatoren ebenfalls nicht zu vernachlässigende Verluste aufweisen. Das wird häufig übersehen. So ist hinsichtlich des Wirkungsgrades unbedingt das ganze dem Sendeausgang nachfolgende System aus Koaxialkabel, Anpassungsnetzwerk und Antenne zu berücksichtigen. Dagegen stellt eine abgeschlossene Antenne eine Last dar, die von den eingebauten Antennentunern leichter abgestimmt werden kann, ohne dass die SWV- Schutzschaltung die Ausgangsleistung reduziert. (Lit. 12) Bzw., man benötigt überhaupt keinen Tuner und kann die Antenne direkt mit dem Transceiver speisen. (Lit. 1), (Lit.8) Der Faltdipol ist keine Paralleldrahtleitung! Bei Paralleldrahtleitungen ist der Abstand zwischen den parallelen Leitern sehr gering, um die unerwünschte Abstrahlung der Paralleldrahtleitung möglichst klein zu halten. Beim Faltdipol ist Abstrahlung erwünscht, deshalb ist der Abstand zwischen den parallelen Antennenelementen relativ groß.

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Abgeschlossener gefalteter Monopol Aus dem gefalteten abgeschlossenen Dipol entsteht der abgeschlossene gefaltete Monopol, indem man nur die obere Hälfte des Dipols nimmt und gegen Masse einspeist. Siehe Bild 15. Wie bei der einfachen Stabantenne halbieren sich auch hier die Antennenimpedanzen. Für den Betrieb dieser Antenne ist wie bei jeder Monopolantenne ein Erdnetz erforderlich. In der beschriebenen Art wird die Antenne wenig verwendet. Bild 15 Abgeschlossener gefalteter Monopol (Lit. 1) Doch dient sie als weiterer Schritt zur Entwicklung der TC2M- Antenne.

Belastete Antenne Eine Methode, die Funktion der Antenne auf den unteren Frequenzbereichen zu verbessern, besteht darin, das Strahlerelement kapazitiv oder induktiv zu belasten. Durch Hinzufügen einer bestimmten Drahtlänge wird die Antenne kapazitiv belastet. Dadurch erscheint die Antenne elektrisch länger als sie eigentlich ist. Die Verlängerung kann entlang und parallel zum Strahler verlaufen oder auch um den Strahler herum gewickelt werden. Auf Bild 16 ist eine λ/4- lange Monopol- Antenne gezeigt, die um λ/4 verlängert ist. Die Gesamtlänge beträgt nun λ/2. Wenn die Antenne ohne M05

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Verlängerung für 7MHz geeignet war, so wird sie jetzt für 3,5MHz in Resonanz sein. Die Verlängerung wird nicht geerdet. Somit haben wir nunmehr drei Methoden zur Konstruktion einer Breitbandantenne kennengelernt: kleiner Schlankheitsgrad (=dicke Reuse), Verwendung von Wanderwellen (abgeschlossener Faltmonopol) und die kapazitive Belastung (Antennenverlängerung). Mit Hilfe und Kombination dieser vorgestellten Methoden hat Martin Ehrenfried G8JNJ eine neue Art von Breitbanantenne konstruiert. Dies ist die von im Jahre 2014 im RadCom Magazine publizierte TC2M- Antenne. (TC2M = terminated coaxial cage Bild 16 Kapazitiv belastete Monopolanmonopole) tenne (Lit. 1)

Die TC2M- Antenne Es wurden verschiedene Methoden zum Aufbau von breitbandigen, abgeschlossenen Antennen erläutert. Jetzt sollen die verschiedenen Methoden miteinander kombiniert werden. Daraus entsteht dann ein innovatives, neues Design, das gegenüber früheren Ausführungsformen deutliche Vorteile besitzt. Die neue Antenne ist patentrechtlich geschützt. Der private Nachbau ist jedoch von G8JNJ freigestellt. M05

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Besondere Merkmale der TC2M-Antenne Durch die Vereinigung von Reusenantenne und abgeschlossener mehrelementiger Faltantenne (Monopol) entsteht eine Antenne mit großer Bandbreite und hohem Wirkungsgrad, ohne dass im gesamten Betriebsfrequenzbereich ein abstimmbares Antennenanpassgerät erforderlich ist. Durch Hinzufügen des zentralen Verlängerungsdrahtes erscheint die Antenne elektrisch länger. Die Anpassung ist ohne zeitliche Verzögerung sofort verfügbar. Dies ist z.B. bei Bakensendern von Vorteil, die häufig periodisch ihre Frequenz ändern müssen. Die Antenne zeichnet sich durch einfachen Aufbau aus. Es ist jedoch wie bei jeder Monopolantenne ein Erdnetz erforderlich. Der Abschlusswiderstand ist am unteren Endes des Mittelleiters positioniert. Dadurch ergibt sich eine geringere Leistungsaufnahme gegenüber der Anbringung direkt am 4:1- UnunÜbertrager. Durch Wahl entsprechender Abmessungen ist der Wellenwiderstand der Reuse an den Abschlusswiderstand anzupassen. Die Anpassung an die Speiseleitung erfolgt über den 4:1 Unun- Übertrager, hier lässt sich direkt die koaxiale 50Ω Antennenzuleitung anschließen. Bild 17 Vereinfachte Darstellung der So ist kein Tuner erforderlich. TC2M-Antenne (Lit. 1) Der kleine Schlankheitsgrad bewirkt eine größere natürliche Bandbreite und geringe Schwankungen des Fußpunktwiderstandes.

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Realisierung der TC2M- Antenne Bei der Wahl der Reusenabmessungen sind verschiedene Parameter gegeneinander abzuwägen, um die Funktion zu optimieren. Dazu gehören der gewünschte Frequenzbereich, die mechanische Konstruktion und die Aufstellung (Ort) der Antenne. Die exakte Konstruktion der Antenne kann beliebig an die vorhandenen Möglichkeiten und spezielle Wünsche angepasst werden. Benachbarte Objekte stören bei dieser Antenne wegen ihrer geringen Güte weniger. Sie eignet sich deshalb gut für den Aufbau in städtischer Umgebung. Länge der Reuse. Durch Wahl der geeigneten Länge kann der Wirkungsgrad im geforderten Frequenzbereich optimiert werden. Die obere Frequenzgrenze ergibt sich aus der Neigung der Abstrahlungskeule, wenn die Antennenlänge größer als 5λ/8 ist. Die untere Frequenzgrenze wird durch den hier geforderten Wirkungsgrad bestimmt. Eine 10m lange Reuse funktioniert gut im Bereich von 1,8 bis 70MHz. Wird die Länge vergrößert, so steigt zwar der Wirkungsgrad bei niedrigen Frequenzen, damit wird jedoch wieder die Funktion bei den höheren Frequenzen verschlechtert. Durchmesser der Reuse Dieser bestimmt die verwendbare Bandbreite der Antenne und den Bereich des Fußpunktwiderstandes. Mit Vergrößerung des Durchmessers steigt die Bandbreite, gleichzeitig wird der maximale Wert des Fußpunktwiderstandes verringert. Optimal ist ein Durchmesser von 0,5 bis 1m. Anzahl der Drähte Bei Verwendung einer höheren Anzahl von Drähten der Reuse kann der Reusendurchmesser reduziert werden. Dadurch vergrößert sich aber das Gewicht der Antenne und der konstruktive Aufwand steigt. Weiterhin ist auch der Wert des Wellenwiderstandes zu beachten, der durch die Drahtstärke und den Reusendurchmesser bestimmt wird. Durch Vergrößerung des Abstandes zwischen Reuse und Mittelleiter können die Verluste durch Fehlanpassung minimiert werden. Je mehr Antennendrähte man verwendet, umso mehr wirkt die Reuse wie ein Antenne aus einem dicken, einzelnen Leiter (wie ein Rohr). Wenn der Abstand der Reusendrähte untereinander jedoch zu groß wird, (>λ/4) treten bei höheren Frequenzen starke Schwankungen der Impedanz auf. Daher sollten mindestens drei ReuM05

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sendrähte verwendet werden. Optimal ist die Reuse mit fünf Drähten plus einem zentralen Mittelleiter. Hiermit lässt sich der beste Kompromiss erzielen, was den Wirkungsgrad, den Aufwand und die Materialkosten betrifft. Bei weniger als 5 Drähten wird der Abstand zwischen den einzelnen Drähten zu groß. Mehr als 5 Drähte bringen keine signifikante Verbesserung mehr. Alle Drähte werden an der Spitze miteinander verbunden, die äußeren Drähte werden über den 4:1- UnUn- Übertrager am Fußpunkt der Antenne gegen Erde gespeist. Der Mittelleiter wird am unteren Ende über den in Reihe geschalteten Abschlusswiderstand mit Erde verbunden. Höhe über Grund Großen Einfluß auf den Speisewiderstand und den Wirkungsgrad der Abstrahlung an der unteren und oberen Bandgrenze hat auch die Höhe über Grund. Abschlusswiderstand Auch dieser bestimmt maßgeblich den flachen Verlauf der SWV- Kurve im gesamten Frequenzbereich, insbesondere aber bei niedrigen Frequenzen bestimmt er den Höchstwert des SWV und die brauchbare Bandbreite (< λ/4), sowie den Wirkungsgrad, der durch die Leistungsverluste im Abschlusswiderstand verschlechtert wird.

Bild 18 Abschlusswiderstand und Induktivitäten zur Kompensation (Lit. 1) M05

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Der Abschlusswiderstand muss gute Hochfrequenzeigenschaften aufweisen. Geeignet sind z.B. hoch belastbare, induktionsarme Dickfilmwiderstände. Bei einem 100-Watt-CW/SSB- Sender muss der Widerstand für mindestens 30 W Verlustleistung ausgelegt sein. Der Widerstand ist u.U. auf einen entsprechend dimensionierten Kühlkörper zu montieren, siehe Bild 18. Eventuell ist auch eine Kompensation der parasitären Streukapazität erforderlich. (Lit. 1), (Lit.8) Unun- Übertrager Die Impedanz des Speisepunktes liegt bei 150 bis 170Ω. Mit einem Standard 4:1-(Spannungs)- Unun- Übertrager stellt sich eine gute Anpassung ein. Ein besseres Ergebnis erhält man jedoch mit einem Übertrager mit einem abweichenden Übersetzungsverhältnis wie in Bild 19 dargestellt. Dieser zeichnet sich durch durch gute Übertragungseigenschaften sowie geringe Verluste aus. Die vorgestellte Konstruktion ist für eine Belastung von bis zu 250W geeignet. Wichtig ist, dass der Wicklungsdraht gut isoliert ist (PTFE). Kerndurchmesser und Material sind kritisch. Es sollten keine anderen Ferrit- oder Eisenkerne verwendet werden als in Bild 18 angegeben.

Bild 19 Konstruktion des 170Ω:50Ω Unun- Übertragers (Lit. 1) Erdnetz Das Erdnetz sollte aus möglichst vielen, radial vom Antennenfußpunkt ausgehenden Drähten bestehen. Idealerweise sollte das Erdnetz (vor alM05

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lem bei geringeren Abmessungen) in der Nähe des Speisepunktes eine höhere Leitfähigkeit besitzen, weil in diesem Bereich die höchsten Ströme fließen. Weitere Angaben zu Ausführungsformen von Erdnetzen finden sich in (Lit. 13).

Meßergebnisse der TC2M- Antenne von G8JNJ

Bild 20 SWV der TC2M im Frequenzbereich von ca. 1...60MHz (Lit. 1) Die Messung wurde direkt am Speisepunkt vorgenommen. Bild 20 zeigt, dass das SWV nicht über 2,5 ansteigt und meistens unter 2 bleibt. Das bedeutet, dass die Antenne im gesamten Frequenzbereich ohne Tuner betrieben werden kann. Berücksichtigt man zusätzlich die Kabelverluste, so wird das SWV noch niedriger erscheinen. M05

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Bild 21 Gewinn- Differenz-Messungen (Lit. 1), Erläuterung siehe Text Alle Kurven in Bild 21 beziehen sich auf die 6-Draht-Reuse. Die rot gestrichelte Kurve ist gerechnet. Sie gilt für die Gewinndifferenz zwischen der TC2M und einer 6-Draht- Reuse bei einer Elevation von 20°. Die dicke rote Kurve beruht auf Messwerten, wobei die Gewinndifferenz zwischen der TC2M und einer 6-Draht-Reuse, die mit einem CG3000- Autotuner angepasst ist, dargestellt ist. Die schwarze Messkurve stellt die Gewinndifferenz zwischen einem einfachen 10m langen Draht mit 0,5mm Durchmesser und einer 6-Draht-Reuse dar, beide sind dabei mit einem CG3000 angepasst. Zwischen der berechneten (rot gestrichelt) und der gemessenen (dicken roten) Kurve zeigt sich eine gute Übereinstimmung. Aus der schwarzen Kurve geht hervor, dass die 6-Draht-Reuse bei den höheren Frequenzen bis zu 3 dB besser ist, als der einfache, aber angepasste 10m-Draht. Bei den tiefen Frequenzen ist der einfache Draht besser, die Länge der 6Draht-Reuse ist hier zu gering. Abgesehen von den tiefen Frequenzen ist auch die TC2M bis zu 2 dB besser als der einfache, angepasste 10m-Draht. (Anm.: die dicke rote Kurve liegt über der schwarzen) Zu Bild 22: Der Abschlusswiderstand an sich ist induktionsarm. Durch die Montage auf einem Kühlkörper (siehe Bild 18) kommen jedoch starke M05

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kapazitive Anteile dazu, die zu einem starken Anstieg des SWV führen können (un- compensated SWR). Durch Kompensation mit einer passend gewählten Induktivität kann das SWV stark verringert werden (Compensated SWR).

Bild 22 Charakteristik des Abschlusswiderstandes, mit und ohne Kompensation (Lit. 1)

TC2M- Antenne von DF4EU Mit den Vorgaben lassen sich verschiedene Antennenformen realisieren. Im Beispiel von DF4EU wird als tragendes Element die untere Hälfte eines 18m hohen GFK- Mastes verwendet. An diesem wird der Mittelleiter direkt von der Spitze nach unten geführt. Fünf Drähte werden mit entsprechenden Spreizern und Haltern im Abstand vom Mittelleiter gehalten. Für diese eignet sich beliebiges dielektrisches Kunststoffmaterial. Zur Verringerung unerwünschter Endkapazitäten sind die 5 Leiter unter einem Winkel von ca. 60° zusammengeführt. (Lit .6) Die Drähte werden im Abstand von ca. 35cm vom Mittelleiter geführt. Die gesamte Antennenlänge inklusive der Spitzen ist 8m, also etwas geringer, als der optimale M05

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Wert. Zur Befestigung am GFK- Mast wurden gummigepolsterte Schlauchschellen mit entsprechendem Durchmesser verwendet. 4:1-Unun- Übertrager und Abschlusswiderstand sind in einem Installationskästchen untergebracht. Der induktionsarme Dickfilm- Widerstand ist auf einen großzügig bemessenen Kühlkörper montiert. Die bei der Montage resultierende Streukapazität des Widerstandes ist evtl. durch vorgeschaltete Induktivitäten zu kompensieren, was sich hier aber nicht als erforderlich herausstellte. Die weiteren Bilder (Bild 23) zeigen das ausgeführte Konstruktionsbeispiel, das in weiten Grenzen je nach Möglichkeit und vorhandenen Komponenten variiert werden kann. Gesamtansicht der Antennen: siehe Titelbild von Seite 1.

Halterung mit Spreizern

Spreizer mit Antennendraht

Halterung mit Spreizern am GFK-Mast

Anschlusskasten

Bild23 Details zur TC2M von DF4EU M05

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Literaturverzeichnis 1 Martin Ehrenfried G8JNJ: A new design of broadband HF vertikal antenna, RadCom June 2014, Vol. 90, No.5 – Radio Society of Great Britian http://www.tc2m.info/TC2M%20HF%20Vertical%20G8JNJ.pdf, dto. No.6 2 Ulrich Gerlach DF4EU: Antenne als Schnittstelle zwischen Sender, Strecke und Empfänger - http://issuu.com/radio-m05/docs/die_antenne_schnittstelle_zur_ionosph_re 3 HFT-Praktikum I Lineare Antennen, TU Berlin: https://www.hft.tuberlin.de/fileadmin/fg154/HFT/Labor/LinearAntenne.pdf 4 Reg Edwards G4FGQ: Cage dipole calculator, http://home.centurytel.net/badgerlake/hamradio/calcs/dipcage1.exe 5 40 Meter Cage Dipole at W4NFR: http://www.moneysmith.com/W4NFR/40MCAGE/40mcageantenna.html 6 Eine Breitband-Reusenantenne von 3 bis 30MHz für mobile Dienste: http://www.dokk21.de/media/kunena/attachments/199/stories_reusena nt.pdf 7 Gerd Janssen: Kurze Antennen S.174, Francksche Verlagshandlung Stuttgart 1986 8 Amateurfunk-wiki T2FD: http://www.amateurfunkwiki.de/index.php/T2FD 9 KE6JON: http://qrz.com/db/KE6JON/?mlab 10 http://www.amateurfunk-wiki.de/index.php/T2FD 11 http://funkperlen.blogspot.de/2015/02/funkperlen-reloaded-einewunderantenne.html 12 Martin Ehrenfried G8JNJ: http://www.g8jnj.net/cometcha250b.htm M05

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TC2M Reusenantenne  

A new cage antenna for HF is described. This article includes a review of antenna impedance theory and other material on broadband HF vertic...

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