Amateurfunk DL1JWD

Groundplane-Rechner

Auf den niederen AFU-Bändern ist es oft unmöglich, eine Lambda/4 -GP in voller Höhe zu errichten, sodass der Strahler durch Einfügen einer Induktivität elektrisch verlängert werden muss.
Das Tool berechnet die Verlängerunginduktivität in Abhängigkeit von deren Position, sowie den komplexen Eingangswiderstand der Antenne und den Gesamtwirkungs-grad unter Berücksichtigung der Spulen- und Erdverluste. Optional wird das zur Anpassung an ein 50Ohm-Speisekabel erforderliche LC-Glied berechnet.

 

Beispiel 1:  Kurze Groundplane ohne Verlängerungsspule

Du möchtest für das 40m-Band (7,1MHz) eine GP errichten, hast dafür allerdings nur einen 6m langen GFK-Mast zur Verfügung (ein λ/4-Strahler müsste aber 10,4m lang sein).
Der Durchmesser des Antennendrahtes beträgt 2mm und den Verlustwiderstand des Erdungssystems veranschlagst Du mit 20Ohm (dafür brauchst Du schon einige gut vergrabene Radials!).

Gesucht sind die Werte von L und C des 50Ohm-Anpassglieds  sowie der Gesamtwirkungsgrad der Antenne.

• Trage Frequenz, Antennenlänge und Erdwiderstand ein und wähle den Modus "Nichtresonant".
Gib für die Induktivität der Verlängerungsspule den Wert 0 ein.

• Klicke auf "Start" und Du siehst, dass die Fußpunkt-impedanz ca. 30Ohm -j400Ohm beträgt:

Hinweis:
Wenn Du später die Antenne praktisch aufbaust, kannst Du (z.B. mit Deinem NanoVNA) die Fußpunktimpedanz nachmessen und mit dem berechneten Wert vergleichen.
Bei größeren Abweichungen müsstest Du den Erdverlust-widerstand entsprechend korrigieren.

• Setze ein Häkchen bei "Anpassglied" und Du siehst, dass sich mit Ls=9,46µH (in Serie zum Antennenfusspunkt) und Cp=320pF (parallel zur 50Ohm-Einspeisung) ein SWV von 1,0 erzielen lässt.

• Der Gesamtwirkungsgrad dieses Antennensystems erreicht trotzdem nur magere 26,88%, weil der Strahlungswiderstand (8,9Ohm) deutlich geringer als der Erdverlustwiderstand (20Ohm) ist.

• Eine Verlustanalyse mit dem Kleinen Netzwerkanalysator zeigt wo die Leistung verlorengegangen ist:



Beispiel 2:  Kurze Groundplane mit Verlängerungsspule

Welche Verbesserung des Wirkungsgrads bringt eine Verlängerungsspule, mit der ich den Strahler auf Resonanz bringe?

• Gib für den "Abstand zum Speisepunkt" zunächst den
Wert 0 ein und wechsle den Modus zu "Resonant".

• Du siehst, dass direkt im Fußpunkt eine 8,9µH Spule einzufügen ist, um die Antenne elektrisch so zu verlängern, dass Resonanz herrscht.
Zu Deiner Enttäuschung wirst Du aber feststellen, dass jetzt zwar auf ein Anpassglied verzichtet werden kann, der Wirkungsgrad aber auf seinem alten Wert von ca. 27% verharrt.

• Wenn Du aber die Verlängerungsspule schrittweise nach oben verschiebst (b > 0), wirst Du feststellen, dass die für Resonanz erforderliche Induktivität deutlich ansteigt,  Strahlungswiderstand und Wirkungsgrad der Antenne aber auch.

• Der maximale Wirkungsgrad von fast 40% wird mit einer 29µH-Spule erreicht, die 4m vom Speisepunkt entfernt ist:

Durch "Herumspielen" mit den Antennen-Parametern lassen sich weitere Erkenntnisse gewinnen:

• Ein kleiner Schlankheitsgrad (gedrungene Antenne = dickerer Antennendraht) ist zu bevorzugen, denn das führt zu einem kleineren mittleren Wellenwiderstand des Strahlers und einem geringeren kapazitiven Blindwiderstand, zu dessen Kompensation man eine kleinere Verlängerungs-spule benötigen würde. Deren geringerer Verlustwiderstand führt letztendlich zu einem besseren Wirkungsgrad.

• Ein Wegrücken der Spule vom Speisepunkt bewirkt eine günstigere Stromverteilung (anstatt der dreieckförmigen) und verbessert die DX-Abstrahlung, was sich z.B. mit einer EZNEC-Simulation nachweisen lässt.
Der gleichzeitig ansteigende Strahlungswiderstand wirkt sich ebenfalls günstig auf den Wirkungsgrad aus!

• Ein Wegrücken der Spule vom Speisepunkt erhöht aber auch deren Verluste, da aufgrund des absinkenden Stromflusses die Induktivität vergrößert werden muss um Resonanz herzustellen.

• Beide vorgenannten Punkte beeinflussen den Wirkungs-grad gegenläufig. Dessen (ziemlich flaches) Maximum befindet sich im Bereich von etwa einem bis drei Viertel der Antennenlänge (0,25 < b/h < 0,75).

• Im Interesse einer besseren DX-Abstrahlung (Lage des Strombauchs!) nimmt man aber oft auch eine moderate Verschlechterung des Wirkungsgrads und mechanische Probleme in Kauf und positioniert die Spule möglichst weit oben.

• Die Erdverluste können den Wirkungsgrad einer ansonsten gut dimensionierten GP total verschlechtern!
In der Praxis bewegen sich die Erdverluste zwischen 10 und 25Ohm.
Eine Berechnung des Wirkungsgrads ohne Einbeziehung der Erdverluste ist fernab der Realität und reine Augenwischerei!

• Generell sind Erdverluste an der Abweichung des Wirkwiderstandes vom errechneten Wert nach oben zu erkennen. Die Differenz ist der Verlustwiderstand durch Erdströme (plus Leiterwiderstand und Übergangswider-stände in der Einspeisung).

Hinweise: 

 

Literatur

 

[1] G. Janzen, DF6SJ: "Kurze Antennen", Franckh'sche Verlagshandlung W.Keller & Co., Stuttgart 1986
 

[2] K. Kark:"Antennen und Strahlungsfelder",
Vieweg Verlag 2004