Amateurfunk DL1JWD

Impedanztransformation und Zusatzverluste in Antennenkabeln

Meinen Kabelrechner benutze ich nicht nur als "Allzweckwaffe" wenn es um Ein- und Ausgangs­impedanzen und um Verluste in Speiseleitungen geht, sondern er erleichtert mir bereits im Vorfeld eine Entscheidung darüber, ob trotz eines idealen senderseitigen SWV=1,0 und eines sehr verlustarmen Kopplers eine bestimmte Antenne überhaupt sinnvoll betrieben werden kann.

Beispiel 1

Eine „kurze“ 2x6,5m Doppelzepp wird auf dem 80m-Band über eine 10m lange Hühner­leiter (Zw=600Ω; VF=0,95) mittels eines symmetrischen Antennen­kopplers an den unsymmetrischen 50Ω-Ausgang der PA angepasst.
Die Grund­dämpfung einer guten Hühnerleiter beträgt ca. 0,17dB/100m bezogen auf 10MHz.
Mit einem VNA wird (natürlich bei abgetrenntem Koppler!) die Eingangsimpedanz des Feeders für 3,65MHz gemessen: ZE(Ohm) = 1,4 -j306.

Welchen maximalen Wirkungsgrad kann ich, unabhängig vom Koppler, mit dieser Antennenanlage überhaupt erreichen?

Beispiel 1

Wir beginnen mit der Eingabe von Frequenz und Kabeldaten. Es ist egal, ob wir die Kabel­dämpfung für 10MHz (diese Angabe findet sich i.d.R. im Herstellerkatalog) oder direkt für 3,65MHz eingeben, das jeweils andere Feld wird automatisch angepasst (die Kabel­dämpfung ändert sich etwa proportional zur Wurzel der Frequenz).
Nun brauchen wir nur noch die Eingangsimpedanz des Feeders in die gelben Felder einzutragen und auf den "=>"-Button zu klicken:

Beispiel 2

Rechts sehen wir nun die Werte für die Fußpunktimpedanz der Antenne.
Damit hat uns der Kabelrechner ganz nebenbei auch die Mühen einer kaum realisierbaren Messung in luftiger Höhe, direkt am Einspeisepunkt des Dipols, erspart.
Falls wir eine solche Messung dennoch vornehmen wollen (z.B. mit einem miniVNApro über Bluetooth) oder wir haben den Dipol simuliert (z.B. mit EZNEC), so bietet sich der umgekehrte Weg an: wir tragen die gemessene Fußpunktimpedanz rechts ein und transformieren diese mittels "<="-Button in die Eingangs­impedanz des Feeders.

Die Ergebnisse der Analyse sind sofort in der unteren Fensterhälfte ablesbar: Der relativ geringe Ausschlag des grünen Balkens bedeutet, dass nur ca. 38% der max. verfügbaren PA-Leistung im Strahlungswiderstand der Antenne (RA) umgesetzt werden können.
Diese 38% sind aber ein theoretischer Grenzwert, den wir nur mit einem idealen, völlig verlustfreien Antennenkoppler bei einem senderseitigen SWV = 1,0 erreichen würden.
Da es solch traumhafte Koppler natürlich in der Praxis nicht gibt, wird die reale Transmission (hier gleichbe­deutend mit dem Wirkungsgrad) mehr oder weniger unterhalb dieses Wertes liegen.

Es scheint paradox, dass der überwiegende Teil der Sendeleistung in der hochwertigen und relativ kurzen Hühnerleiter hängenbleibt, obwohl diese lt. Datenblatt eine praktisch vernachlässigbare Dämpfung von nur 0,01dB hat!
Die Herstellerangaben beziehen sich aber immer nur auf die Dämpfung eines stehwellenfreien, d.h. beidseitig mit dem Wellenwiderstand abgeschlossenen, Kabels!

Ursache der hohen Verluste ist die extreme SWV-bedingte Zusatzdämpfung der Hühnerleiter von satten 4,21dB.
Eine Ernüchterung für alle SWV-Gläubigen, die bislang immer der Überzeugung waren, mit einer "Wunderantenne" zu arbeiten und in dieser Auffassung auch noch durch angebliche Super-Rapporte bestätigt wurden.

Last but not least:
Gewissermaßen als "Zugabe" ermittelt der Kabelrechner auch noch das antennenseitige SWV sowie die Spannungen am Ein- und Ausgang des Feeders, für letzteres muss natürlich vorher noch die PA-Leistung (oben links) eingegeben werden.
Bei einer 100Watt-PA liegen am Antennenfußpunkt gefährliche 4,7kV an - hätten Sie das für möglich gehalten?

Beispiel 2

Wir ersetzen im Vorgängerbeispiel die 10m-Hühnerleiter durch 8m verseilte Installationslitze und erhalten damit eine sogenannte Twisted Hille, wie sie als "leichte Multiband-Antenne" für den Portablebetrieb sogar kommerziell vertrieben wird.
Die Daten der verseilten Installationslitze habe ich wie folgt gemessen:
Zw = 100Ohm; VF = 0,68;
Kabeldämpfung a = 9dB/100m bei 10MHz

Welche Transmission (bzw. welchen Antennenwirkungsgrad) kann ich mit einer "Twisted Hille" auf den klassischen Amateurfunkbändern überhaupt erreichen?

Der Kabelrechner liefert schockierende Ergebnisse:
Band(MHz) RA(Ohm) jXA(Ohm) Transmission(%)
3,65		5	-1978	0,2 
7,1		21,5	-725	4,37 
14,1		143	391	38,13 
21,1		2605	1715	14,82 
28,5		218,3	-955	11,14 

Nur auf dem 20m-Band erreicht die Transmission (bzw. der Wirkungsgrad) einen gerade noch tolerierbaren Wert von 38,13%, auf den übrigen Bändern bleibt der überwiegende Teil der Sendeleistung im minderwertigen Zuleitungskabel hängen.

Fazit:
Die "Twisted Hille" ist ein höchst fragwürdiges Gebilde, auch wenn sie sich mit SWV=1,0 an den Sendeausgang anpassen lässt!