Versuche mit dem Antennenmessgerät

Bauanleitung
Versuche mit dem
Antennenmessgerät
Dieser Beitrag zeigt und kommentiert einige Anwendungen des in Heft 2/2000 für
den Selbstbau beschriebenen Antennenmessgeräts. Er ist für Funkamateure, die
nicht besonders gut mit der Theorie vertraut sind, sehr lehrreich.
Bild 1: Möglicher Verlauf von Real- und Imaginärteil des Fußpunktwiderstands eines Dipols.
Zunächst sollen einige Grundlagen der Antennenmessung ausgebreitet und dann Messungen an verschiedenen Objekten beschrieben werden.
Fusspunktwiderstand eines Dipols
Unter einem Dipol versteht man in der Regel
eine Antenne aus zwei gleichlangen Drahtstücken, die in gleicher Richtung montiert sind.
Ist jedes Drahtstück elektrisch eine Viertel
Wellenlänge lang, dann wird praktisch am
einfachsten (d. h. ohne zusätzliche Abstimmung) maximale Leistung abgestrahlt. Im
Empfangsfall liefert die Antenne praktisch
maximale Leistung an den Empfänger.
Dabei existiert ein Fußpunktwiderstand
von 73 Ohm, falls die Antenne in großer Höhe
Bild 2: Smith-Diagramm-Darstellung bei
50 cm Fußpunkthöhe und Messung über ein
Koaxialkabel.
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und unter Verwendung schlanker Leiter aufgebaut ist. Dieser Widerstand erscheint wie
ein Ohmscher Widerstand, ist also ohne Imaginäranteile. Der Unterschied zum Ohmschen
Widerstand ist seine Frequenzabhängigkeit
und die Tatsache, dass die elektrische Leistung, die er aufnimmt, nicht in Wärme-, sondern in elektromagnetische Strahlung gewandelt wird.
Erhöht oder vermindert man die Frequenz
des speisenden HF-Signals, dann treten Blindwiderstandsanteile auf. Bild 1 zeigt den Verlauf von Realteil R und Imaginärteil X eines
mittengespeisten gestreckten Dipols.
Zum Verlauf des Blindwiderstands X:
Bei niederer Frequenz ist er stark kapazitiv
und verringert sich bei der ersten Serienresonanz (λ/4) auf Null, um anschließend induk-
Bild 3: Smith-Diagramm-Darstellung bei 2 m
Fußpunkthöhe und Messung über ein Koaxialkabel.
tiv zu werden und wieder anzusteigen.
Knapp vor der Parallelresonanz bei λ/2 seinen induktiven Maximalwert zu erreichen.
Geht es nun ein kleines Stück weiter, sinkt
der Blindwiderstand sehr rasch auf Null und
gerät daraufhin in den kapazitive Bereich,
wo er ebenso rasch eine hohes Maximum erreicht.
Die Annäherung an die nächste Serienresonanz zeigt dann einen ähnlichen Verlauf
wie am Anfang.
Dieses Spiel wiederholt sich nun in regelmäßigen Abständen von λ/2. Maxima und
Minima verflachen sich jedoch mit zunehmender Frequenz, die Antenne wird breitbandiger und „zahmer“.
Zum Verlauf des Realteils: Der Realteil
ist bei 0 Hz unendlich groß, denn die Anten-
Bild 4: Smith-Diagramm-Darstellung bei 4 m
Fußpunkthöhe und Messung über ein Koaxialkabel.
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Bild 5: Versuchsaufbau der Groundplane.
Bild 6: Das Messgerät an einer Loop.
nenschenkel sind gleichspannungsmäßig
voneinander isoliert. Bei λ/4 wird der Nominalwert 73 Ohm erreicht. Hier kompensieren
sich übrigens die Imaginärteile. Bei der Parallelresonanz erreicht der Realteil ein endliches Maximum wie ein Parallelresonanzkreis. Bei der nächsten Serienresonanz 3λ/4)
wird der Wert wieder niedrig, um bei der
nächsten Parallelresonanz erneut anzusteigen. Auch hier wechseln sich in Folge der
Serien- und Parallelresonanzen Wendepunkte ab. Dieser Verlauf wird mit zunehmender
Frequenz weniger volatil, die Antenne also
breitbandiger.
Bei allen Messungen ist zu beachten, dass
der Ausschlag scharf und definiert auf ein
Minimum abfällt. Liegt der Instrumentenausschlag darüber, bedeutet dies einen kapazitiven oder induktiven Anteil. Dabei gilt immer:
kapazitiv unter der Resonanzstelle, induktiv
über der Resonanzstelle.
Und wie steht’s, wenn zwischen Messgerät
und Antenne ein Kabel liegt?
Bekannterweise transformiert eine Halbwellenleitung 1:1, man misst an ihr also Resonanzfrequenz und Fußpunktwiderstand exakt.
Allerdings besteht theoretisch die Schwierigkeit darin, dass eine Halbwellenleitung eben
nur bei einer Frequenz (oder Vielfachen davon)
eine Halbwellenleitung ist. Praktisch sind jedoch kleine Abweichungen zulässig und verfälschen nur (geringfügig) den Widerstand,
nicht aber den Resonanzpunkt (Minimum).
Auch bei deutlichen Abweichungen in der Kabellänge lässt sich ein Minimum zuverlässig als
Resonanzpunkt definieren, allerdings können
die ermittelten Widerstandswerte deutlich von
den tatsächlichen abweichen.
Ohne Einfluss ist die Kabellänge nur,
wenn auch Wellenwiderstand und Fußpunktwiderstand wie der Ausgangswiderstand des
Messgeräts 50 Ohm betragen.
So misst man an einem Dipol
Das Eigenbaugerät ist in der Lage, sowohl den
Resonanzpunkt als auch den Fußpunktwiderstand einer Antenne im Bereich 0 bis
470 Ohm, also bei Serienresonanz, zu messen. Allerdings erlaubt es keine getrennte
Aussage über Real- und Blindanteil, sondern
liefert immer den Betrag des Gesamtwiderstands, also den Scheinwiderstand. Dies ist
aber nicht weiter störend, da primär nur die
exakte Resonanzfrequenz sowie der dann reale Fußpunktwiderstand interessieren.
Die Antennenresonanz muss natürlich im
Arbeitsfrequenzbereich des Geräts von 3 bis 9
MHz liegen.
Zum Messprinzip: Die im Gerät eingebaute Differentialmessbrücke kann mit Hilfe des
einstellbaren Brückenwiderstands den niederohmigen Fußpunktwiderstand von Antennen
messen. Der bei Brückennull eingestellte Widerstandswert ist über eine Skale am Potentiometer ablesbar und entspricht dem Fußpunktwiderstand, der nur bei der Antennenresonanz völlig reell wird. Die Resonanzfrequenz kann bei der Minimumanzeige an der
Frequenzskala abgelesen werden.
Bei der Messung ist der Ausgangspegel
soweit zurückzudrehen, dass der Instrumentenausschlag noch gut beobachtet werden
kann. Fällt im Resonanzpunkt die Anzeige auf
ein Minimum, dann kann man den Pegel erhöhen, um den Resonanzpunkt exakter einzustellen.
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Diagramm-Achse entsprechend einem SWR
von 2,5 entspricht nämlich entweder 20 Ohm
oder 125 Ohm. Durch die Kabeltransformation ist der höhere Widerstandswert der richtige am Speisepunkt der Antenne.
Dies wurde auch durch eine weitere Messung im Shack mit dem Antennenmessgerät
bewiesen, das dabei auch nur 20 Ohm anzeigte.
Man lernt daraus: Selbst bei Vorliegen
eines reellen, aber von 50 Ohm abweichenden Widerstands ist die Messung am Antennenfußpunkt für eine direkte Bestimmung
wichtig.
Der gegenüber dem Freiraumwert wesentlich höhere Wert des Fußpunktwiderstands
entsteht dadurch, dass die Antenne infolge
geringer Höhe hohe Verluste gegen Erde aufweist. Der Verlustwiderstand ist also gegenüber dem Strahlungswiderstand bedeutsam.
Die Antenne ist dadurch relativ hochohmig
und breitbandig. Ein moderner Transceiver
würde seine Leistung abregeln.
Bei Verlegung des Antennenspeisepunkts
in 2 m Höhe wurden am Brückenpoti 65 Ohm
abgelesen. Bild 3 zeigt hierzu die Smith-Diagramm-Darstellung unter sonst gleichen Bedingungen. Hier also wieder der gleiche Effekt: Die Ablesung auf der reellen Achse ergibt 0,8 entsprechend einem Widerstand von
50 Ohm × 0,8 = 40 Ohm oder unter Berücksichtigung der Transformation von eben
65 Ohm. Es bestätigt sich: Die Antenne wurde infolge größerer Höhe niederohmiger und
schmalbandiger. Das SWR ist 1,25, ein Transceiver könnte praktisch volle Leistung an die
Antenne geben.
Messung an einem Dipol
Für den Anschluss der Dipoldrähte ist es sinnvoll, einen Übergang von BNC auf Banane zu
verwenden. Die Drahtlänge bei diesem Dipol
betrug 2×11,5 m.
Die abgelesene Resonanzfrequenz war
6,5 MHz, unabhängig von der Höhe.
Zunächst befand sich der Speisepunkt in
nur 50 cm Höhe. Am Brückenpoti wurden
120 Ohm abgelesen. Dies wurde mit einem
Analyzer qualitativ kontrolliert, der über ein
10 m langes 50-Ohm-Kabel angeschlossen
wurde. Bild 2 ist die Smith-Diagramm-Darstellung. Trotz des völlig anderen minimalen
Widerstandswerts stimmt das Ergebnis, denn
durch das Speisekabel kommt es zu einer im
Resonanzpunkt deutlich von 1:1 abweichenden, frequenzabhängigen Transformation.
Die Ablesung von 0,4 auf der reellen Smith-
Bild 7: Der einstellbare Abschlusswiderstand.
Bild 8: Verdrahtung am Abschlusswiderstand.
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Bild 9: Das teilweise variable RC-Glied.
derstand von theoretisch 36 Ohm addieren.
Nur bei einem gutem Erdnetz sind diese klein.
Das Antennenmessgerät hilft, die optimale Radialanzahl zu ermitteln.
Bild 6 zeigt das Messgerät an einer Magnetantenne mit Vakuum-Drehkondensator für
den Frequenzbereich von 1,6 bis 15 MHz.
Der für die Anpassung an den Transceiver
benötigte Widerstand von 50 Ohm kann sehr
schön über den Abstand der beiden Klemmen
nach Art einer Gamma-Match eingestellt werden.
Die Anzeige am Antennenmessgerät ist
infolge der hohen Güte sehr „scharf“, es muss
daher feinfühlig abgestimmt werden.
Messen an Speisekabeln und Baluns
Bild 10: Schlichtes Innenleben beim RC-Glied.
Bild 11: Induktivitätsermittlung eines
Baluns.
Beim Antennenspeisepunkt in 4 m Höhe
wurden am Brückenpoti 50 Ohm abgelesen,
Bild 4 zeigt das Smith-Diagramm. Jetzt wird
auf der reellen Achse genau 1 angezeigt, das
SWR beträgt exakt 1, eine Transformation findet nicht statt, d. h., auch an der Antenne erscheinen 50 Ohm. Die Antenne wurde geringfügig niederohmiger und nochmals schmalbandiger. Ihre Effektivität ist schon recht gut, wie
an den einfallenden Rundfunkstation im 49-mBand rechts oben ersichtlich ist.
Die Antenne wird bei weiterer Erhöhung
nicht wesentlich hochohmiger, sondern nähert
sich theoretisch exakt und praktisch etwa 73
Ohm.
An Groundplane
und Magnetantenne gemessen
Es wurde eine 11,5 m lange Groundplane aufgebaut (Bild 4).
Die Resonanzfrequenz betrug 6 MHz. Mit
einem Radial wurde diese bei 100 Ohm, mit
drei Radials bei 75 Ohm erreicht.
Hier treten im Gegensatz zum Dipol Erdwiderstände auf, die sich zum Strahlungswi30
Dazu baut man sich gemäß Bild 7 und 8 einen
einstellbaren Abschlusswiderstand, den man
einfach mit einem Schalter auf einen zweiten
Anschluss (für andere Versuche) schalten
kann.
Und nun ran an Koaxkabel und Hühnerleiter! Bestimmt wird z. B. der Wellenwiderstand. Man nehme ein 10-20 m langes Kabel
und schließe den veränderlichen Abschlusswiderstand an. Dann erfolgt wechselseitiges
Abstimmen des Brückenpotis und des Abschlusswiderstands auf Minimumanzeige
nahe oder gleich Null. Der Wellenwiderstand
entspricht dann der Anzeige am Brückenpoti.
Dabei darf sich die Minimumanzeige beim
Durchdrehen der Frequenz nicht ändern.
Und der Verkürzungsfaktor? Man nehmen
ein 6 m langes Kabelstück und schließe ein
Ende kurz und das andere an den Antenneneingang des Messgerätes. Das Brückenpoti
wird auf den Maximalwert von 470 Ohm gestellt. Nun muss man die Frequenz einstellen,
bei der die Brückenanzeige auf ein Minimum
zurückgeht.
Dies wird bei einem RG58U-Kabel durch
die Viertelwellenresonanz bei etwa 8 MHz
sein. Nun muss man die Lichtgeschwindigkeit c durch 6 m dividieren. Heraus kommt
eine Frequenz, nämlich 5 MHz, und das
wäre die Resonanzfrequenz des Kabels, falls
der Verkürzungsfaktor 1 betragen würde.
5 MHz durch 8 MHz dividiert ergibt 0,63.
Dies entspricht recht genau dem nominellen
Verkürzungsfaktor von 0,66. Analog kann
man mit anderen Kabeln und Längen umgehen.
Und nun zu Baluns. Ein Balun wird mit
seinem unsymmetrischen Anschluss an das
Gerät gelegt, der symmetrische Anschluss
kommt an den einstellbaren Widerstand. Je
nach Übersetzungsverhältnis kann nun bei
Brückenpoti-Einstellung von 50 Ohm der veränderbare Widerstand im Zusatzkästchen auf
den transformierten Wert eingestellt werden.
Die Brückenanzeige muss hier ebenfalls (fast)
exakt Null über den gesamten Frequenzbereich einhalten.
Resonanzfrequenz eines Serienkreises
Am meisten interessiert die Resonanzfrequenz. Schaltet man einem Serienschwingkreis einen geeigneten Ohmschen Widerstand
in Reihe, dann kann mit einer HF-Brücke der
minimale Gesamtwiderstand und somit die
Resonanzfrequenz gut bestimmt werden.
Wählt man den Hilfswiderstand zu 50 Ohm,
dann wird bei einer Brückenpoti-Einstellung
von ebenfalls 50 Ohm die Anzeige bei Resonanz auf ein Minimum zurückgehen, wenn
der Kreis verlustfrei ist. Praktisch optimal
scheint ein 47-Ohm-Widerstand zu sein.
Die Resonanzfrequenz muss im VCOAbstimmbereich des Antennenmessgeräts
liegen. Diese Messung liefert die gedankliche
Basis für die Bestimmung von Induktivitäten.
Induktivitätsmessung
Dazu baut man sich wieder ein Hilfsgerät,
bestehend aus einem 500-pF-Drehkondensator und einem 50-Ohm-Serienwiderstand.
Wichtig dabei ist, dass der Drehkondensator
isoliert montiert wird!
Sein möglichst großer Drehknopf erhält
eine Skala mit Kapazitätsangaben. Um diese
zu erstellen, benutzt man z. B. eines der Multimeter, mit denen man auch Kapazitäten messen kann.
Legt man nun an den Ausgang eine Induktivität von 3-200 µH (wegen des Frequenzbereichs von 3-9 MHz), kann man durch Frequenz- und/oder Kapazitätsvariation Resonanz bei Brückenminimum einstellen. Aus
Frequenz und Kapazität kann die Induktivität
mit einem Nomogramm bzw. nach der Formel L = 25.600/(C×f2) mit L in µH, C in pF
und f in MHz bestimmt werden.
Zur Messung einer Kabelinduktivität wird
das Kabel an einem Ende kurzgeschlossen.
Man sollte jedoch nicht zu lange Kabelstücken messen (ca. 5 m).
So wurden an einem 8 m langen Kabelstück 2,2 µH gemessen. Bei einem RG58C/
U-Kabel beträgt die Kapazität etwa 100 pF/
m. Man kann daher sehr schön den Wellenwiderstand ausrechnen Z = Wurzel aus (L/C),
bei unserem Beispiel ergeben sich 52 Ohm.
Dies gilt auch für die Messung von Hühnerleitern, die dabei möglichst frei hängen
sollten.
Aus Induktivität und Windungszahl einer
Spule oder eines Baluns lässt sich der ALWert ermitteln. Für Ferritmaterial gilt
AL = nH/Wdg.2. Ein Beispiel: L = 5 µH bei 5
Wdg. Es errechnet sich ein AL-Wert von 200.
Es handelt sich also aller Wahrscheinlichkeit
um das Material 61.
allerdings der Blindwiderstand, wobei man
von Impedanz spricht. Sie wird z.B. für
3,6 MHz (80 m) angegeben und nach der
Formel X = 6,3×f×L errechnet. Für einen
1:4-Balun sollte dieser Wert etwa 100 Ohm
betragen.
Ein Beispiel: L wurde mit 5 µH gemessen.
In die Formel eingesetzt, ergibt sich
6,3×3,6 MHz×5 µH = 113 Ohm. Der Balun
ist also genügend breitbandig, um mit Sicherheit bei 80 m eingesetzt werden zu können. Er
wird auch noch bei 160 m gute Ergebnisse
bringen.
Doch nun zur Anpassung von Schwingkreisen und Bandfiltern. In der Regel werden
diese Selektionsmittel in Parallelresonanz betrieben. Der dabei hochohmige Resonanzwiderstand muss normalerweise auf 50 Ohm
transformiert werden.
Das Übersetzungsverhältnis kann man errechnen. Die Überprüfung kann sehr leicht
mit dem Antennenmessgerät erfolgen, indem
der transformierte Bandfilterausgang an den
Antenneneingang angeschlossen wird. Bei
der Resonanzfrequenz erhält man wieder bei
50 Ohm Brückenpoti-Einstellung das Brückenminimum.
Sehr gut gelingt dies bei einem bewickelten und auf Resonanz abgestimmten Ferritstab, der mit einer Ankoppelwicklung für 50
Bild 12: Smith-Diagramm des Eingangswiderstands vom IC-756.
Bild 13:
Das Gerät und empfehlenswertes Zubehör.
Ohm versehen werden soll. Man zapft ihn an
oder benutzt eine Koppelwicklung, so dass
Anpassung erreicht wird.
Das Messgerät erlaubt auch sehr bequem
und präzise die Einstellung eines Antennenanpassgeräts ohne TX. Es wird einfach statt
dessen angeschlossen.
Bestimmung des EmpfängerEingangswiderstands
Bei Empfängern mit Antennenbuchse kann
man daran einfach das Messgerät anschließen
und den Eingangswiderstand mit z. B.
50 Ohm, breitbandig bestimmen.
Zum Beispiel wurde dies an einem Icom
756 durchgeführt. Das Smith-Diagramm Bild
12 dazu zeigt den Verlauf von 6-9 MHz im
Bereich des SWRs 2. Mit dem Antennen-
messgerät konnte in diesem Bereich sehr
schön die Anpassung überprüft werden.
Darüber und darunter stieg die Brückenanzeige stark an. Hier herrscht eine ausgesprochene Fehlanpassung an 50 Ohm.
Zusammenfassung
Es wurden die wichtigsten Anwendungen für
das Gerät in der Amateurpraxis angeführt.
Man erkennt daraus, dass selbst mit geringen
Mitteln brauchbare Messergebnisse in kurzer
Zeit erhalten werden können.
Bild 13 zeigt das empfehlenswerte Zubehör
für das Messgerät: ein BNC-Winkelstück, einen BNC-Doppelstecker, einen Übergang
BNC-Banane, das „RC-Kästchen“ sowie den
einstellbaren Abschlusswiderstand (von oben).
Hans Nussbaum, DJ1UGA
Messungen zur Anpassung
Natürlich lässt sich auch bei Baluns eine Induktivität messen (Bild 11). Hier interessiert
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