Sichere Stromversorgung mobiler KW-Stationen

Praktische Aspekte des Mobilbetriebs

Kurzwellenantennen ohne Matchbox abstimmen

Häufig sind Kurzwellenantennen zu schmalbandig, als dass man einen Transistorsender auf dem ganzen Amateurfunkband ohne Einschränkungen nutzen könnte. Ganz besonders gilt das für Mobilantennen. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht, den Resonanzpunkt einer solche Antenne über ein Amateurfunkband hinweg zu verschieben, ohne dass es einer herkömmlichen Matchbox bedarf – auch bei einem SWR von 5:1. Bei meinem 1,8 m langen Monobandstrahler für 20 m erwies sich diese Lösung als sehr elegant. Für 40m suche ich gerade eine Alternative zu einer 17 m langen Kabelrolle im Kofferraum. Die wichtigste Voraussetzung für den hier beschriebenen Weg: Irgendwo im Nutzbereich muss das SWR möglichst nahe an 1:1 sein.

Will man auch während der Fahrt funken, können Mobilantennen für 14 MHz oder niedriger kaum länger als ¹/₅ der Wellenlänge sein. Solche Antennen haben Fußpunktimpedanzen, die in der Regel sehr niederohmig und auf jeden Fall stark frequnezabhängig sind. Das Anpassglied muss deshalb nach herkömmlicher Lehre so nah wie möglich am Antennenfuß sein. Im fahrenden Betrieb gab es bislang kaum Alternativen zu einer automatischen Matchbox, die sowohl die Anpassung an das 50-Ω-Koaxkabel übernimmt als auch die Abstimmung der Antenne auf die Arbeitsfrequenz. Im Prinzip lässt sich dieses Problem heute mit käuflichen Komponenten lösen. Allerdings stößt man schnell auf mechanische Probleme:

• Die gesetzlichen Bestimmungen schreiben vor, dass der Antennenfuß vollständig innerhalb der Fahrzeugumrisse sein muss. Das schränkt die Montageorte stark ein - auf den Kofferraumdeckel (sofern man einen hat) oder das Dach. Mit einer Antenne auf der Anhängerkupplung darf man, streng genommen, noch nicht mal auf einem öffentlichen Parkplatz stehen.
• Eine Matchbox ist zu groß, als dass man sie unter dem Autodach installieren könnte. Unter dem Kofferraumdeckel kostet sie deutlich Laderaum.
• Die bislang einzige Alternative sind Antennen mit PL-Fuß, wie sie viele Hersteller anbieten. Diese Antennen enthalten bereits ein Anpassglied, bestehend aus einer Längsinduktivität in Form einer noch größeren Verlängerungsspule und einem Querkondensator im PL-Stecker. Die Matchbox ersparen diese Antennen aber nur, wenn man sich mit einem Teil des jeweiligen Bandes zufrieden gibt:

Will man das ganze Band nutzen, stoßen übliche Matchboxen recht schnell an ihre Grenzen: Das SWR an den Bandgrenzen übersteigt schnell 3:1. Das nebenstehende Beispiel stammt von der PL-Fuß-Antenne Maldol HFC-20L. Computerisierte Messgeräte wie die bekannte MiniVNA-Serie können aber nicht nur herkömmliche SWR-Verläufe wie diesen darstellen. Als ausgesprochen hilfreich erweist sich die Darstellung als Smithchart. Anders als beim herkömmlichen SWR-Verlauf sieht man da nicht nur, wie weit die Anpassung vom Sollwert entfernt ist, sondern auch in welche Richtung: Wie groß ist der Realteil der Impedanz und ist die Blindkomponente kapazitiv oder induktiv. Dabei handelt es sich immer um eine Serienschaltung der beiden Komponenten. Ein Smith-Chart muss man so lesen - Details siehe Wikipedia:

• Smithcharts werden normiert, d.h. der Mittelpunkt des Kreises ist mit "1" beschriftet und das bedeutet in diesem Fall 50 Ω. "2" bedeutet entsprechend 100 Ω. Siehe die Angabe "Ref" links unten.
• Der Realteil wird nichtlinear auf der horizontalen Achse aufgetragen.
• Auf den Kreisen ist der Realteil der Impedanz jeweils konstant. Der Kreis durch Mittelpunkt und rechten Rand gibt also alle Punkte an, an denen der Realteil der Impedanz 1 bzw. 50 Ω ist.
• Die Zahlen am Außenrand des Smithcharts geben den Imaginärteil der Impedanz an. Die davon ausgehenden Kreisbögen sind die Orte mit gleicher Imaginärkomponente der Impedanz. Oberhalb der reellen Achse ist die Blindkomponente induktiv, unterhalb kapazitiv.
• Die Impedanzkurve geht von der minimalen zur maximalen Messfrequenz, in diesem Fall von 14,00 (links) bis 14,35 MHz (unten). Für den markieren Punkt (Schnittpunkt Ortskurve und Radius, Erklärung folgt später) sind die Werte rechts oben im Diagramm angegeben.
• Der markierte Punkt auf der Impedanzkurve ist der mit dem niedrigsten SWR, also der mit dem geringsten Abstand vom Mittelpunkt. Den habe ich aber willkürlich so gewählt.

Das Smithchart hat eine sehr schöne Eigenschaft: Man kann den Impedanzverlauf bei anderen Kabellängen sehr leicht bestimmen: Es passiert nicht mehr, als dass die Kurve gedreht wird – bei kürzerem Kabel im Gegen-Uhrzeigersinn, bei längerem im Uhrzeigersinn.

Dreht man die Kurve so weit, dass sie sich möglichst gut mit einem der Kreise für konstanten Realteil deckt, bleibt der Realteil der Impedanz praktisch konstant. Das untere Smithchart wurde also mit einem kürzeren Kabel gemessen.

Wenn man einen weiteren Blindwiderstand in Serie einfügt, ändert sich am Verlauf nichts Grundsätzliches. Er ändert nur die Blindkomponente entsprechend. Ein 220-pF-Kondensator hat bei 14 MHz rund 50 Ω Impedanz. Das verschiebt die Kurve, wie im nächsten Smithchart gezeigt, nach unten. Anders ausgedrückt: Das SWR-Minimum lässt sich allein mit einem Serienkondensator zu höheren Frequenzen verschieben. Bei Bedarf verschiebt eine Längsinduktivität das SWR-Minumum zu niedrigeren Frequenzen.

Die hier beschriebene Transformation funktioniert nur mit einer ganz bestimmten Kabellänge zwischen Antenne und Serien-Kondensator (bzw. Induktivität). Die lässt sich leicht mit dem Smithchart bestimmen:

• Im SWR-Diagramm die Frequenz für das kleinste SWR bestimmen. Das entspricht im Smithchart dem Kurvenpunkt, der dem Mittelpunkt am nächsten liegt.
• Im Smithchart einen Radius einzeichnen, der durch den eben gefundenen Punkt geht – siehe oberstes Smithchart.
• Am Rand des Smithcharts den Winkel gegen die reale Achse links bestimmen.
• Das Antennenkabel diesem Winkel entsprechend verlängern oder verkürzen.

Aus dem Winkel berechnet man die Kabellänge so:

• 360° entsprechen einer Wellenlänge. Beispiel 14,1 MHz: 300.000 km/s / 14.1 MHz = 21,28 m.
• RG58/U hat einen Verkürzungsfaktor von 0,67, das reduziert die Wellenlänge im Kabel auf 14,26 m.
• 1° entspricht also rund 4 cm Kabellänge.

Bei der Beispielantenne ergab sich die benötigte Länge zu gut 2 m. Das dürfte in den meisten Fällen nicht bis zum Transceiver reichen. Das ist aber kein Problem: Hinter dem Serien-Kondensator kann man problemlos ein weiteres, beliebig langes, Kabel schalten.

In [1] schlug ich für das Anpassglied zwei Festkondensatoren mit 50 und 100 Ω Impedanz vor, die zwei Relais alternativ in den Innenleiter des Koaxkabels einschleiften. Mittlerweile bevorzuge ich zwei Kondensatoren mit 50 Ω Impedanz, von denen einer oder beide eingeschleift werden. Der Hintergrund ist die Spannungsbelastung: Bei 100 W Sendeleistung und etwas Fehlanpassung fließen schnell 2-3 A durch die Kondensatoren. Bei 50 Ω Impedanz erreicht die Spannung über den Kondensatoren schnell 200 V und mehr Spitzenspannung. Bei 100 Ω Impedanz erreicht die Spannung an Kondensator und Relais schnell Werte, die relativ schwer beherrschbar sind.

Sobald ich leidlich ansehbare Anpassglieder nach diesem Konzept gebaut habe, veröffentliche ich hier auch Bilder. Davor möchte ich aber das Problem lösen, wie ich eine 40m-Mobilantenne ohne 17 m Koaxialkabel abstimmen kann.

Literatur

Obert, Alexander, von (DL4NO): Alternative Anpassmethoden für Kurzwellen-Mobillantennen

In: Funkamateur" 1/2013, S. 62f.
In dem Artikel lasse ich mich auch über Impedanztransformation mit Strombaluns aus. Dieses Thema findet sich anderweitig in dieser Website.