Vor- und Nachteile endgespeister Antennen

 

Bild: Antenne des ehemaligen Mittelwellensenders Sottens

Endgespeisten Antennen (End Fed) sind bei Funkamateuren populär. Ihre Installation ist leicht: Sofern der Shack in einer oberen Etage liegt, kann ein Draht direkt vom Fenster zu einem Baum oder einem Mast gespannt werden. Aber auch eine Abspannung vom Shack-Fenster zu einem isolierten Punkt in Erdnähe (als so genannte „Sloper“) ist eine Möglichkeit.

Befindet sich der Shack bzw. der Speisepunkt in Erdnähe, können andere Aufbauformen in Frage kommen: Inverted V, wenn nur ein Stützpunkt vorhanden ist. Inverted L oder am unteren Ende gespeiste Sloper. Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt. Sogar ein vertikaler Draht, als so genannte Ground Plane Antenne, ist nichts anderes als eine endgespeiste Antenne. Zum Beispiel in Form eines, an einen Fibermast geklebten Draht.

Nur der gute alte Dipol ist keine Endgespeiste Antenne. Ebenso wenig die Magnetloop-Antenne.

Fazit: Jeder Draht einseitig an seinem Ende gespeist, ist eine Endgespeiste Antenne.

Und da wir nun mal den Gegenstand unserer Betrachtung definiert haben, ist der Moment gekommen, einige hartnäckige Legenden über Bord zu werfen. Die erste ist die des unnötigen Gegengewichts:

Jede Endgespeiste Antenne, wirklich ohne jegliche Ausnahme, benötigt ein Gegengewicht. Vergisst der Konstrukteur ein solches, so sucht sich die hochfrequente Welle, die abgestrahlt werden will, selbst ein solches Gegengewicht. Sei es in Form des Koaxialkabels, bzw. dessen Abschirmung, oder – in extremis – den Operateur selbst. Letzteres ist z.B. bei einem Handsprechgerät der Fall. Dessen Leiterplatte und Gehäuse nur ein mickriges Gegengewicht darzustellen vermögen.

Die zweite Funker Legende ist die Fabel der Resonanz:

Eine Endgespeiste Antenne darf, aber muss nicht resonant sein. Wobei eine allfällige Resonanz in keiner Weise als Ausrede für ein fehlendes Gegengewicht gilt. Im Prinzip ist jede Endgespeiste Antenne eine Allbandantenne. Gleich wie kurz oder wie lang sie ist. Ob sie nun einen Meter oder hundert lang ist, die Endgespeiste Antenne kann auf allen Frequenzen als Strahler benützt werden. Das ist lediglich eine Frage der Anpassung. Wenn es gelingt, den Sender, bzw. das Speisekabel, an die Impedanz der Antenne anzupassen, bleibt dieser gar nichts anderes übrig, als Hochfrequenz in Form elektromagnetischer Wellen abzustrahlen.

Wieviel dann wirklich in den Äther gelangt ist eine andere Geschichte. Verluste im Antennenstrahler und in der Anpassung fordern ihren Tribut und der Strahlungswiderstand der Antenne sorgt für ausgleichende Gerechtigkeit. Wunder gibt es keine. Hier ein Beispiel wie auch sehr kurze Strahler gut strahlen können.

Die dritte Legende ist die vom Balun, der eigentlich kein Balun, sondern ein UNUN ist, und der bei der Endgespeisten Antenne mit Verhältnis von 1:49 empfohlen wird. Dieser krumme Wert ist übrigens konstruktionsbedingt. 1:49 bewirkt nichts anderes, als eine Transformation von der 50 Ohm Impedanz des Koaxialkabels auf 2450 Ohm.

Dieses Teil ist nicht zwingend notwendig, und es ist nur zweckmäßig, wenn die an ihrem Ende gespeiste Antenne eine halbe Wellenlänge oder ein Mehrfaches einer halben Wellenlänge lang ist. Nur dann liegt ihre Impedanz am Speisepunkt im Bereich von einigen Kiloohm, sodass der 1:49 UNUN eine Anpassung vornehmen kann.

Ein Draht von 40m Länge hat für 80m eine halbe Wellenlänge, für 40m zwei Halbwellen, für 20m vier Halbwellen und für 10m acht Halbwellen. Für das 80, 40, 20 und 10m Band kann der 1:49 UNUN deshalb eine Anpassung darstellen. Jedoch nicht für die anderen Bänder dazwischen und schon gar nicht für das 160m Band. Für dieses müsste der endgespeiste Halbwellenstrahler nämlich ganze 80m lang sein. Die Impedanz eines 40m langen Strahlers liegt für 160m im Bereich von einigen 10 Ohm und würde über einen UNUN 1:49 gespeist eine totale Fehlanpassung darstellen. Mit entsprechenden Verlusten in dem zweckentfremdeten UNUN und Rauchzeichen anstelle von Funksignalen als Resultat.

Natürlich gibt es auch hier ein paar Tricks, um den UNUN vor Feuer und Rauch zu retten. Einige Hersteller, bzw. Konstrukteure verlängern zum Beispiel den zu kurzen Draht mit einer Spule auf eine halbe Wellenlänge und liefern so dem 49er UNUN die notwendige Kilo-Ohm Impedanz. Mit weiteren Spulen und Kondensatoren am richtigen Ort kann der endgespeiste Draht noch auf weiteren Bändern in den Kiloohm Bereich befördert und so dem UNUN schmackhaft gemacht werden.

Ob das sinnvoll ist, bleibe dahingestellt. Man könnte nämlich einfach einen Draht von beliebiger Länge nehmen und ihn zum Beispiel mit einem automatischen Tuner anpassen. Viele Funkamateure machen genau das. Sie fahren damit oft besser als mit dem 1:49 UNUN. Denn die Impedanz des Halbwellenstrahler beträgt meist nicht genau 2450 Ohm sondern gondelt irgendwo zwischen 1 und 4 Kiloohm herum, je nach Höhe, Form und Umgebung des endgespeisten Drahtes. Darum wird der 1:49 UNUN häufig nicht eine perfekte Anpassung herstellen. Doch in den meisten Fällen wird der eingebaute Tuner im Transceiver nachhelfen können und ein akzeptables Stehwellenverhältnis herstellen.

Natürlich wird auch der OM mit dem automatischen Tuner feststellen, dass eine Anpassung seiner speziellen Drahtlänge nicht auf allen gewünschten Bändern möglich ist. Der Anpassungsbereich dieser Tuner ist begrenzt und die Verluste sind, je nach anzupassender Impedanz mal kleiner oder höher. Wichtig ist aber in jedem Fall, dass sowohl UNUN wie auch Tuner an den Speisepunkt (Anfang des Antennendrahtes) gehören. Dazwischen gehört kein Koaxialkabel. Es würde nur zusätzliche Verluste verursachen.

Doch verlassen wir dieses Thema, auch wenn es dazu sicher noch viel zu sagen und zu ergänzen gäbe, und kommen wir zu einem wichtigen Punkt. Nämlich zu den Nachteilen der Endgespeisten Antenne:

Dass die Endgespeiste Antenne je nach Länge und Art des Aufbaus unterschiedliche Richtdiagramme in den verschiedenen Bändern aufweist, ist wohl den meisten klar. Dem interessierten Konstrukteur stehen verschiedene Mittel der Antennensimulation zur Verfügung um seine Antenne auf dem Computer zu probieren und sich ein Bild über deren Richtdiagramme in Azimut und Elevation ein Bild zu machen (z.B. MMANA-GAL, EZNEC). Ein Instrument über das frühere Generationen von Funkamateuren nicht verfügt haben. Ihnen blieb nichts anderes übrig als die Beobachtung im Funkverkehr.

Aber auch heute bleibt dem Erbauer einer Antenne noch ein Bereich übrig, in dem eine Simulation nicht helfen kann. Und das betrifft die Endgespeiste Antenne stärker als den Dipol oder die magnetische Loopantenne: die Störanfälligkeit durch elektrische Störungen aus der Umgebung, die sich im Empfänger als Rauschen manifestieren.

Endgespeiste Antennen sind störanfälliger als Dipole oder Magnetloops. Sie bringen oft viel mehr elektrische Störungen aus der Umgebung zum Empfänger als die beiden anderen genannten Antennentypen.

Schuld daran sind folgende Punkte:

Der unsymmetrische Aufbau: Im Gegensatz zu einem mittig gespeisten Dipol, der von Natur aus ausgeglichen ist (gleiche Ströme fließen in entgegengesetzte Richtungen), wird eine endgespeiste Antenne nur an einem Ende gespeist. Dies führt zu einem Ungleichgewicht, da sich der Speisepunkt nicht in der elektrischen „Mitte“ befindet.

Die Gegenpolabhängigkeit: Damit eine endgespeiste Antenne abstrahlen kann, benötigt sie einen Rückweg für den HF-Strom, der häufig durch die Abschirmung des Koaxialkabels bereitgestellt wird. Dadurch wird das Koaxialkabel Teil des Abstrahlsystems.

Damit kommen die Gleichtaktströme ins Spiel: Da die Koaxialabschirmung als Teil des Antennensystems fungiert, können HF-Ströme entlang der Außenfläche der Abschirmung fließen. Diese werden als Gleichtaktströme bezeichnet.

Gleichtaktströme verursachen die Störanfälligkeit damit, dass sie die Aufnahme von Umgebungsrauschen begünstigen: Die koaxiale Abschirmung wirkt als unbeabsichtigte Antenne und kann elektrisches Rauschen von nahe gelegenen Geräten, Stromleitungen und anderen Störquellen aufnehmen.

Wiederabstrahlung von Rauschen: Die Gleichtaktströme strahlen dieses Rauschen aber auch wieder ab, das dann von der Antenne erfasst werden kann, was zu einem erhöhten Grundrauschen im Empfänger führt.

 

Folgende Faktoren können die die Störanfälligkeit verstärken

Die Nähe zu Rauschquellen: Endgespeiste Antennen werden häufig in städtischen oder vorstädtischen Umgebungen installiert, in denen elektrisches Rauschen weit verbreitet ist.

Probleme mit der Erdung: Eine schlechte Erdung oder das Fehlen eines speziellen Gegenpols verschlimmert Gleichtaktstromprobleme.

Unzulänglichkeiten des Transformators: Ein unsachgemäß konstruierter oder nicht angepasster Transformator kann die Zuleitung nicht vom abstrahlenden Teil der Antenne isolieren, was die Anfälligkeit für Störungen erhöht.

Das führt uns zu der Frage:

Wie kann man diese Rauschprobleme entschärfen?

Mit einer Mantelwellensperre: Die Installation einer Gleichtaktdrossel (Ferritkerne oder eine Koaxialdrossel) am Speisepunkt oder/und entlang des Koaxialkabels kann unerwünschte HF-Ströme auf der Koaxialabschirmung unterdrücken. Ferrit-Ringkerne als Mantelwellensperre sind beliebt. Sie müssen aber für den Gleichtaktstrom eine möglichst hohe Impedanz darstellen um wirksam zu sein. Eisenpulverkerne sind weniger dazu geeignet. Mehrer Ringkerne nacheinander (quasi in Serie) sind besser. Ebenso mehrere Durchgänge des Koaxialkabels durch den Ringkern (Windungen).  

Mit einem dedizierten Gegengewicht: Das Hinzufügen eines Gegengewichtsdrahtes (z. B. ein Viertelwellenradialdraht für das unterste Band) kann die Rolle des Koaxialkabels als Rückweg reduzieren und Gleichtaktströme minimieren.

Mit einer guten Erdung: Eine Erdung unmittelbar am Einspeisepunkt trägt dazu bei, einen niederohmigen Rückweg zu schaffen und die Beteiligung des Koax zu verringern. Bei einer Endgespeisten Antenne die vom Shack im Obergeschoss zu einem nahegelegenen Baum oder Mast führt, wird das jedoch schwierig. Ein Leiter hinunter zu einem Erdanschluss oder gar die Benutzung der Netzerde ist keine gute Idee und muss als Teil der Antenne betrachtet werden.

Die Platzierung der Einspeisung: Halte den Einspeisepunkt und das Koaxialkabel von bekannten Störquellen wie Haushaltselektronik oder Stromleitungen fern. Je weiter, je besser.

Mit der Qualität des UNUNS: Verwende einen hochwertigen Anpassungsübertrager, der für minimale Verluste und optimale Isolierung ausgelegt ist. Der Ferritkern muss dafür geeignet sein und eine entsprechend hohe Eigenimpedanz aufweisen. Eisenpulver-Kerne sind dazu nicht geeignet.

Doch der beste Weg, Störungen zu verringern, ist der Verzicht auf eine Endgespeiste Antenne und der Einsatz eines Dipols

Wieso sind zentrumsgespeiste Dipole weniger Störempfindlich?

Bei einem mittengespeisten Dipol sorgt die symmetrische Beschaffenheit der Antenne dafür, dass sich die Ströme in den beiden Hälften aufheben, wodurch die Erzeugung von Gleichtaktströmen auf der Speiseleitung minimiert wird.

Durch diese Ausgewogenheit wird die Zuleitung als Teil des Strahlersystems isoliert, was zu einer geringeren Störanfälligkeit führt.

Magnetische Loopantennen sind noch weniger störanfällig. Sie sind in sich geschlossene Systeme, die kein Gegengewicht benötigen und hauptsächlich die magnetische Komponente der elektromagnetischen Wellen aufnehmen. Störer in der Umgebung strahlen hingegen bevorzugt die elektrische Komponente ab.