Eine praktische Sicht auf Magnetloop Antennen

 

Blick ins Motélon Tal mit dem Dent de Brenleire 2354m und dem Dent de Folliéran 2340m. Beide sind SOTA-Berge, nur 8km von meinem QTH entfernt.

In meinem letzten Beitrag habe ich eine neue Berechnungsweise für Magnetloop Antennen vorgestellt, die mit Hilfe der gemessenen 3dB Bandbreite der Antenne den Wirkungsgrad berechnet.

Sie erlaubt den Vergleich verschiedener Magnetloops. Und sie zeigt auf, wie sehr diese Art von Antennen von ihrer Umgebung abhängt. 

Meine Loop kommt dabei teilweise schlechter weg, als sie in meiner Funkpraxis ist. Während sie auf dem 160m etwas besser ist und auf dem 80m Band ungefähr meinen Erfahrungen entspricht, enttäuscht sie auf dem 40m und 30m Band.

Doch schlussendlich ist für den OM die Praxis entscheidend und nicht die Theorie. Oder wie man in England sagt: The proof of the pudding is in the eating.

Darum geht es heute nicht um Formeln und Messungen, sondern um praktische Dinge

Wie bei allen Antennen, hängt auch bei der Magnetloop der Erfolg von dem Ort und seiner Umgebung ab, wo sie installiert ist. Was gilt es besonders bei der Magnetloop zu beachten?

Wie alle Antennen im KW und UKW Bereich erfährt auch eine magnetische Loop-Antenne einen Bodengewinn. Wenn sich die abgestrahlte Welle mit der vom Boden reflektierten phasenrichtig ergänzen, kann in einer bestimmte Richtung (Elevation) bis zu 6dB zusätzlicher Antennengewinn entstehen. Da der Bodengewinn ein reiner Ausbreitungseffekt der abgestrahlten elektromagnetischen Welle in der Umgebung ist, gilt er grundsätzlich für jede Antennenbauform.

Die Besonderheiten bei der Magnetic Loop sind folgende:
Eine hohe Steilstrahlung bei bodennaher Montage. Wird eine vertikale magnetische Loop-Antenne nur knapp über dem Boden aufgestellt, führt die Bodenreflexion zu einer ausgeprägten Steilstrahlung (NVIS-Effekt). Diese eignet sich hervorragend für regionale Verbindungen bis etwa 500 Kilometer im Kurzwellenbereich, ist aber für Weitverbindungen (DX) ungünstig.
Wird die Loop jedoch auf eine Höhe von einer halben Wellenlänge oder mehr gebracht, entsteht durch den Bodengewinn ein flacher Abstrahlwinkel. In dieser Höhe verhält sie sich hinsichtlich des Bodenreflexionsgewinns ähnlich wie ein klassischer Dipol.
Die Bodenverluste im Nahfeld sind gering. Im Gegensatz zu herkömmlichen Drahtantennen erzeugt die Magnetic Loop in ihrem unmittelbaren Nahfeld überwiegend ein magnetisches und kaum ein elektrisches Feld. Da normaler Erdboden für Magnetfelder nahezu durchlässig ist, treten bei bodennaher Montage deutlich geringere Erdverluste (Dämpfung) auf als bei einem tief hängenden Dipol.

Der Einfluss der Polarisation:
Steht die Loop senkrecht, strahlt die Antenne in der Hauptrichtung vertikal polarisiert ab. Vertikal polarisierte Wellen werden vom Boden anders reflektiert als horizontal polarisierte Wellen, wobei insbesondere bei gut leitendem Untergrund (z. B. feuchte Wiese oder Salzwasser) sehr flache Abstrahlwinkel und ein starker Bodengewinn erzielt werden.
Liegt die Loop parallel zum Boden, strahlt sie rundum horizontal polarisiert ab. Hierbei ist der Bodengewinn besonders stark von der exakten Aufbauhöhe in Bruchteilen der Wellenlänge abhängig.

Der Einfluss des Erdbodens auf den Strahlungswiderstand einer magnetischen Loop-Antenne ist dabei sehr gering bis vernachlässigbar, sofern ein Mindestabstand von etwa ein bis zwei Loop-Durchmessern zum Boden eingehalten wird. Da eine Magnetic Loop im unmittelbaren Nahfeld fast ausschließlich ein magnetisches Feld erzeugt, koppelt sie im Gegensatz zu elektrischen Antennen (wie Dipolen) kaum kapazitiv an das Erdreich an.

Und so verhält sie sich je nach Aufbauhöhe:
Bei einer Aufbauhöhe ab ca. 1–2 Loop-Durchmessern: In dieser Höhe verändert sich der Strahlungswiderstand praktisch nicht mehr gegenüber dem Wert im freien Raum. Der Strahlungswiderstand hängt hier fast nur noch vom Verhältnis der Loop-Fläche zur Wellenlänge ab und liegt typischerweise im Bereich von wenigen Milliohm bis wenigen Ohm.
Bei extrem bodennaher Montage: Wird die Antenne unmittelbar auf oder wenige Zentimeter über dem Boden platziert, können im Erdreich Wirbelströme induziert werden. Diese verändern jedoch primär den Verlustwiderstand (Erdverluste), während der eigentliche Strahlungswiderstand weitgehend konstant bleibt.
Einfluss der Polarisation: Eine vertikal stehende Loop zeigt noch weniger Bodenkopplung als eine horizontal liegende Loop. Bei der horizontalen Lage verläuft der Ring parallel zum Boden, was bei extrem geringem Abstand eher zu einer leichten Induktivitätsänderung (Verstimmung der Resonanzfrequenz) als zu einer großen Änderung des Strahlungswiderstandes führt.

Die Bedeutung für den Wirkungsgrad ist dabei folgende:
Da der Strahlungswiderstand einer kleinen Loop konstruktionsbedingt ohnehin winzig ist (oft nur 0,05 Ω bis 0,5 Ω), bleibt er durch den Boden nahezu unbeeinflusst.
Der Wirkungsgrad bleibt stabil. Der Wirkungsgrad berechnet sich aus dem Verhältnis von Strahlungswiderstand zum Gesamtwiderstand (Strahlungswiderstand + Leiterverluste + Erdverluste). Weil die Erdverluste bei einer Magnetic Loop selbst in 1 bis 2 Metern Höhe über dem Boden sehr klein bleiben, sinkt der Wirkungsgrad bei tiefer Montage kaum ab – ein entscheidender Vorteil gegenüber tief hängenden Drahtantennen.

Fazit: Der Einfluss des Erdbodens auf den Strahlungswiderstand einer magnetischen Loop-Antenne ist sehr gering bis vernachlässigbar, sofern ein Mindestabstand von etwa ein bis zwei Loop-Durchmessern zum Boden eingehalten wird. Da eine Magnetic Loop im unmittelbaren Nahfeld fast ausschließlich ein magnetisches Feld erzeugt, koppelt sie im Gegensatz zu elektrischen Antennen (wie Dipolen) kaum kapazitiv an das Erdreich an.

Doch wie verhält sich die Magnetic Loop, wenn sie drinnen im Haus steht?

In einem Dachboden mit Holzdach und Ziegelwänden sind die reinen Materialverluste durch die Gebäudehülle bei einer magnetischen Loop überraschend gering (oft nur 1 bis 3 dB auf Kurzwelle). Entscheidend für die tatsächliche Leistung sind jedoch die versteckten metallischen Strukturen im Dachboden, sowie der Einfluss des Hauses auf den Bodengewinn und die Störumgebung.

Dämpfung durch die Baustoffe wie trockenes Holz und Tonziegel: Diese Materialien sind gute elektrische Isolatoren und magnetisch neutral. Auf Kurzwellenfrequenzen (3 bis 30 MHz) durchdringt das elektromagnetische Feld ein trockenes Ziegel- und Holzdach nahezu ungehindert (Dämpfung meist unter 0,5 bis 1,5 dB).
Feuchtigkeit erhöht die Verluste. Bei Regen oder Schnee bildet sich auf den Ziegeln ein Wasserfilm. Feuchte Ziegel und feuchtes Holz absorbieren deutlich mehr Hochfrequenzenergie, wodurch die Dämpfung kurzzeitig auf 2 bis 4 dB ansteigen kann.
Da die Loop in unmittelbarer Umgebung fast nur ein Magnetfeld erzeugt, entstehen in den nahegelegenen Holzbalken und Ziegelmauern kaum dielektrische Verluste (Erwärmung durch E-Felder), wie es bei einer Indoor-Drahtantenne der Fall wäre.

Die wahren Verlustbringer im Dachboden sind anderer Natur:

Viel kritischer als Holz und Ziegel sind leitfähige Materialien in der Nähe der Antenne, die dem Magnetfeld Energie entziehen (Wirbelstromverluste) und die Antenne verstimmen:
Alukaschierte Dampfsperren / Dämmung. Viele moderne Dachisolierungen besitzen eine Aluminiumfolie. Diese wirkt für Funkwellen wie ein metallischer Käfig (Faraday-Effekt) und kann zu massiven Verlusten von 10 bis 20 dB oder mehr führen. Das ist glücklicherweise bei mir nicht der Fall.
Doch wie steht es mit Elektroleitungen, Heizungsrohren und Regenrinnen?

Metallische Leiter in weniger als 1 bis 2 Metern Abstand koppeln induktiv an die Loop an. Sie absorbieren Sendeleistung und können das Strahlungsdiagramm stark verzerren.

Besteht der Boden aus Stahlbeton, wirkt dessen Armierung aus Eisen wie eine gut leitende Grundfläche. Das ist für den Bodengewinn (Reflexion nach oben/schräg oben) sogar vorteilhaft, solange die Loop mindestens einen Durchmesser Abstand zum Boden hat. Genau das ist bei mir der Fall, weshalb meine Loop sehr gute NVIS Eigenschaften hat.

Ein Minus ist in meinem Fall jedoch der
fehlender Freiraum-Bodengewinn. Durch die tiefere Montage innerhalb des Hauses und mögliche Abschattungen durch Nachbargebäude fällt der gewünschte flache Bodengewinn für Weitverbindungen (DX) geringer aus als bei einer freien Dachmontage.
Dazu kommt ein erhöhter Störpegel beim Empfang. Der größte Nachteil einer Dachbodenmontage liegt oft nicht im Sendeverlust, sondern im Empfang. Schaltnetzteile, LED-Lampen, PV-Wechselrichter und Router im Haus strahlen Störungen direkt in den Dachboden ab, was das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verschlechtert. Da der Dachboden in meinem Fall auch mein Shack ist, bin ich davon besonders betroffen.

Folgende Empfehlungen möchte ich zur Optimierung der Loop-Installation im Dachboden geben:
Abstand halten. Platziert die Loop möglichst mittig im Raum und haltet sie in mindestens 1,5 bis 2 Meter Abstand zu Stromkabeln, Metallrohren und einer eventuell vorhandenen alukaschierten Dämmung.
Und messt die Antenne mit der von Markus vorgeschlagenen Methode. Das heisst: beobachtet das SWR beim Abstimmen: Ein sehr schmalbandiges SWR-Minimum beim Abstimmen ist ein gutes Zeichen dafür, dass kaum Energie an umliegende Metallteile verloren geht. Wird die Bandbreite der Loop im Dachboden deutlich breiter als im Freien, absorbiert ein nahes Metallteil Sendeenergie. Korrigier ggf. die Ausrichtung der Loop.

Das Fehlen einer Alufolie als Dampfsperre ist ein großer Vorteil, sodass du bei einer zentralen Aufstellung mit einer geringen Gesamtdämpfung von nur ca. 1 bis 2 dB rechnen kannst. Die außenliegenden Kupfer-Dachrinnen stellen bei genügend Abstand kein großes Problem dar, sollten aber bei der Platzierung der Antenne im Dachboden gezielt berücksichtigt werden.

Denn auch Kupfer-Dachrinnen haben einen gewissen Einfluss:
Deren gute Leitfähigkeit reduziert Verluste. Kupfer ist ein hervorragender elektrischer Leiter. Wenn das Magnetfeld der Loop die Dachrinne erreicht, werden dort zwar Ströme induziert, aber wegen des geringen elektrischen Widerstands von Kupfer wird kaum Energie in Wärme umgewandelt (die reinen Absorptionsverluste sind minimal). Zumal Kupfer kein ferromagnetisches Material ist. Kupfer ist nicht magnetisch!
Mögliche Verzerrung des Strahlungsdiagramms: Die Dachrinne bildet eine lange leitfähige Schleife oder Linie entlang der Traufe. Steht die Loop zu nah an der Dachkante, wirkt die Kupferrinne als passiver Reflektor oder Direktor, was die Richtwirkung leicht verzerren und die Resonanzfrequenz der Antenne verschieben kann.
Resonanzeffekte auf bestimmten Bändern: Je nach Länge der Dachrinne und der Fallrohre kann das Metallsystem auf bestimmten Kurzwellenfrequenzen (z. B. 20 m oder 15 m) zufällig in Resonanz geraten. In diesem Fall entzieht die Rinne der Loop stärker Energie und strahlt sie unkontrolliert wieder ab. Das kann sogar zu einem Zusatzgewinn führen. Doch oft in eine unerwünschte Richtung.

Wirklich problematisch wird es, wenn wir die Magnetloop im Innern eines Gebäudes betreiben wollen:

Bei der Installation einer Magnetic Loop zwischen Stahlbetonwänden und unterhalb einer Betondecke sinkt die abgestrahlte Leistung dramatisch. Wir müssen mit massiven Signalverlusten von 15 bis über 30 dB rechnen. Der Stahlbeton wirkt wie ein geschlossener Metallkäfig, der sowohl beim Senden als auch beim Empfangen extrem dämpft und die Antenne stark verstimmt.

Die im Beton eingegossenen Eisenmatten (Bewehrung) bilden ein leitfähiges Gitter. Da die Maschenweite dieses Gitters deutlich kleiner ist als die Wellenlänge auf Kurzwelle, werden elektromagnetische Wellen größtenteils reflektiert und blockiert.
Es entstehen massive Wirbelstromverluste. Das starke magnetische Nahfeld der Loop induziert Ströme im benachbarten Baustahl. Weil Eisen ein schlechterer elektrischer Leiter ist als Kupfer, wird ein großer Teil der Sendeenergie im Beton schlicht in Wärme umgewandelt.
Hinzu kommt eine Verstimmung und Verbreiterung der Bandbreiten. Durch die induktive Kopplung an die Eisengitter verschiebt sich die Resonanzfrequenz der Loop deutlich. Gleichzeitig sinkt die Güte (Q-Faktor) der Antenne stark ab, was man daran erkennt, dass das SWR-Minimum beim Abstimmen plötzlich sehr breit wird.
Dazu kommt der Verlust des Bodengewinns. Da die Wellen kaum noch nach außen dringen und unkontrolliert an den Innenwänden reflektiert werden, bildet sich kein nutzbares, flaches Strahlungsdiagramm mehr aus. Magnetloops innerhalb Mehrfamilienhäusern machen keine Freude.

Ein Verlust von 20 dB bedeutet, dass von 100 Watt Sendeleistung rechnerisch nur noch 1 Watt nach außen gelangt. Weitverbindungen werden damit zu QRP QSO's, und selbst regionale Verbindungen sind stark eingeschränkt.
Zudem herrscht ein hohes Störungsrisiko im Haus. Da die Energie im Gebäude gefangen bleibt, können starke lokale Magnetfelder leicht in Elektrogeräte, Audioanlagen, Router oder Rauchmelder einstreuen. Umgekehrt fängt die Antenne fast ausschließlich den elektronischen Störnebel aus dem Inneren des Gebäudes auf.

Eine Notlösungen für den Betrieb in Betonbauten ist, die Antenne direkt am Fenster zu platzieren. Stelle dazu die Loop unmittelbar vor ein möglichst großes Fenster (ohne metallbedampfte Wärmeschutzverglasung). So kann zumindest ein Teil des Feldes direkt ins Freie treten.
Besser ist es in diesem Fall jedoch den Balkon oder die Außenwand zu nutzen. Schon eine Montage direkt vor dem Fenster oder auf einem Balkon bringt eine Verbesserung von oft 15 bis 25 dB gegenüber dem Innenraum.

Draussen auf dem Balkon sieht es also deutlich besser als im Betonraum aus, und bringt meist einen Gewinn von 10 bis 20 dB gegenüber der Innenaufstellung. Trotz der oberen Betondecke (des nächsthöheren Balkons) und eines ev. Edelstahlgeländers kann die Funkwelle hier direkt nach aussen ins Freie abstrahlen, während der hausgemachte Elektrosmog stärker abgeschirmt bleibt.
Da der Balkon mindestens an einer Seite offen ist, kann das elektromagnetische Feld ungehindert in den freien Raum austreten. Dies ermöglicht wieder normale Reichweiten und Weitverbindungen.
Zudem besseren Empfang (weniger QRM). Die Stahlbetonwand zwischen Wohnung und Balkon schirmt einen grossen Teil der Störungen von Netzteilen, Routern und Fernsehern aus der eigenen Wohnung ab.
Auch die Nutzung des Bodengewinns kommt wieder zum Zug. Ausserhalb des Gebäudes können die abgestrahlten Wellen wieder am Erdboden reflektiert werden, was besonders in oberen Stockwerken einen guten flachen Abstrahlwinkel unterstützt.

Doch Achtung vor einem Edelstahlgeländer als Verlustfaktor. Edelstahl leitet elektrischen Strom deutlich schlechter als Kupfer oder Aluminium. Wenn die Loop direkt auf dem Geländer sitzt, induziert das Magnetfeld Wirbelströme im Edelstahl, was Leistung in Wärme umwandelt und die Antenne verstimmt.

Die Betondecke darüber schirmt Steilstrahlung nach oben weitgehend ab. Für Weitverbindungen (flacher Abstrahlwinkel nach vorn) stört dies jedoch wenig, solange die Loop nicht zu tief unter der Decke hängt. Doch für NVIS ist das ungünstig.
Positiv ist aber, dass die Hauswand hinter dem Balkon wie ein Reflektor wirkt. Du bekommst eine gewisse Richtwirkung weg vom Gebäude, während Stationen hinter dem Haus deutlich schwächer zu hören sind.

So holst du auf dem Balkon das Maximum heraus: Abstand zum Geländer halten. Montiere die Loop nicht direkt auf das Metall, sondern nutze ein nichtleitendes Distanzstück (z. B. ein Kunststoff- oder GFK-Rohr von 50 bis 100 cm Länge). Schon ein halber Meter Abstand reduziert die Wirbelstromverluste im Edelstahl drastisch.
Über die Brüstung hinaus positionieren! Platziere die Loop möglichst so, dass sich der Ring oberhalb des Geländers oder leicht vor der Balkonkante befindet. So hat die Antenne freie Sicht nach vorn und unten.
Passe die Ausrichtung an! Wenn du die Loop so drehst, dass die Ringebene senkrecht zur Balkonbrüstung steht (also die Ringöffnung parallel zum Geländer zeigt), koppelt das Magnetfeld deutlich schwächer in das Edelstahlrohr ein.

Doch die beste Lösung ist, zuoberst zu wohnen oder die Loop auf dem Flachdach des Gebäudes zu montieren: Ohne eine Betondecke darüber verhält sich die Magnetic Loop fast wie eine frei stehende Dachantenne und bietet dir sowohl für DX als auch für NVIS Funkverkehr optimale Bedingungen.

Fazit: Die Vorteile des obersten Balkons/Flachdaches ist eine volle Rundum-Abstrahlung nach oben. Ohne die obere Betondecke kann die Antenne auch wieder steilere Winkel abstrahlen. Damit funktionieren sowohl flache DX-Verbindungen über tausende Kilometer als auch regionale Kontakte (NVIS) innerhalb Europas zuverlässig.
Hinzu kommt ein maximaler Bodengewinn durch die Montagehöhe. Da sich der oberste Balkon meist mehrere Meter über dem Erdboden befindet, erreicht die Loop oft schon eine sehr günstige effektive Aufbauhöhe. Die Bodenreflexionen erzeugen dadurch einen hervorragenden flachen Abstrahlwinkel in die offene Richtung.
Minimale Störungen (QRM) und beste Empfangsleistung. Durch die exponierte Lage ganz oben bist du maximal weit weg von den Störquellen in den unteren Wohnungen und auf Strassenniveau. Das sorgt für ein deutlich ruhigeres Grundrauschen beim Empfang und
kaum noch Verstimmung durch die Bausubstanz. Da nur noch die Rückwand und der Boden in der Nähe sind, arbeitet die Loop nahezu mit ihrer vollen ursprünglichen Güte (Q-Faktor) und ihrem vollen Wirkungsgrad.

Hier noch einige Tipps für den Aufbau auf dem obersten Balkon mit ev. Edelstahlgeländer. Auch hier gilt: Setze die Loop über das Geländer oder mit einem kurzen nichtleitenden Ausleger (z. B. 50 bis 80 cm GFK- oder Kunststoffrohr) nach oben bzw. leicht nach vorn ab, damit im Edelstahl keine Wirbelströme entstehen.
Doch anders als in den unteren Etagen, reicht es nicht, bei Blitz und Donner einfach das Koaxialkabel abzuschrauben: Blitzschutz und Erdung sind wichtig. Auf dem obersten Balkon ragt die Antenne exponiert aus dem Gebäude heraus. 

So, das reicht für heute. Das nächste mal sprechen wir darüber, ob es sich überhaupt lohnt eine teure Magnetloop zu kaufen oder selbst zu bauen.