Verwendung von Traps für einen Mehrbandbetrieb mit Dipolantennen

Die historisch bedeutsame Langdraht-Dipolantenne mag in der heutigen Zeit kompakter, hochmobiler drahtloser Geräte, die im Gigahertz-Spektrum arbeiten, wie ein Anachronismus erscheinen, aber das ist nicht der Fall. Aufgrund ihrer vielen Vorzüge wird sie nach wie vor vom Militär, von Notdiensten, Rundfunkanstalten und Funkamateuren (Funkamateuren) für Langstrecken, weltweite Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und Weitbereichssendungen genutzt.

Zu diesen Vorteilen gehören Flexibilität, einfache Einrichtung, einstellbare Strahlungsmuster, geringe Sichtbarkeit für andere und ein geringes Pack-/Transportmaß. Sie wird vor allem bei Frequenzen unter 30 Megahertz (MHz) (10 Meter (m) Wellenlänge) in dem früher als Hochfrequenzband (HF) bezeichneten Bereich zwischen 3 und 30 MHz sowie bei niedrigeren Frequenzen/größeren Wellenlängen eingesetzt. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine einzelne Dipolantenne mehrere Bänder gleichzeitig bedienen kann, wenn in beiden Armen des Dipols einfache LC-Resonanzkreise, so genannte „Traps“ (Deutsch: „Falle“), eingebaut werden.

Dieser Blog gibt einen kurzen Überblick über das Prinzip der Langdrahtantenne (Dipolantenne), zeigt einige theoretische und praktische Überlegungen auf und erklärt, wie mit Hilfe von „Traps“ ihre Nützlichkeit als Multibandantenne erweitert werden kann. (Einige dieser Überlegungen gelten auch für andere Dipolkonfigurationen, z. B. den bekannten gefalteten Dipol, aber auch hier gibt es wichtige Unterschiede)

Warum eine Langdraht-Dipolantenne verwenden?

Angesichts der Tatsache, dass viele der heutigen Antennen kurz (in den meisten Fällen in der Größenordnung von einem Meter oder weniger) oder fast unsichtbar sind, wie der Chipresonator oder die planare invertierte F-Antenne (PIFA) in einem Smartphone, mag der Langdraht-Dipol wie eine Antiquität oder Kuriosität erscheinen. Die Maxwellschen Gleichungen und die Wellentheorie zeigen jedoch, dass ein effektiver Dipolstrahler/-empfänger eine primäre Abmessung von der Hälfte der interessierenden Wellenlänge haben muss. Diese klassische Dipolantenne ist nicht geerdet und stellt eine symmetrische Last für den Leistungsverstärker des Senders und den Frontend-Verstärker des Empfängers dar (Abbildung 1). (Die Nennimpedanz eines idealen Dipols beträgt 73 Ω, wird aber oft mit 75 Ω angegeben; der Unterschied ist vernachlässigbar) Wenn die Antenne an die gemeinsame 50Ω-Zuleitung angeschlossen wird, ist eine bescheidene Impedanzanpassung zwischen Zuleitung und Antenne erforderlich.

Abbildung 1: Die klassische Dipolantenne hat zwei Viertelwellenlängen und stellt bei ihrer Betriebsresonanzfrequenz eine symmetrische ohmsche Last von 73 Ω dar. (Bildquelle: MicrowaveTools)

Wenn für den Dipol ein dünner Draht verwendet wird, beträgt die Bandbreite in der Regel etwa 5 % der Mittenfrequenz; ein dickerer Draht erhöht die Bandbreite um bis zu 20 %, beeinträchtigt aber andere Leistungsmerkmale. Wenn die Verbindung zum Sender oder Empfänger über einen geerdeten Stromkreis erfolgt und als Zuleitung ein Koaxialkabel verwendet wird, kann ein Symmetrierwandler erforderlich sein. In vielen Fällen kann jedoch auch ein Koaxialkabel direkt verwendet werden, sofern die Impedanzen entsprechend angepasst werden.

Angesichts ihres einfachen Designs ist die Attraktivität der Langdraht-Dipolantenne leicht zu erkennen. Alles, was man dazu braucht, sind zwei gleich lange Drähte und eine Möglichkeit, sie an Bäumen, Gebäuden, Schildern oder was auch immer sich anbietet, zu befestigen. Die Antenne wird in der Regel nicht direkt mit diesen Trägern verbunden, sondern es werden in der Regel ein Stück Draht und Isolatoren als Befestigungspunkte verwendet (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Dipol wird in der Regel über Isolatoren (weiß) und Drahtlängen an seinen Trägern befestigt, die es ermöglichen, die Länge der Dipolarme unabhängig vom Abstand zwischen den Trägern zu halten. (Bildquelle: Physics Forums)

In der Praxis wird die tatsächliche Antennenlänge für eine optimale Leistung wahrscheinlich angepasst werden müssen, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass der Draht eine endliche Dicke und andere Abweichungen von der Theorie hat, aber diese Anpassung beträgt normalerweise weniger als fünf Prozent. Selbst wenn sie nicht angepasst wird, ist die Leistung in der Regel recht gut, und das Stehwellenverhältnis (VSWR) liegt in der Regel unter einem allgemein akzeptablen Wert von 1,5:1.

In den Fällen, in denen es zu einer erheblichen Impedanzverschiebung oder Fehlanpassung der Antenne kommt, steigt das VSWR auf ein inakzeptables Niveau an und die Leistung leidet. In solchen Fällen wird ein einstellbarer Antennentuner in der Zuleitung verwendet, um einen Übergang zu kompensieren und zu realisieren.

Die theoretische Verstärkung des Dipols beträgt etwa 2 dBi (dB relativ zur Isotropie). Seine Abstrahlcharakteristik ist einfach und wird oft als Torus oder Donut beschrieben (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das Strahlungsdiagramm des Dipols von oben in der vertikalen Ebene (A) und von der Seite in der horizontalen Ebene, wo er einem Torus oder Donut ähnelt (B). (Bildquelle: Science Direct)

Der Benutzer kann die Antenne so ausrichten, dass die maximale Energie des Senders bzw. die maximale Empfindlichkeit des Empfängers auf das gewünschte Funkgerät gerichtet wird, das oft Tausende von Kilometern entfernt ist. Es gibt viele dokumentierte Fälle erfolgreicher Kommunikation über diese Entfernungen mit einem Dipol auf 20 und 40 m mit einer Sendeleistung von deutlich unter einem Watt und unter geeigneten atmosphärischen Ausbreitungsbedingungen, da sein Wirkungsgrad und sein Strahlungsmuster so gut sind.

Multibandbetrieb erweitert die Vielseitigkeit

In vielen realen HF-Kommunikationssituationen ist es notwendig, einen Kontakt in mehr als einem Band zur gleichen Zeit herzustellen oder das Band zu verschiedenen Zeiten zu wechseln, da die Verbindung von vielen Variablen wie Sonnenflecken, atmosphärischen Störungen, Tag- und Nachtbetrieb und ständig wechselnden Ausbreitungsbedingungen abhängt. Infolgedessen kann eine Einband-Dipolantenne unzureichend sein.

Die offensichtliche Lösung besteht darin, mehrere Dipolantennen aufzustellen, eine für jedes interessierende Band/Wellenlänge. Dies ist jedoch mit praktischen Schwierigkeiten verbunden, wenn es darum geht, mehrere Zuleitungen zu befestigen, zu verlegen, zu verwalten und zwischen ihnen zu wechseln. In einigen Fällen kann ein HF-Splitter/Kombinierer verwendet werden, um eine einzige Zuleitung mit zwei Antennen zu verbinden, was jedoch zu Verlusten und neuen Impedanzanpassungsproblemen führt.

Zum Glück gibt es eine bessere Lösung, die wie der Dipol schon seit den Anfängen des Mobilfunks verwendet wird: „Traps“. (Es ist unklar, wann oder von wem dieser Begriff zum ersten Mal eingeführt wurde; das Wort wird in dem US-Patent 2.229.865 aus dem Jahr 1941, in dem die Technik vorgestellt wird, nicht verwendet.) Eine „Trap“ (auf deutsch „Falle“) ist eine einfache, parallel geschaltete Induktivität-Kondensator-Kombination (LC), die zwischen zwei interessierenden Bändern Eigenresonanz aufweist.

In jeden Arm des Dipols wird eine Trap eingesetzt, so dass die Antenne zwei elektrische Längen, aber nur eine physikalische Länge hat. Bei Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz ist der Blindwiderstand der Traps induktiv, oberhalb der Resonanzfrequenz ist er kapazitiv. Traps wirken wie Schalter, die den Rest der Antenne bei der Entwurfsfrequenz der Traps elektrisch abschaltet und unterhalb der Resonanzfrequenz der Antenne als Ladespule fungiert.

Ein vereinfachtes elektrisches Modell der Trap zeigt die physische Spule und den Kondensator sowie einen kleinen parasitären Widerstand (R_P) (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Falle (Trap) ist ein einfacher LC-Schwingkreis mit einem unerwünschten, unvermeidbaren Widerstand, der in Reihe (a) oder als paralleler RLC-Kreis (b) modelliert werden kann. (Bildquelle: AntenTop)

Traps haben den Ruf, verlustbehaftet zu sein, was sowohl für den Sende- als auch für den Empfangsmodus ein Problem darstellt. Eine richtig konzipierte und abgestimmte Trap verursacht jedoch nur einen bescheidenen Verlust in der Größenordnung von 1 dB, und das ist in der Regel akzeptabel im Austausch für den Komfort, den sie bietet.

Auswahl der Trap-Komponentenwerte

Mathematisch gesehen gibt es eine unendliche Anzahl von LC-Paarungen, die zu einer gewünschten Resonanzfrequenz führen. Viele davon würden jedoch eine extrem kleine (oder große) Induktivität erfordern, die mit einem extrem großen (oder kleinen) Kondensator kombiniert werden müsste. Eine solche Paarung wäre übermäßig durch Parasiten und physikalische Größenprobleme beeinträchtigt und hätte außerdem einen Q-Faktor (Qualitätsfaktor), der für das interessierende Band zu schmal oder breit wäre.

Glücklicherweise gibt es eine umfangreiche Literatur über die Dimensionierung von Traps, die auf Theorie, Umsetzung und praktischen Erfahrungen in der Praxis beruht. Eine Falle mit einer 5,55-Mikrohenry(µH)-Induktivität in Verbindung mit einem 100-Picofarad(pF)-Kondensator ist beispielsweise ein guter Ausgangspunkt für einen 80/40-m-Dipol (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die dargestellten Komponentenwerte und die linearen Abmessungen des Dipols (in Fuß) sind ein guter Ausgangspunkt für einen 80/40-m-Multiband-Dipol. (Bildquelle: QSL Net)

Bei der Auswahl von Trap-Komponenten geht es um mehr als nur um die Bestimmung geeigneter L- und C-Werte, denn es gibt auch einige sehr praktische Fragen der Belastbarkeit und Robustheit. Bei reinen Empfangsantennen kann fast jede Drosselspule oder jeder Kondensator die sehr geringe Empfangsleistung bewältigen, die in der Größenordnung von wenigen Milliwatt liegt, oft sogar weniger. Die Sendeanlagen liefern jedoch oft Leistungen im Bereich von zehn, hundert oder noch mehr Watt, so dass die Komponenten der Traps für diese Leistungen ausgelegt sein müssen.

Außerdem sind die Traps der Witterung ausgesetzt. Einige Dipolantennen befinden sich zwar in günstigen Umgebungen wie einem Dachboden oder einer Holzscheune, aber die meisten befinden sich im Freien und müssen daher Regen, Wind, extremen Temperaturen, Kondenswasser und vielem mehr standhalten. Daher müssen die Traps und ihre Anschlüsse entweder vollständig abgedichtet sein, über eine Art Abfluss- und Entlüftungsvorrichtung verfügen oder aus witterungsbeständigen Materialien hergestellt sein. Selbst wenn die Verbindungen intakt bleiben, kann das Eindringen von Wasser oder Korrosion die Werte der Komponenten beeinträchtigen und damit die Resonanzfrequenz verschieben.

Die Konstruktion von Traps erfordert in der Regel eine Kapselung der Komponenten durch Versiegelung in einem Kunststoffgehäuse, eine Schutzbeschichtung oder eine witterungsbeständige, offene Konstruktion (Abbildung 6). Als Kern einer gewickelten Induktivität (Spule) wird häufig ein preiswertes PVC-Rohr verwendet; in anderen Fällen wird ein PVC-Rohr mit dichten Endkappen als Gehäuse mit wasserdichten Zugangsöffnungen verwendet.

Abbildung 6: Diese selbstgebaute 80/40m-Trap verwendet eine handgewickelte Spule um ein PVC-Rohr als Kernträger. (Bildquelle: www.vk4adc.com)

Es gibt noch einen weiteren praktischen Aspekt, der zu berücksichtigen ist: das Abstimmen und Trimmen der Trap-Komponenten. Die Berechnung der Bauteilwerte ist zwar ein notwendiger erster Schritt, aber diese idealen Werte sind aufgrund von Störeffekten, Drahtdurchmessern und Unzulänglichkeiten der Spulenwicklungen, um nur einige Faktoren aus der Praxis zu nennen, oft nicht genau genug.

Aus diesem Grund kann der Benutzer bei den meisten selbstgebauten und vielen kommerziellen Traps die L- und C-Werte vor Ort anpassen, um die gewünschte Leistung zu erzielen, was in der Regel mit einem VSWR-Messgerät geschieht. Diese Feinabstimmung kann ein frustrierender, iterativer Prozess sein, insbesondere bei selbstgebauten Implementierungen; auch hier gibt es viele Websites mit praktischen Vorschlägen zur Vereinfachung des Prozesses.

Der Einsatz von Traps ist nicht auf die Verwendung eines Langdraht-Dipols auf zwei Bändern beschränkt. Es ist möglich, Drei- und sogar Vierband-Dipolantennen mit einer Reihe von Traps zu bauen. Dies erfordert jedoch zusätzliche Anpassungen und einige Leistungskompromisse und Kompromisse in Bezug auf Strahlungsdiagramm, Gewinn, Bandbreite und andere Parameter.

Nicht auf einfache Dipole beschränkt

Traps werden in der Regel mit einfachen Langdraht-Dipolen in Verbindung gebracht, sind aber nicht auf diese Antennenform beschränkt. So wird beispielsweise eine mehrbandige, gerichtete Yagi-Uda-Antenne (oft einfach als „Yagi“-Antenne bezeichnet) mit hoher Verstärkung aus einer Gruppe von aktiven und passiven Dipolelementen aufgebaut. Diese Form der Yagi-Antenne verwendet Traps in den Richt-, aktiven Betriebs- und Reflektor-Elementen, so dass sie über mehrere Bänder hinweg funktionieren kann (Abbildung 7).

Abbildung 7: Traps können sowohl für den Dreibandbetrieb bei einfachen Dipolen als auch bei komplexeren Multibandantennen wie dieser 20/15/10 m Yagi eingesetzt werden; dargestellt sind (von links nach rechts) die Richt-, Treiber- und Reflektorelemente mit jeweils zwei Traps an jedem Arm. (Bildquelle: OnAllBands)

Es ist möglich, einen eigenen Dipol zu bauen, und viele Einzelanwender tun dies auch. Es gibt sie aber auch als handelsübliche Geräte wie die KGI825 von PulseLarsen Antennas. Dieser einfache Viertelwellenlängendipol mit 2 dB Verstärkung ist für den Betrieb von 806 bis 896 Megahertz (MHz) ausgelegt, wobei das Zentrum bei 851 MHz liegt (Abbildung 8).

Abbildung 8: Die KGI825 ist eine Viertelwellenlängen-Dipolantenne mit 2 dB Verstärkung und einer Mittenfrequenz von 851 MHz. (Bildquelle: PulseLarsen Antennas)

Die KGI825 kann eine Sendeleistung von bis zu 60 Watt erbringen und bietet eine bequeme magnetische Montage in einem Fenster mit einer Dicke von 3,5 bis 4 Millimetern (0,138 bis 0,158 Zoll). Zum Lieferumfang gehört ein 4,25 m langes RG-58/U-Koaxialkabel, an das der Benutzer den gewünschten Stecker anschließt.

Fazit

Die bescheidene, einfache Dipolantenne mit langen Drähten hat der drahtlosen Welt über ein Jahrhundert lang gedient. Sie ist aufgrund ihrer Einfachheit, Anpassungsfähigkeit, Übertragbarkeit und Wirksamkeit nach wie vor beliebt. Durch den Einsatz passiver Traps (Fallen) kann seine Funktionsfähigkeit auf zwei oder sogar mehr Bänder im hochfrequenten Teil des elektromagnetischen Spektrums ausgedehnt werden.

Verwandte Inhalte

„Antennenspezifikationen und -betrieb, Teil 1“

https://www.digikey.de/de/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

„Antennenspezifikationen und -betrieb, Teil 2“ https://www.digikey.de/de/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

„Antennen: Design, Anwendung und Performance“

https://www.digikey.de/de/articles/antennas-design-application-and-performance

„Die Verwendung von Symmetriergliedern für Messungen“

https://www.digikey.de/de/articles/the-use-of-baluns-for-measurements

„Verständnis des HF-Symmetrierglieds und seiner Übertragungsfunktion“

https://www.digikey.de/de/articles/understanding-the-rf-balun-and-its-transformative-function

„Verwenden Sie PIFAs, um das Dilemma kleiner Produkte und noch kleinerer Antennen zu lösen“

https://www.digikey.de/de/blog/use-pifas-to-solve-the-small-product-smaller-antenna-dilemma

Externe Referenzen

• H.K. Morgan, U.S. Patent 2,229,865, „Funkantennensystem“
• MicrowaveTools, „Dipolantenne“
• Science Direct, „Grundlagen der Antenne: Strahlungsdiagramm“
• On All Bands, „Antennenfallen - eine Möglichkeit, mit begrenztem Platz auszukommen“
• QSL Net, „Abgestimmte Schaltungen und Traps“
• AntenTop, „Modellierung von Trap-Antennen“
• AntenTop, „Mehrbereichs-Trap-Antennen“
• VK4ADCs Web, „Preiswerte Traps für Antennen“
• SOTABeams, „Verwendung von Traps für Antennen“