DG5MK - Magnetantennen-Contest

Magnetantennen-Contest

Magnetantennen-Contest: DL7SAL Streifenloop gegen klassische Rohrloop

Für Funkamateure ohne Aufbaumöglichkeit für größere Antennen ist die Nutzung einer Magnetantenne oftmals die einzige Möglichkeit um überhaupt aktiv am Amateurfunk teilzunehmen.

Im Vergleich zu klassischen Drahtantennen ist der Raumbedarf gering, es kann auch aus geschlossenen Räumen heraus gearbeitet werden und die hohe Selektionswirkung von Magnetantennen hält die Auswirkungen von elektromagnetischen Störungen in Grenzen.

DL7SAL kam auf die Idee einen überlappenden Blechstreifen für den Hauptschwingkreis zu nutzen.

Im folgenden, nicht wissenschaftlichen Vergleich treten einen DL7SAL Loop gegen eine klassische Rohrloop vergleichbarer Größe an. Welches ist die bessere Magnetantenne?

 

Die Idee einer Magnetantenne ist relativ simpel und wurde schon zahlreich in vielen Beiträgen behandelt.

Ein guter Leiter wird zu einem fast Ring oder Vieleck gebogen oder verarbeitet. Die offene Stelle des Rings/des Vielecks wird mit einem Kondensator zu einem elektrischen Kreis geschlossen. Die wirksame Induktivität dieses Leiters bildet zusammen mit der Kapazität des Kondensators einen hocheffizienten Schwingkreis hoher Güte.

In diesen Schwingkreis wird nun kapazitiv oder induktiv eine Hochfrequenz eingekoppelt, die durch den im Schwingkreis pendelnden Strom als Hochfrequenz abgestrahlt wird.

Im Nah- und Übergangsfeld bildet dabei die magnetische Komponente der elektromagnetischen Wellen die Hauptkomponente, ganz im Gegenteil zu der elektrischen Komponente bei klassischen Drahtantennen. Im Fernfeld besteht kein Unterschied.

Diese Konstellation bewirkt erhebliche Unterschiede im Ausbreitungsverhalten des abgestrahlten Signals. Eine Magnetantenne kann effizient innerhalb von geschlossenen Gebäuden genutzt werden, selbst unter nassen Dächern und hinter Betonwänden.

Die Herausforderung bei der Konstruktion einer Magnetantenne ist die mechanische- und elektrische Auslegung des Schwingkreises. Übergangswiderstände, die sich aufgrund der hohen Ströme negativ auswirken, sind zu minimieren.

Weiterhin wird ein hochspannungsfester, variabler Kondensator hoher Güte und relativ hoher Kapazität benötigt, welches sich oftmals in einem hohen Preis niederschlägt.

DL7SAL kam daher vor einiger Zeit auf die Idee einen überlappenden Blechstreifen als Schwingkreis zu nutzen. Die Überlappung bildet dabei die erforderliche Kapazität des Schwingkreises.

Im folgenden Beitrag wird der Aufbau, die Messung und der praktische Betrieb einer DL7SAL Loop (Streifenloop) gegen eine klassische Rohrloop vergleichbarer Größe beschrieben. Dabei erhebt der Beitrag nicht den Anspruch einer wissenschaftlichen Ausarbeitung, sondern stellt ein praktisches Beispiel vor.

Die Bilder 1 bis 6 zeigen die beiden Testkandidaten und einige relevante Details der beiden Antennen.

Hinweis, die Antennen sind tatsächlich rund. Auf den Bildern wirken sie perspektivisch verzerrt.

 

  Bild 1: Magnetantenne aus Kupferrohr, 50 cm Durchmesser

 

 

 Bild 2: Kopplung des Kondensators an die Kreisspule

 

 Bild 3: Koppelschleife zur induktiven Einkoppelung in die Rohrloop

 

 

Bild 4: Magnetantenne aus Kupferstreifen, 55 cm Durchmesser

 

 

 Bild 5: Überlappender Kupferstreifen als Kondensator

 

 

Bild 6: Koppelschleife zur induktiven Einkoppelung in die Streifenloop

 

Tabelle 1: Daten der beiden Testkandidaten:

 

 

Streifenloop

Rohrloop

Durchmesser

55 cm

50 cm

Material

1mm Kupferblech, 2 Meter lang, 17 cm breit,k 27 cm überlappend

isoliertes Kupferrohr mit 15 cm Durchmesser, von der Rolle

Kondensator

Überlappung der Blechstreifen auf 27cm Länge mit 2mm Abstand. Errechnet: max 203 pF

Luftdrehkondensator, Splitt-Stator

14 pF bis 137 pF

Gesamtkosten

ca. € 70

ca. € 90

 

Aufbau der Antennen 

Für die 50 cm Loop aus Kupferrohr wurde ein 15 mm starkes, gemanteltes Kupferrohr aus dem Baumarkt verwendet. Dieses ist als Meterware von der Rolle erhältlich und lässt sich leicht von Hand zu einem passendem Kreis biegen. 

Dabei ist besonders darauf zu achten, dass die Enden des Rohres sich im Kondensatorbereich in einer Flucht gegenüberstehen. Ansonsten entsteht nach der Montage Druck auf die Messingstangen des Kondensators, was wiederum die Plattenpakete verschiebt. 

Die Enden sind nach Abisolierung mittels eines Teppichmessers mit Schleifpapier gründlich anzuschleifen, da das Kupferrohr in der Regel mit einer dünnen Schutzschicht überzogen ist. 

Für den Kondensator (Splitttyp) wurde ein Bausatz der Firma Schuberth samt Getriebemotor verwendet. Zur besseren Befestigung sind längere Gewindestangen aus Messing verwendet worden, ebenfalls aus dem Baumarkt. Der Aufbau des Kondensators erwies sich als sehr aufwendig, da jede einzelne Platte des Rotors und Stators entgratet werden musste. Dies ist erforderlich, um spätere Funkenbildung durch einen Spitzeneffekt zu verhindern. Die Ausrichtung der Pakete war ebenfalls aufwendig. 

Zur Verbindung von Kondensator und Loop wurden passende Kupfer-Erdungsschellen aus dem Baumarkt verwendet. Jeweils 2 längere Halbschalen ergaben nach wenigen Bohr- und Feilarbeiten eine sehr gut passende, elektrisch günstige Halterung. 

Als Ständer für die Loop konnten 2 der verbleibenden Gegenstücke verwendet werden, in Kombination mit Kunststoffprofilen, wiederum aus dem Baumarkt. 

Für die induktive Einkoppelung wurde Aircell 7 Koaxkabel verwendet. An einem Ende werden Innen- und Außenleiter an die gewählte N-Buchse angeschlossen. Das andere Ende wird nur mit dem Innenleiter an Masse der Buchse angeschlossen. Dadurch ergibt sich eine geschirmte Einkoppelschleife. 

Zur Abstimmung der Größe hat sich die folgende Vorgehensweise bewährt: 

Die Schleife zunächst ‚zu groß’ wählen und einen SWR-Test auf Resonanzfrequenz der Loop durchführen. Dies kann bei geringer Leistung mit einem Tranceiver geschehen, dann aber bitte auf keinen Fall bei Sendebetrieb die Loop berühren (Gefahr von HF-Verbrennungen!). Hier wurde der Test gefahrlos mit einem Netzwerkanalysator durchgeführt. 

Ist das SWR zu groß, die Koppelschleife aus der Loopebene wegklappen. Dadurch ergibt sich eine losere Kopplung. Verbessert sich das SWR, ist die Schleife zu groß. Verschlechtert es sich, ist die Schleife zu klein gewählt. 

Nun durch iteratives Kürzen und Messen die optimale Schleifengröße ermitteln. Es ließ sich immer ein SWR von besser als 1 : 1,5 erhalten. Allerdings ist die Methode zum Teil abhängig von der gewählten Resonanzfrequenz. 

Alle Metallteile der Loop bestehen, soweit möglich, aus Kupfer, Messing, oder Aluminium und sind daher nicht magnetisch. 

Für die 55 cm Streifenloop stellte sich zunächst die Beschaffung eines passenden Kupferblechstreifens als schwierig heraus. Schließlich konnte Eisen Wilms in Köln mit einem 2 Meter langen Zuschnitt dienen, als Rest mit 17 cm Breite. Der Mechaniker staunte nicht schlecht als ich das Blech zum Transport kurzerhand aufrollte und in einem Kunststoffkorb fixierte. 

Eisenmetalle sollten aufgrund der schlechteren Leitfähigkeit nicht verwendet werden. 

Nach einigen Überlegungen wurde mittels Kunststoffprofilen und –schrauben aus dem Baumarkt ein Stützkreuz gebaut. Der Blechstreifen wurde testweise angelegt und die Bohrlöcher angezeichnet. 

Die anschließende Fixierung verlief problemlos. Der minimale Abstand der überlappenden Blechstreifen wird durch Kunststoffunterlegscheiben sichergestellt. 

Schwieriger gestaltete sich der Aufbau eines geeigneten, motorischen Antriebs. Mit Hilfe eines Getriebemotors wurde mittels verschiedener Kupplungen (Gewindeverlängerung und Alurohr) ein Spindelantrieb aufgebaut, der über eine in einem Kunststoffprofil fixierte Mutter das Blech hebt und senkt. 

Alle Teile gab es im Baumarkt, die Bohrarbeiten waren allerdings nicht unproblematisch. 

Die Koppelschleife ist analog zur Rohrloop ausgeführt und abgestimmt worden. Um Einflüsse des Metallgetriebes des Motors zu minimieren, wanderte die Schleife mehr zur Mitte der Loop. 

Auch hier ließ sich mittels der geschilderten Abstimmmethode problemlos ein SWR kleiner als 1 : 1,5 finden. 

Zur Abstimmung mittels Motor sei kurz erwähnt, dass diese über eine simple, in der Polarität umschaltbare Gleichspannungsquelle erfolgen kann. Hier wurde eine 555-Timer basierende pulsweitengesteuerte Abstimmung eingesetzt. Nähere Informationen gerne bei Bedarf. 

Fazit der Runde 1 „Aufbau der Antennen“ 

Unter Berücksichtigung der Materialbeschaffung, des Aufbau-Aufwandes, der Kosten und der Komplexität des Aufbaus gibt es für diese Runde keinen klaren Sieger. Demnach unentschieden! 

Die Streifenloop ist von den direkten Kosten her zwar geringer, aber die Materialbeschaffung ist schwieriger. Weiterhin ist der Antrieb nicht unkritisch. Bei der Rohrloop würde sich der Aufwand erheblich senken bei Nutzung eines fertigen Kondensators samt Antrieb (gleicher Lieferant), allerdings verbunden mit einer weiteren Erhöhung der Kosten. Das restliche Material gibt es in jedem gut sortierten Baumarkt. 

Messung der Antennen 

Meßtechnisch sollten die Kerndaten der Loops bestimmt werden, also Induktivität, Kapazität, Frequenzbereich, SWR und insbesondere die Güte des Hauptschwingkreises. 

Dazu wurde neben einem PIC-basierenden Kapazitäts- und Indurktivitätsmessgerät (frei nach AADE) ein DG8SAQ VNWA 2.1 Netwerkanalysator eingesetzt. 

Die Kapazität des Streifenloop-Kondensators konnte dabei konstruktionsbedingt nur errechnet werden, bzw. über die Resonanzfrequenz bestätigt werden. 

Die Tabelle 2 zeigt die ermittelten Daten, die Bilder 7 und 8 Plots der VNWA Messungen. 

 

Tabelle 2: Messdaten der beiden Loops

 

 

Streifenloop

Rohrloop

Induktivität der Hauptschleife bei 0,7 MHz

0,71uH

1,17 uH

Kapazität des Kondensators

Errechnet: max 203 pF

14 pF bis 137 pF

Arbeits-Frequenzbereich

12,9 MHz bis 24,9 MHz

12,5 MHz bis 43,6 MHz

SWR

Besser 1 : 1,5

Besser 1 : 1,5

Güte SWR 2 bei 14 MHz

369

540

Güte SWR 5,7 (-3 dB) bei 14 MHz

137

200

 

Bild 7: VNWA Messung des SWR und s11 der Rohrloop

 

Bild 8: VNWA Messung des SWR und s11 der Streifenloop

Auffallend ist die geringe Induktivität der Streifenloop bei der Messung bei 700 KHz, welches eine gute Voraussetzung für geringe Verlustwiderstände ist. Ob sich Diese allerdings aufgrund des Skin-Effektes bei höheren Frequenzen bewahrheiten ist eine andere Frage. Immerhin findet aufgrund der hohen Frequenzen ggf. einen Verdrängung der Ströme an den Streifenrand statt. 

Während sich beide Loops gut im 20 Meter Band betreiben lassen, gilt dies nicht für die höheren Bänder. Die Minimalkapazität (Eigenkapazität) der Streifenloop verhindert eine Resonanz oberhalb von rund 25 MHz. Die Rohrloop ist problemlos bis an die Grenzen des HF-Bereichs nutzbar. 

Das SWR ist bei beiden Antennen problemlos niedrig einstellbar, zumindest im betrachteten 20 Meter Band. 

Ein wichtiges Kriterium einer magnetischen Loop ist die Güte der Antenne. Diese bestimmt im Endeffekt die Unterdrückung von störenden Signalen nahe der Resonanzfrequenz, gilt als Kernaussage in Bezug auf vorhandene Verluste und ist somit ein wichtiges Kriterium in Bezug auf das erwartete Abstrahlverhalten. 

Allerdings bedeutet eine hohe Güte auch eine geringe Bandbreite. Häufigeres Nachstimmen der Antenne bei einem Frequenzwechsel ist die Folge. 

Da oftmals die SWR 2 Bandbreite und die SWR 5,7 Bandbreite (entspricht – 3 dB Bandbreite) unklar angegeben werden, sind hier beide Angaben aufgeführt. 

Es ist klar ersichtlich, dass die Rohrloop hier wesentlich besser abschneidet. Eine SWR 2 Güte von 540 ist ein ausgezeichneter Wert. Andererseits ist die Güte der Streifenloop nicht so viel schlechter. Ob sich ein effektiver Unterschied im Funkbetrieb ergibt, gilt es im nächsten Abschnitt zu klären. 

Der eigentliche Ansatz einer Streifenloop, durch den integrieren Kondensator ohne Übergangswiderstände eine bessere Güte zu erzielen, kann hier nicht belegt werden. 

Weiterhin zeigt sich, dass auch bei Rohrloops mit Schraubverbindungen am Kondensator gute Güte-Werte erzielt werden können. 

Fazit der Runde 2 „Messung der Antennen“ 

Aufgrund des weiteren, einstellbaren Frequenzbereichs und einer höheren Güte geht diese Runde klar an die Rohrloop.

Funkbetrieb der Antennen 

Letztendlich entscheidend für die Wahl jeder Antenne sollte ihre Tauglichkeit in der Praxis sein. 

Was nutzen z. B. theoretische Gewinnaussagen zu einem Dipol wenn die Aufbauhöhe gering gegenüber der Wellenlänge ist? Oder wie ausschlaggebend sind vergleichende Verlustangaben zu einer Magnetischen Antenne im Sendebetrieb, wenn dies oftmals nur eine S-Stufe Unterschied beim Empfänger ausmacht? 

Vor- und Nachteile von Magnetischen Antennen sind umfangreich diskutiert worden. Zusammengefasst ergeben sich für den praktischen Funkbetrieb als Vorteile:

  • Wesentlich ruhigere Antenne aufgrund der stark selektiven Wirkung des Schwingkreises. Lokales QRM wird stark bedämpft, bzw. bei E-Feld Charakter nicht aufgenommen. Keine Breitbandstörungen im Sendebetrieb.
  • Der Betrieb ist auch bei geringer Höhe gegenüber der Wellenlänge effizient möglich.
  • Relativ kleine mechanische Abmessungen.

Wesentlicher Nachteil ist dabei die erforderliche, häufige Nachstimmung der Antenne bei Sendefrequenzwechsel aufgrund der extrem geringen Bandbreite. 

Diese Eigenschaften konnten bei einem Probebetrieb in Oktober 2012 voll belegt werden. 

Unter Dach mit ca. 9 Meter Höhe über Grund wurde PSK31 QRP Betrieb auf 20 Meter mit beiden Antennen, vertikale Aufstellung am gleichen Ort, durchgeführt. 

Die jeweils nicht benutzte Antenne wurde dabei örtlich entfernt und verstimmt, um eine Beeinflussung des Testkandidaten zu verringern. 

Mit der Streifenloop wurden EA4ENP, IK6CVI mit 5 W, bzw. UR5MY mit 10 W Sendeleistung gearbeitet. 

Für die Rohrloop wurden IZ2MHT, ES0IC und HA6ZB mit 5 W gearbeitet. 

ES0IC und HA6ZB haben zusätzlich auch die Streifenloop aufgenommen und konnten bzgl. des Signals keinen Unterschied feststellen. 

Sicherlich sollten hier noch mehr vergleichenden Kontakte geführt werden. Klar ist aber schon jetzt das die Unterschiede im praktischen Funkbetrieb eher gering sind. 

Ein kleiner Nachteil der Streifenloop aus dem praktischen Betrieb soll hier nicht verschwiegen werden. 

Die mechanische Konstruktion ist weitaus labiler. Dies führt dazu, dass die Antenne nach einer Abstimmung, bzw. bei einer Berührung mechanisch nachschwingt, was wiederum aufgrund des integrierten Streifenkondensators auch zu einer elektrischen Verstimmung führt. Die Antennen muss sich daher erst 1 bis 2 Sekunden ‚beruhigen’. 

Bei einem Betrieb außerhalb des Hauses, mit entsprechend vorhandenem Wind, könnte sich dies als K. O. Kriterium erweisen. 

Eine weitaus stabilere, mechanische Konstruktion ist jedoch denkbar, so dass dies Kriterium nicht negativ bewertet werden soll.

Fazit der Runde 3 „Betrieb der Antennen“ 

Auch hier konnte kein eindeutiger Sieger festgestellt werden. Unentschieden! Beide Kandidaten sind für einen Betrieb innerhalb ihres Zielfrequenzbereiches gut geeignet. 

Zusammenfassung 

Im Gesamtwettbewerb hat die klassische Rohrloop die Nase leicht vorn, aufgrund der Messergebnisse. 

Für den praktischen Funkbetrieb sind diese Unterschiede jedoch nur wenig relevant. 

Entscheidend sind vielmehr die praktische Umsetzung und die vorhandenen Möglichkeiten samt Bezugsquellen des Konstrukteurs und Betreibers. 

Einen wichtigen Punkt hat der durchgeführte Vergleich jedoch ergeben: Die Streifenloop nach DL7SAL kann zum Teil zu hoch angesetzte Erwartungen nicht erfüllen. 

Das mag jeden Nutzer einer klassischen Magnetantenne, der in Richtung Streifenloop schaut, beruhigen.