Zielsetzung - Was ist mir wichtig

Eines muss ich vorwegnehmen, ein jeder Funkamateur*in sieht sich einer oder mehrerer spezifischen Betriebssituationen gegenüber, die bestimmt sein können durch: Was ist am QTH erlaubt bzw. wird geduldet, wie groß ist das Grundstück, wie ist die Bebauung (natürliche Hindernisse) im Nah- bzw. Fernfeld, die Bodenbeschaffenheit, was möchte man erreichen, was darf das Ganze kosten etc. Insbesondere der Punkt vermeintlicher Kosten darf nicht unterschätzt werden so z B. bei der Installation eines ordnungsgemäßen Blitzschutzes. Auch die so oft als günstig bezeichneten und mit wenigen Mitteln herzustellenden Drahtantennen sind im Ganzen betrachtet, nicht wirklich günstig. Insbesondere dann nicht, wenn man die notwendigen Kosten für Masten, HF-Erdung, HF-Anpassung, Antennenkabel, Antennenlitze, Montagematerial, Fundamente, Korrosionsschutz etc. mit in die Kalkulation einbezieht. So hat z. B. meine Doppelzepp-Antenne komplett rund 4.350,- Euro (Stand 2012) gekostet, also weitaus mehr als ein handelsüblicher HF-Transceiver.

In Anbetracht dieser beachtlichen Kosten sollte man sich als Funkamateur*in schon im klaren darüber sein, was nach allgemeiner Auffassung geht und was nicht. Literatur wie z. B. Rothammels Antennenbuch, ON4UN´s Lowband DXing und HB9ACC Praxisbuch Antennenbau geben einen sehr guten Einblick. Aber auch vielfältige Publikationen im Internet können ggf. als Leitfaden sehr dienlich sein. Insofern beschränke ich mich bei diesem Kapitel nur auf meine spezifische Betriebssituation und meine allgemeinen Beobachtungen dazu.

Nun aber zu den eigentlichen Punkten, die mir als Funkamateur bei meiner Antennenanlage für die Kurzwellenbänder wichtig sind?

·         A)  Signal to Noise Ratio (SNR)

·         B)  Leistungsvermögen und Strahlungsverhalten

·         C)  So wenig Antennen wie möglich

Natürlich wird jetzt ein jeder sagen: Klar doch, SNR ist alles! Stimmt, dennoch war mir Punkt B) und C) gleichermaßen wichtig. So wenig Antennen wie möglich wurde alleine dadurch bestimmt, dass das mir zur Verfügung stehende Grundstück mit 666 m³ nicht allzu groß für viele Antennen ist. Selbstverständlich ist Platz in der kleinsten Hütte und ein Grundstück groß genug, um eine Vielzahl von Antennen aufnehmen zu können. Aber ist dieses denn auch zweckmäßig?

Mit Sicherheit nicht, denn zu groß ist die Gefahr von Hochfrequenz-Interferenzen, undefiniertes Resonanz- bzw. Strahlungsverhalten, parasitäre Einflüsse etc. Überdies wäre ein mit vielfältigen Antennen bestücktes Grundstück auch nicht besonders ansehnlich für die Nachbarschaft, sei diese auch noch so wohlwollend aufgeschlossen.

Dennoch war mir schnell klar, dass mit einer sogenannten Allband-Antenne (10m bis 160m Band), bei mir in Form einer Doppelzepp-Antenne (2x 27m L-Antenne), an meinem QTH alleine nicht gearbeitet werden kann. Eine Doppelzepp-Antenne in ruhiger HF-Lage, also ohne Man-Made-Noise belastet, wäre für mich völlig ausreichend gewesen. Jedoch die im immer stärkeren Maße zunehmende HF-Störstrahlung bedingt ein umfangreicheres Antennenkonzept. In meinem Fall habe ich mich für ein sehr simples Phasen-System mit zwei Antennen entschieden, bestehend aus der eigentlichen Hauptantenne TX/RX (Doppelzepp) und einer aktiven RX-Antenne (MiniWhip) nebst Phasenkontroller (X-Phase).

Überdies habe ich auch ein besonderes Augenmerk auf die HF-Erdung im Shack und der aktiven RX-Antenne gelegt. Die Beschaltung der zwei Antennen, Transceiver mit VFO A/B, Pre-Selektion on/off, Phasenkontroller on/off sowie der eigentlichen HF-Erdung on/off ermöglichen es mir, verschiedenartige Betriebszustände darzustellen mit dem Ziel, ein bestmögliches Signal to Noise Ratio im Empfangsfall zu generieren. Oder einfach nur den allgemeinen und allgegenwärtigen Noise-Pegel so gering wie möglich zu halten, das entlastet Ohren und Gehirn wohlwollend.

So kann ich dem Leser*in der bis hierhin überhaupt gelesen hat aus der Praxis heraus betätigen, dass dieses und ähnliche Stationskonzepte für fast jede Man-Made-Noise geplagte Amateurfunkstation eine effektive Ergänzung darstellt und mitunter für einen  AHA-Effekt sorgt.

Welche Antennen nun im Bedarfsfalle wirklich Anwendung finden, das ist jedem selbst überlassen und muss ggf. empirisch ermittelt werden. 

Postskriptum

Die Grafik zur 2x27m Doublet-L-Antenne zeigt grafisch die vorherrschenden Betriebsbedingungen an meinem Standort auf. Das Niedrigenergie-Holzhaus sowie der 35.000 Liter große Teich befinden sich mittig unterhalb der Antenne.

Auf die schon öfters gestellte Frage, ob die Ente einen Einfluss auf die HF-Situation hat, antworte ich gerne ...

... Mit Ente fast 50% mehr HF-Power ;-)

Warum & überhaupt

Der einschlägigen Literatur folgend bedürfen symmetrische Antennen (Dipole) keiner HF-Erdung um effektiv funktionieren zu können, es sollte sogar darauf verzichtet werden. In der Realität werden die HF-Verhältnisse einer Dipol-Antenne jedoch mehr oder weniger symmetrisch sein, sodass eine entsprechende HF-Erdung durchaus Bedeutung haben kann und sei es nur, um elektromagnetische Impulse bedingt z. B. durch statische Aufladungen erzeugt, gegen Erde ableiten zu können.

Als HF-Erdung ist keineswegs die allgemein vorhandene Hauserdung zu benutzen. Es ist dafür eine separate HF-Erdung (am besten eine Kombination aus Flächen- und Tiefenerdnung) herzustellen, die von der Hauserdung galvanisch entkoppelt sein muss, damit nicht elektromagnetische Störimpulse und ungewolltes Netzrauschen von div. elektromagnetischen Verbrauchern eines oder mehrerer Haushalte die Sende-/Empfangsstation zusätzlich mit Noise belasten. Aber auch eine „Bedämpfung bzw. Anpassung“ der Antenne (Antennensignals) mittels HF-Erdung kann zu einer merklichen Verbesserung der Empfangssituation führen. Eine solche Bedämpfung bzw. Anpassung findet z. B. bei Beverage- und BOG-Antennen oder auch Erdleitungskopplern Anwendung.

Eine aktive Empfangsantenne wie z. B. die MiniWhip braucht systembedingt eine geeignete HF-Erdung. Insbesondere bedarf der Metall-Mast, auf der die MiniWhip-Antenne an der Spitze montiert sitzt (keine seitliche Montage) eine ausreichende HF-Erdung, damit diese aufgrund des Potenzialunterschieds zwischen HF-Erde und der eigentlichen und sehr kleinen Wirkfläche der Aktivantenne überhaupt richtig funktionieren kann. Wenn keine Erdung erfolgt, dann wirkt der Schirm des Koaxialkabels als Ersatz-Erdpotenzial, was jedoch ungünstig ist, weil der äußere Schirm des Koaxialkabels mit einem induziertem Spannungspotenzial behaftet sein kann und für zusätzliches und somit ungewolltes Rauschen sorgt. Auch das Koaxialkabel selbst ist am Übergang zum Wohngebäude über den Schirm gegen HF-Erde zu erden. Zur Empfängerseite hin sollte das Koaxialkabel mittels geeigneter Mantelwellensperre verdrosselt werden.

Postskriptum

Man vernachlässige bei der Montage einer MiniWhip-Antenne nicht das Koaxialkabel, welches mit einem induziertem Spannungspotenzial (Störstrahlung auf dem äußeren Schirm) behaftet sein kann. Diese Störstrahlung wird u. a. der MiniWhip durch das Koaxialkabel zugeführt und dann durch den verbauten Transistorverstärker verstärkt. Dadurch verschlechtert sich zwangsläufig der Signal-/Rauschabstand. Auch sollte das Koaxialkabel guter Qualität sein und eine hochwertige (doppelte) Schirmung bzw. ein ausreichend gutes Dielelektrikum aufweisen.

Die untere Skizze zeigt eine praxiserprobte Anwendung, um das induzierte Spannungspotenzial reduzieren und gegen Erde ableiten zu können. Diese Lösung ist bestens geeignet, wenn der Antennenmast am Haus steht und die Antennenzuleitung am Haus entlang des Bodens verläuft. 

Wenn der Antennenmast jedoch einige Meter vom Haus steht, dann reicht es oftmals aus, dass das Koaxialkabel über mehrere Meter (ca. 30-50cm tief) in den Boden eingegraben wird. Aber auch in diesem Fall sollte am Ende des Koaxialkabel - also kurz vorm Empfängereingang - ein 1:1 Choke in das Antennenkabel eingefügt werden. 

Polarisation und HF-Felder

Bei der aktiven MiniWhip handelt es sich vornehmlich um eine vertikal polarisierte Antenne, auch dann, wenn diese horizontal montiert wird. Während es sich bei einer klassischen Doppelzepp-Antenne um eine horizontal polarisierte Antenne handelt.

Meine 2x 27m L-Antenne weist dagegen einen Strahleranteil von 2/3 (horizontal) zu 1/3 (vertikal) auf. Die Wirkweise der Strahleranteile verändert sich natürlich mit der Frequenz bzw. Band. Auch werden von den beiden benannten Antennen unterschiedliche HF-Feld-Komponenten empfangen, während die MiniWhip-Antenne vorwiegend die E-Feld-Komponente und die Doppelzepp-Antenne die H-Feld-Komponente empfängt. 

Alleine schon dieser Umstand lässt unterschiedliche Nutz- und Störpegel erwarten, deren man sich mittels eines Phasenkontrollers hilfreich bedienen kann.

Anhand der linken Grafik oben kann man gut sehen, warum die MiniWhip Antenne eine vertikale Polarisation aufweist. Vertikal zum geerdeten Mast bildet sich ein HF-Feld (grau) aus. Von der Mastspitze bis zum Boden das Boden-Potenzial und von der Antenne bis in den Freiraum, dass Feld-Potenzial. Die MiniWhip empfängt (misst) über die metallische Wirkfläche der Antenne das Differenzial-Potenzial (blau), dass durch die in der MiniWhip verbaute Transistorendstufe verstärkt und letztendlich über das Koaxialkabel dem Empfänger zugeführt wird. Aus der Abbildung wird auch deutlich ersichtlich, dass eine um 90 Grad gekippte Montage der Antenne, die vermeintliche Polarisation der MiniWhip nicht ändern wird. Die Polarisation wird maßgeblich durch den vertikalen Mast und dem sich daran ausbildenen Boden-Potenzial bestimmt.

Bei einer näheren Betrachtung und vermeintlich stattfindenden Messung des Differential-Potenzial, lässt sich auch herleiten, warum die MiniWhip-Antenne, trotz ihrer nur sehr geringen Größe, wiederwarten gut auch im Bereich sehr langenwelliger  Frequenzen funktioniert. Die tatsächliche Wellenlänge bzw. die Resonaz- (Grenz-) Frequenz der MiniWhip-Antenne spielen dabei keine oder nur eine eher geringfühige Rolle. Das Differenz-Potenzial empfangen (messen) und bedarfsgerecht verstärken zu können, das ist die eigentliche bestimmende Größe bei dieser aktiven Antenne.

MiniWhip und keine Erdung

Die Grafik unten links zeigt eine MiniWip-Antenne, wo der metallische Mast und das Koaxialkabel nicht ordnungsgemäß geerdet sind. Die metallische Wirkfläche der Antenne empfängt (misst) jetzt vornehmlich das Differenz-Potenzial zwischen dem Feld-Potenzial des Freiraums (grau) und dem Kompensations-Potenzial (rot), dass sich ersatzweise (mangels notwendiger HF-Erdung) um das parallel am Mast heruntergeführten Koaxialkabels ausbildet. 

Die über den äußeren Schirm des Koaialkabels ggf. eingeschleppten Inteferenzen (z. B. Man-Made-Noise) können den Signal-/Störabstand deutlich beeinträchtigen. Zumdem muss das Koaxialkabel für die Kompensation des Erd-Potenzials herhalten, welches wegen fehlender HF-Erdung schwerlich möglich ist. Auch dabei verringert sich der Signal-/Störabstand und der Rauschanteil nimmt i. d. R. merklich zu.

Postskriptum

Die hier gezeigten Grafiken zur MiniWhip zeigen in sehr vereinfachter (unvollständiger) Form die anzunehmenden Potenziale und dienen nur einer bildlichen Erklärung der Funktionweise einer MiniWhip-Antenne. Um die tatsächlich (theoretisch) wirksamen Potenziale richtig darstellen zu können, müssten dazu die komplexen Maxwell-Gleichungen herangezogen und entsprechend grafisch modelliert werden.  Diese Gleichungen (partielle Differentialgleichungen) beschreiben u. a. die bestehenden Wechselwirkungen zwischen elektrischen und magnetischen Feldern. 

Der Phasenkontroller

Die links dargestellte Illustrationreihe zeigt anfänglich ein sehr kräftiges Signal, dass nicht mit einem Störsignal - z. B. durch Man-Made-Noise erzeugt - belastet ist (Graph 1). Dagegen  im zweiten Bild zeigt sich, dass für viele Funkamateure*innen oft übliche Szenario  (Graph 2).

Zwei gleiche (gleichphasige) Signale mit einem Phasenwinkel von 180 Grad zueinander gedreht (quasi gespiegelt) löschen sich aus. So die graue Theorie.

Genau das ist jenes Prinzip, was ein Phasenkontroller (X-Phase-Unit, QRM Eliminator etc.) ermöglicht. Oftmals empfängt die Hauptantenne (TX/RX, Antenne A) ein Nutzsignal, dass jedoch mit einem Störsignal behaftet ist und das eigentliche Nutzsignal stark hörbar überlagert (Graph 2).

Im Idealfall empfängt die zusätzliche RX Antenne (z. B. MiniWhip, Antenne B) nur das Störsignal (Graph 3). Werden nun die Signale der beiden Antennen (Hauptantenne = Nutz- inkl. Störsignal) und die der TX-Antenne (nur Störsignal) dem Phasenkontroller zugeführt und z. B. das gleichhphasige HF-Signal der RX-Antenne dabei um 180 Grad gedreht (gespiegelt), dann löschen sich die beiden gleichartigen (gleichphasigen) HF-Signale (Störsignale) aus. Übrig bleibt nunmehr ein um paar dB abgeschwächtes Nutzsignal der Hauptantenne (Graph 4).

Je kräftiger das vermeinliche Nutzsignal auch mit der RX-Antenne empfangen wird, umso geringer fällt die Auslöschung des Störsignals aus. Jedoch muss dies nicht zwangsläufig von Nachteil sein. 

Gleichphasige Signale mit einem Phasenwinkel kleiner bzw. größer 180 Grad addieren (verstärken) sich ggf. durch den Einsatz eines Phasenkontrollers und können bedingt dadurch einen besseren Signal-/Störabstand zwischen dem erwünschten Nutzsignal und dem vorhandenen Störsignal generien. In beiden Fällen kann also durchaus eine deutliche Verbesserung des Signal-/Störabstands beobachtet werden, nur dass der HF-Summenpegel dabei unterschiedlich kräftig ausfallen wird. Bei einer Signal-Auslöschung wird man i. d. R. ein um die 10-15 dB schwächeren HF-Summenpegel am S-Meter ablesen können (Graph 3 u. 4), während bei der Signal-Addition, ein ggf. entsprechend kräftiges HF-Summensignal zu beobachten ist.

Die gängige Praxis zeigt, dass sich der Signal-/Störabstand auf diese Weise i. d. R. um die 10 dB bis 20 dB verbessern lässt. Um einen gleichlautenden Signal-/Störabstand auf der Senderseite erzeugen zu können, müsste dafür eine leistungsstarke  HF-Endstufe eingesetzt werden.

Live on Stage 

Dieses Video zeigt, wie sich im Rahmen von Phasenverschiebung die Störsituation noch vor dem eigentlichem Empfänger deutlich reduzieren lässt. Gezeigt werden 4 Sequenzen von 10 Sekunden Länge, ohne und mit Phasenverschiebung. Mit aktiver Phasenverschiebung wird das breitbandige Störsignal (80m Band) gänzlich ausgeblendet.

Zum Abschluss 

Wenn ich mir das so recht überlege, dann geht eigentlich recht viel, auch unter bescheidenen Platz- bzw. Antennen-Verhältnissen. Nicht das zwangsläufig eine einzelne Maßnahme ausschlaggebend für einen nachhaltigen Durchbruch ist. Nein, vielmehr ist es das Zusammenwirken verschiedener Optionen und der richtigen Installation die darüber befinden, ob und wie was geht.

Die MiniWhip als kleine und einfach im Selbstbau herzustellende Antenne, fasziniert durch ihre Wirkweise und leistet Erstaunliches. Gerade im Zusammenspiel mit der eigentlchen Haupt- bzw. Sendeantenne und einem Phasen-Kontroller verdeutlicht sich das eigentliche Leistungspotenzial.

Natürlich wird auch eine andere aktive Antenne (z. B. RX-Loop) ähnliche, wenn nicht sogar noch bessere Ergebnisse erzielen, insbesondere dann, wenn die aktive RX-Loop um 360 Grad drehbar bzw. um 90 Grad kippbar montiert wird.

Jedoch kleiner und unauffälliger als die MiniWhip geht es wohl kaum.

Postskriptum

Ein aus drei bzw. vier MiniWhip-Antennen aufgebautes Antennen-Phase-Array, mit einem Antennenabstand von nicht mehr als fünf bis acht Meter zueinander, wäre mit Sicherheit das Optimum einer kleinen und dennoch sehr leistungsstarken Empfangsanlage.

Viel Spaß beim Experimentieren!