Einfacher Langdraht-Tuner in LC-Schaltung

 Diese Bauanleitung ist ein durch zusätzliche Bilder ergänzter Artikel aus der Funk 11/1996

Der beschriebene Tuner stellt wohl die preiswerteste Lösung dar, um mit einem Stück Draht als Antenne in die Luft zu kommen. Bei Kauf kosten alle Teile ohne Gehäuse noch nicht einmal 20.- DM, Bezugsquellen werden zu den Bauteilen angegeben. Angepaßt werden Drähte nahezu beliebiger Länge, mit zwei Abstimmelementen ist Bandwechsel in wenigen Sekunden möglich.

Die „Schaltung“ (bei zwei wirksamen Bauteilen kann man kaum davon sprechen) stellt eine klassische Art der Antennenanpassung dar, die meist für Einbandlösungen beschrieben wird. Verwendet man einen Drehkondensator und eine variable Induktivität, können Langdrähte nahezu beliebiger Abmessungen betrieben werden.

Das Schaltungsprinzip sieht man in Abb. 1. So einfach die Schaltung ist, einige Grundüberlegungen zum Einsatz sind zum Verständnis notwendig, um in der Praxis Mißerfolge auszuschließen.

Es gibt zwei Anschlußpunkte, die den Impedanzen Z1 und Z2 entsprechen. Dabei ist Z1 (Low-Z) in der Regel der Transceiver mit einem 50Ohm-Ausgang, Z2 (High-Z) muß höher als Z1 sein und stellt die Antennenimpedanz dar. Im Gegensatz zur klassischen Bezeichnung heißt „Langdraht“ hier, daß die Antennenlängen größer als eine Viertelwellenlänge sein müssen. Bei Mehrbandbetrieb bezieht sich das natürlich auf das frequenzniedrigste Band. Logischerweise bedeutet das, daß ein Draht von 15m Länge für das 80m-Band kein Langdraht ist und damit eine Anpassung im Bereich „High-Z“ nicht möglich ist. Aber auch dafür bieten wir zwei Lösungen an: Der Schalter S2 kann den Abstimmdrehko wahlweise auch an den Eingang zum Transceiver legen, um bei niederohmigen Antennenimpedanzen eine Anpassung zu erreichen. Damit haben wir dann eine CL-Schaltung. Als Alternative können Zusatzspulen dienen, darauf kommen wir später noch zurück.

Um die Sache für den Praktiker anschaulicher zu machen, habe ich für einen konkreten Fall in Tabelle 1 die Anpassungsfälle (mit gerundeten Zahlen) einmal zusammengestellt.

Es handelt sich um einen 15.30m langen Draht, der vom Hausgiebel schräg nach unten in eine Grundstücksecke gespannt wurde. Als Erdnetz dient ein unter den Dachschrägen (zwischen Sparren und Wärmeisolierung) angebrachtes Geflecht aus verzinkten Stahlbändern, die beim Bau als Haltematerial für die bestückten Paletten verwendet werden. Der damit gebildete Sloper ist auf 30m und 40m voll DX-tauglich.

Zu beachten ist, daß die gemessenen Werte im Einzelfall abhängig sind vom Neigungswinkel eines Drahtes und dem konkret verwendeten Gegengewicht. Die Z-Werte wurden mit einem Meßgerät bestimmt (RF-Analyst RF-1 von Stabo). Nicht unmittelbar bekannt ist dabei, ob der Blindwiderstand durch einen induktiven oder kapazitiven Anteil zustandekommt.

Nur zur Erinnerung: Z ist jeweils der reelle Widerstand der Antenne zusammen mit einem induktiven (Antenne länger als ungeradzahlige Viertelwellenresonanz) oder einem kapazitiven Blindwiderstand (Antenne kürzer als ungeradzahlige Viertelwellenresonanz). Mit einem LC-Netzwerk lassen sich beide Fälle kompensieren, besonders gut im mittelohmigen Bereich. Übrig bleibt ein reeller Widerstand von Antenne und Anpassungsnetzwerk, in der Regel 50 Ohm.

Der in Tabelle 1 angegebene Impedanzwert Z von 380 Ohm für das 80m-Band entspricht, da unser Draht für diesen Fall ja zu kurz ist, einem kapazitiven Blindanteil, der durch eine Induktivität in Reihe mit der Antenne kompensiert werden muß. Wenn wir über diesen konkreten Fall etwas nachdenken, so ergibt sich, daß bei einem reellen Widerstand von ca. 40 Ohm (30 Ohm Strahlungswiderstand, 10 Ohm Verlustwiderstand) unser Z für den kapazitiven Blindanteil ungefähr 340 Ohm beträgt. Genau diesen müssen wir mit einer Induktivität in Reihe kompensieren. Kurzes Bemühen des Taschenrechners ergibt für 3,6 MHz bei 340 Ohm eine Induktivität von 15uH. Wählen wir den Wert etwas höher (20uH), so können wir mit dem LC-Match im gesamten 80m-Band jede Frequenz problemlos einstellen, da wir damit die Kombination Antenne + Spule wieder elektrisch verkürzen.

Wer sich verstärkt für die Theorie und die mathematischen Berechnungen der LC-Anpassung interessiert, sei auf [1] verwiesen. Nun sind aber Formeln zum Verständnis nicht nötig, es reichen ein paar Überlegungen und die Kenntnisse der Lizenzprüfung völlig aus. Wir müssen berücksichtigen, daß prinzipiell drei verschiedenen Fälle auftreten können.

1.  Fall: Wir liegen in der Nähe einer Resonanz von ¼ Lambda oder ungeradzahligen Vielfachen davon. Dann ergibt sich ein niederohmiger Einspeisepunkt (Strombauch). Dies ist hier so auf 20m, wo der Draht etwas kürzer ist als ¾ Lambda, es stellen sich 112 Ohm ein. Noch dichter an einem Strombauch liegen wir auf 12m, wo der Draht geringfügig kürzer als 5/4 Lambda ist. Der kleine kapazitive Blindanteil wird problemlos durch die Anpassungsschaltung weggestimmt.

Eine gute HF-Erde ist aber bei einem Strombauch unabdingbar, haben wir diese nicht zur Verfügung, sollten wir diesen Fall durch Längenänderung meiden.

2.  Fall: Mittelohmiger Bereich, dies ist der an sich klassische Einsatzfall für eine LC-Schaltung. Hier trifft dies auf 40m und 15m zu. Ein Erdnetz ist unkritisch; ein Weidezaun, das Auto oder ein Balkongeländer reichen in der Regel schon aus.

3.  Fall: Hochohmiger Impedanzpunkt in der Nähe eines Spannungsbauches (30m, 17m, 10m), der bei Längen von Lambda/2 oder Vielfachen davon auftritt.  Nachprüfbar ist dies bei 17m, wo wir fast Ganzwellenlänge haben und noch näher daran liegen wir bei 10m, wo der Draht etwa 1,5 Lambda lang ist. In diesem Fall ist die Spannung am Speisepunkt und damit auch am Abstimmdrehko am höchsten. Theoretisch benötigten wir kein echtes Gegengewicht, besser ist aber immer ein einfaches am Tuner endendes vorzusehen, sonst könnten wir am Mikrofon, bzw. Transceiver heiße Fingerspitzen bekommen.

Deutlich machen muß man sich, daß ein in Reihe liegender Verlustwiderstand durch ein nicht ideales Erdnetz (wo gibt es sowas schon!) um so stärker zum Tragen kommt, je niederohmiger der Fußpunktwiderstand der Antenne ist. Eine Viertelwellen-Marconi-Antenne mit einem Strahlungswiderstand von 38 Ohm hat bei 15 Ohm Erdverlusten natürlich (bei einem SWR von 1.0!) einen schlechteren Wirkungsgrad als ein Draht, bei dem die Antennenimpedanz im mittelohmigen Bereich bei 300 Ohm liegt und 15 Ohm gerade mal 5% Verlust bedeuten. Noch ungünstiger wird es, wenn die Antenne gegenüber dem Lamda/4-Fall sehr stark verkürzt ist, z.B. bei Mobilantennen.

Der Aufbau

Daß die Schaltung funktioniert, war nicht überraschend. Interessant war aber die Frage, welchen Plattenabstand der Abstimmdrehko haben muß. Dabei ist der ungünstigste Fall eines Auskoppelns im Spannungsbauch zu berücksichtigen.  Erstaunlich ist, daß ein normaler, billiger Rundfunkdrehko bei Hintereinanderschalten der Pakete für 100 Watt HF völlig ausreicht! Bei einer Kapazität von 500pF je Segment eines Doppeldrehkos bekommt man bei nun doppelter Spannungsfestigkeit einen wirksamen Abstimmbereich von 10-250pF.  Dies reicht für die Bänder 10-80m aus, auf 160m kann es problematisch sein und muß im Einzelfall getestet werden.

Allerdings muß die Montage dabei isoliert erfolgen, weil die Drehko-„Wanne“ HF-mäßig in der Luft hängt. Angeschlossen werden die beiden festen Statorpakete. Eines wird auf Masse gelegt, das andere stellt das „heiße“ Ende dar.

Also nehmen wir eine angezapfte Ringkernspule, die zusammen mit einem 12-poligen Schalter (S1) den Zweck genauso gut erfüllt. Bei geschickter Wahl der Anzapfpunkte haben wir zusammen mit dem Drehko genug Spielraum mit den Variationsmöglichkeiten. Zusammen mit zwei Koaxbuchsen werden L und C in ein metallisches Gehäuse eingebaut.

Der Schalter S2 ist nicht unbedingt nötig, man kann bei den oben beschriebenen Fällen, wo eine LC-Anpassung nicht möglich ist, Ein- und Ausgang manuell durch Umstecken vertauschen. Für schnellen Bandwechsel ist dies aber keine gute Lösung. Befindet sich S2 in der rechten (gezeichneten) Position, so haben wir die "High-Z"-Schaltung für Impedanzen >50Ohm. Dieser Fall trifft für Drahtlängen über Lambda/Viertel zu. In der linken Position befindet sich der Drehko am Eingang des Tuners. Jetzt haben wir die "Low-Z"-Anordnung für Drähte <50Ohm, also kürzer als eine Viertelwellenlänge (z.B. Mobilstrahler).

Aus Abb. 2 geht die gesamte Verdrahtung hervor, auf dem Foto (Abb. 3) sieht man die Lage der Bauelemente.

An der Rückseite sollte man eine Schraube mit Flügelmutter und eine blanke Bananenbuchse vorsehen. Dort, und nicht am Transceiver (!), wird die Masse angeklemmt.

Der Tuner wird über ein Koaxkabel und ein SWR-Meter mit dem Transceiver verbunden. Antenne und Erde werden direkt am Tuner angeschlossen (Abb. 5).

Bei Berücksichtigung der oben gemachten Ausführungen können Drähte unterschiedlicher Länge verwendet werden. Möglich sind eine vertikale Montage mit Hilfe einer Angelrute, eine L-förmige  oder nur horizontale Abspannung.  Als Gegengewicht klemmt man alles aus Metall an, was zu finden ist: Auto, Weidezäune, Maschendraht, Balkongitter, Dachrinnen, o.ä . Kann man sich solcher Hilfen nicht bedienen, müssen am Erdboden Drähte ausgelegt werden.

Dann stellt man den Drehko etwa auf ein Drittel der Kapazität und sucht mit kleiner Leistung (10-20 Watt) den Anzapfpunkt der Spule mit niedrigstem SWR.  Anschließend wird mit dem Drehko auf minimalen Rücklauf abgeglichen. Ist das SWR nicht 1.0, können wir es mit einem Anzapfpunkt davor oder dahinter noch einmal versuchen.

Da die Induktivität nicht stufenlos abgreifbar ist, kann es vorkommen, daß ein SWR von max. 1.5 verbleibt. Dies ist nicht nachteilig, verschiedene getestete Transceiver geben dabei noch die volle Leistung ab. Stört das und verwendet man Antennen konstanter Länge, kann man auch die angegebenen Anzapfpunkte an der Spule umlöten.

Problematischer ist der schon oben beschriebene Fall, daß sich der Eingangswiderstand der Antenne sehr niederohmig gestaltet. Man erkennt dies beim Abstimmen dadurch, daß der Drehko fast ganz oder ganz herausgedreht werden muß. Hier kann man in den meisten Fällen dadurch Abhilfe schaffen, daß mit S2 der Drehko auf den Transceiver-Eingang umgeschaltet wird.

Sinnvoll kann es sein, sich auf Plastikrohren einen Satz Zusatzinduktivitäten zu wickeln. Die Spule wird dann zwischen Tunerausgang und Antennendraht eingeschleift, wenn unser Draht kürzer als die schon diskutierte Viertelwellenlänge ist. Der schon oben beschriebene Fall trifft wohl meist für 80m zu, wenn man Drähte anpassen will, die kürzer als 20m sind. Diese Induktivitäten sollten aber bei Bandwechsel auf höhere Frequenzen wieder entfernt werden, da sich dort u.U. mit der Eigenkapazität Sperrkreiseffekte bemerkbar machen können. Vor Augen halten sollte man sich aber, daß dies nur eine Behelfslösung ist, weil alle Antennen < Lambda/4 in der Regel durch ihre Niederohmigkeit Verluste bringen.

Ein eingeschleiftes separates SWR-Meßgerät ist nicht unbedingt erforderlich.  Wenn der Transceiver eine SWR-Anzeige hat, kommt man mit nur zwei Abgleichpunkten an der Matchbox schnell zum Ziel. Beim ICOM-706 kann man recht gut die Balkenanzeige interpolieren, nach Erhöhen der Leistung auf 100 Watt wird noch einmal kontrolliert, bzw. der Drehko nachgestimmt. Hat man für eine Antenne und ein Band die Schalter- und Drehkostellung notiert, ist ein Bandwechsel mit voller Leistung und kurzem Nachstimmen in Sekunden erledigt.

Auf weitere Verwendungsmöglichkeiten der LC-Anpaßschaltung sei am Schluß noch hingewiesen: Ist der Antennenspeisepunkt vom Shack entfernt, können mit Relais die einmal festgelegten Spulenanzapfungen für Mehrbandbetrieb umgeschaltet werden. Der Drehko kann mit einem Motor fernabgestimmt werden. Soll die ganze Sache noch preiswerter und einfacher werden, schaltet man mit den Relais auch gleich Festkondensatoren um, deren Kapazität man vorher durch Ausmessen der jeweiligen Drehko-Werte bestimmt hat. Billiger kommt man kaum zu einer echten Multibandantenne.

Auch für „Antennengeschädigte“, die sich mit nahezu unsichtbaren dünnen Drähten behelfen müssen, ist das LC-Match die ideale Lösung. Mit einem endgespeisten, konspirativen 0.3mm-Stahldraht habe ich beim Urlaub in EA8 vom Balkon aus weltweit in Telegrafie gefunkt, wobei nach dem Motto „nur nicht auffallen“ keiner gemerkt hat, woher die mysteriösen Streifen im Fernsehbild hinter einem Breitband-Antennenverstärker kamen...

 Tabelle 2: Verwendete Bauteile

1 Drehschalter, 1x12 Stellungen (Reichelt, DM 2.25)

1 Kippumschalter, 1-polig (Reichelt ( DM 3.35)

2 Koax-Einlochbuchsen SO 239 SH (Reichelt,  a DM 1.05)