Magnetic Loop Antenne für 80-20m

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Die Vorgeschichte:

Ich bin erst seit November 2015 beim Amateurfunk, habe die Prüfung für die CEPT-Lizenzklasse 1 abgelegt. Mein QTH ist Innsbruck und ich habe wie vielleicht viele andere OMs und YLs das Problem, dass ich in einer Wohnanlage mit vielen Parteien lebe. Antennenbau ist deshalb an meinem QTH nicht ganz so einfach…
Speziell auf KW ist die Errichtung einer guten und leistungsfähigen Antenne besonders schwierig, denn es ist zwar ein ca. 10m langer Balkon vorhanden, leider kann ich aber keine Langdrahtantennen zum nächsten Baum spannen und auch keine Antennen am Dach errichten.
Zusätzlich ist die Wohnanlage ein klassischer Plattenbau mit den üblichen Stahlbetondecken, auch am Balkon. Obwohl zwischen Boden und Decke ca. 3m liegen, hat der Balkon ein ca. 1.5m hohes Eisengeländer, das zusätzlich dämpft. Erste Versuche mit einer am Balkon aufgehängten, endgespeisten Langdrahtantenne erbrachten kein gutes Ergebnis, sowohl empfangsseitig(QRM), als auch senderseitig (zu starke Dämpfung und schlechtes SWR).

Deshalb habe ich mich entschlossen, eine Magnetic Loop Antenne zu bauen, da die kommerziell erhältlichen Antennen doch empfindlich teuer sind und der Selbstbau mir Spaß macht.

Zunächst also zur Planung:

Die Magnetic Loop besteht aus einem Kupferrohr und einem Luft-Drehkondensator, der vom Innenbereich aus mit einem Steuergerät abstimmbar sein soll (Das erspart das manuelle Nachstimmen der schmalbandigen Antenne im Aussenbereich).

Laut meinen Berechnungen habe ich dafür folgende Teile gekauft:

Benötigte Bauteile:

  • 1 Stk. ca. 4,5-5m Kupferrohr, weichgeglüht, 1mm Wandstärke, 22mm Durchmesser, wird normalerweise mit ca. 25 Laufmetern als Rolle geliefert und von Installateuren benötigt, erhältlich im Metallhandel, Kosten ca. € 60-80,- (bei 5m)
  • 2 Stk. Luft-Drehkondensatoren, split 2 x 13-275 pf, 2,3 KV, ca. a € 58,-
  • 1 Stk. Luft-Drehkondensator, 4-50 pf, 5 KV ca. € 38,-
  • 2 Motoren mit Untersetzungsgetriebe zum Stellen der K. ca. a € 23,-
  • Motor-Steuerungsgerät zum Steuern der Motoren ca. € 54-
  • Steuerleitung vom Steuergerät bis zur Antenne

Alle obigen Komponenten sind bei http://schubert-gehaeuse.de erhältlich.

  • ca 1,70 m RG213 Koaxialkabel zum Speisen der Antenne
  • Kabelbinder und Rohrschellen zum Befestigen der Magnetic Loop
  • Holzstab, ca. 2,5m, Durchmesser 30-40 mm zum Befestigen der M.L.
  • Diverse Schrauben und ä.

Etwas Theorie:

Die Magnetic Loop erzeugt, anders als der Dipol, elektromagnetische Wellen, indem sie ein elektromagnetisches Feld durch Ihre magnetische Komponente erzeugt (Wie auch Ferrit und Rahmenantennen). Sie besteht im einfachsten Fall aus einer großen Windung eines guten elektrischen Leiter, also Kupfer oder Aluminium und bildet eine Spule. In Serie zur Spule befindet sich ein Kondensator, die Antenne wird damit zu einem Schwingkreis und ist sehr schmalbandig (sonst wäre sie sehr breitbandig!). Die Magnetic Loop wird hauptsächlich für Frequenzen bis 30 MHz eingesetzt.
Durch Ihre kleinen Abmessungen ist sie trotz ihres kleineren Wirkungsgrades im Vergleich zum Dipol für viele Antennen-geschädigte interessant.

Da die Magnetic Loop extrem schmalbandig ist, wirkt sie empfangsseitig wie ein guter Preselektor, liefert ein gutes Signal/Rauschverhältnis, und eignet sie sich auch als reine Empfangsantenne in Innenräumen, da die magnetischen Felder meist deutlich weniger gestört werden, als die elektrischen Felder (QRM). Wegen der stärkeren magnetischen Komponente reagiert eine Magnetic Loop weniger empfindlich auf Umgebungseinflüsse wie Mauern und Bäume. Der Umfang der Magnetic loop sollte kleiner als ¼ der minimalen Wellenlänge sein, sonst kann sie aufgrund der Eigenresonanz nicht mehr abgestimmt werden.
Durch diese Größenbegrenzung erreicht sie einen sehr niederen Strahlungswiderstand, dem man mit einem möglichst hohen Gütefaktor begegnen sollte. Durch den hohen Gütefaktor kommt es aufgrund der Resonanzüberhöhung zu hohen Strömen in der Spule und zu hohen Spannungen im Kondensator. Deshalb werden für die Spule meist möglichst dicke, runde Rohre aus Kupfer oder Aluminium mit möglichst großer Oberfläche verwendet, um dem Skin-Effekt entgegenzuwirken (für kleinere Leistungen werden auch die Außenleiter von Koaxialkabeln verwendet).

Die besten Ergebnisse liefert ein möglichst kurzer Leiter, der eine möglichst große Fläche umschließt, deshalb sind die meisten M. L. auch kreisförmig aufgebaut. Als Kondensator kommt meist ein Platten- oder Luftkondensator zum Einsatz, da am Kondensator oft Spannungen bis 5,5 KV und mehr anfallen. Auch Vakuum-Drehkondensatoren sind sehr gut geeignet, da sie eine sehr hohe Spannungsfestigkeit von teilweise 10-30 KV besitzen, leider sind diese aber sehr teuer. In jedem Fall muss aber der Kondensator abstimmbar sein, da die M. L. sehr schmalbandig ist und sonst nicht über ein ganzes Band abstimmbar wäre. Aus Gründen des Komforts werden hier meist kleine ferngesteuerte, Niederspannungs-Elektro- oder Stepper-Motoren und Untersetzungsgetriebe verwendet um eine Abstimmung vom Shack aus durchzuführen.
Bei der Konstruktion sollte man unbedingt auf möglichst niederohmige Kontaktstellen zwischen Kondensator und Spule achten, löten ist hier also besser als Schrauben.

Die Ein- und Auskopplung der HF kann mittels einer Koppelschleife aus Kupferlackdraht oder Koaxialkabel mit der Länge von ca. 1/4 - 1/5 der Länge der Magnetic-Loop, mittels Gamma-Match (Anzapfung an der Schleife beziehungsweise Spule) oder mittels eines Ringkernes mit einigen Windungen Kupferlackdraht, der direkt auf das Rohr gesteckt wird, erfolgen. Auch eine Kapazitive Einspeisung an der Mitte des Split-Konsensators ist schon erfolgreich getestet worden! Die Ein- und Auskopplung erfolgt dabei immer diametral zum Kondensator und sollte möglichst auf eine Impedanz von 50 Ohm eingestellt werden, um ein gutes SWR von 1- 1.3 zu erreichen.

Die M. L. liefert bei vertikaler Montage eine deutliche vertikale Polarisation und eine sehr relativ deutliche Richtwirkung, man muß die Antenne also ev. öfters ausrichten. Bei vertikaler Montage wird leider auch ein Teil der Sendeenergie in den Boden und senkrecht nach oben abgestrahlt.
Bei horizontaler Montage stellt sie einen Rundstrahler mit eher flacher Abstrahlung dar und kann auch gute DX-Verbindungen ermöglichen.

 

Berechnung der Bauteile:

Wie bereits erwähnt, sollte die Länge der Magnetic Loop (Umfang) möglicht kleiner als ¼ der kleinsten Wellenlänge sein, da die Spule der Magnetic Loop eine vom Rohrdurchmesser, vom Material und der Rohrlänge abhängige Eigenkapazität und Eigeninduktivität aufweist und somit auch eine Eigenresonanz. Das bedeutet, würde man den Kondensator weglassen und an den Enden einspeisen, wäre die M.L. zwar prinzipiell sehr breitbandig, würde aber auch eine Resonanz aufeisen. Es ergibt sich also eine maximal nutzbare Frequenz, die ohne Antennentuner nicht überschritten werden kann, ohne ein gutes SWR zu erreichen. Die Eigenkapazität der Spule lässt sich mittels Programmen berechnen. Daneben existiert aber auch noch die Schaltkapazität, die sich aus dem mechanischen Aufbau, speziell aus den Anschlüssen in und am Drehkondensator, aber auch aus der räumlichen Umgebung (Hauswände, Bäume, Erdboden…) ergibt.
Man kann dabei von ca 3-10pf ausgehen.
Cges. = Cdrehko + Cschalt. + Ceigen.
Bei der Berechnung des Drehkondensators muß man also auch diese Kapazitäten berücksichtigen!

Mit im Internet erhältlichen Berechnungsprogrammen, z.B. http://www.dl0hst.de/magnetlooprechner.htm können alle relevanten Daten der Magnetic loop leicht berechnet werden.
Beim Berechnen zeigt sich sehr schnell, dass der Wirkungsgrad vom Durchmesser und der Länge des Kupferrohres abhängt und die zu verwendenden Kondensatoren doch eine sehr große Spannungsfestigkeit haben sollten (Bei der Berechnung kam ich bei meinen Dimensionen auf über 5,2 KV), damit es zu keinen Überschlägen im Kondensator kommt, speziell bei höheren Sendeleistungen.
Bei der von mir errechneten Loop mit 22mm Kupferrohr, 1 mm Wandstärke mit einer Windung und einem Durchmesser von 1.50m = 4,712m Umfang ergeben sich bei 100 Watt Sendeleistung folgende Daten:
Eigeninduktivität der Rohres: 4,054 µH
Eigenkapazität des Rohres: 4,2 pf
Es ergibt sich also eine maximale theoretisch nutzbare Frequenz von 38,570 Mhz, konstruktionsbedingt ist aber vermutlich bei ca. 30 MHz Schluss.

Hier eine kurze Tabelle mit allen relevanten Daten:

80m (3,5-3,8 MHZ)
Kondensator: 428,5-505,8 pf, 3,0938 - 3,256 KV
Wirkungsgrad 2.094% - 2,835% = -15,47 bis -16,79 dBi
Bandbreite: 3,38 - 3,47 KHz
Güte Q=1035,22 - 1095,31

40m (7-7,2 MHZ)
Kondensator: 116,3 - 123,3 pf, 4,956 – 5,015 KV
Wirkungsgrad 22,29 % - 24,15% = -6,52dB bis -6,17 dBi
Bandbreite: 5,08 - 22,08 KHz
Güte: Q = 1377,52– 1371,33

30m (10,1-10,150 MHZ)
Kondensator: 56,4 – 57 pF, 5,263 - 5,267 KV
Wirkungsgrad: 52,41% - 52,85%, -2,77 bis 2,81 dBi
Bandbreite: 9,37 – 9,47 KHZ
Güte: Q = 1071,39 - 1078,18

20m (14-14,35MHZ)
Kondensator: 26,1 – 27,7 pF, 4,566 - 4,635KV
Wirkungsgrad: 78,06% - 79,52%, -1 bis -1,08 dBi
Bandbreite: 23,33 - 25,16 KHz
Güte: Q = 570,42 – 602,99

17m (18,068-18,168MHZ)
Kondensator: 14,7 – 14,9 pf, 3,851 - 3,864KV
Wirkungsgrad: 89,68 - 89,86% -0,46 bis 0,47 dBi
Bandbreite: 56,06 - 57,2 KHz
Güte: Q = 317,62 - 322,29

15m (21-21,45MHZ)
Kondensator: 9,4 - 10 pF, 2,377 - 3,321 KV
Wirkungsgrad: 93,58 - 93,98% , -0,27 bis – 0.29 dBi
Bandbreite: 98,06 - 102,26KHz
Güte: Q =201,86 – 214,16

10m (28-29,7MHZ)
Kondensator: Nicht mehr möglich, da Eigenkapazität des CU-Rohres !
Wirkungsgrad: 98,485 - 98,764 %, -0.066 bis -0,054 dBi
Bandbreite: 497,713 – 628,267 KHz

20160205_104029.jpg Ich verwende bei meinem Projekt 3 Luft-Drehkondensatoren, die als Bausatz geliefert werden. Die zwei größeren Split-Drehkondensatoren mit jeweils 2x 15-280 pf schalte ich intern in Serie (Achtung Kapazität halbiert sich, Spannungsfestigkeit verdoppelt sich aber !)(siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Variabler_KondensatorSchmetterlingskondensator) und extern parallel, sodass sich ein Doppelsplitdrehkondensator mit einem Abstimmbereich von wieder ca. 15-280 pf und eine Spannungsfestigkeit von 5 KV ergibt.
Den kleineren Drehkondensator mit 4-50pf habe ich ebenfalls als Splitkondensator umbebaut (Kapazität halbiert sich!) und zum grösseren parallel geschaltet um eine noch exaktere Abstimmung zu ermöglichen. 20160205_104216.jpg
20160205_132232.jpg Insgesamt ergibt sich also eine Gesamtkapazität von 17-305pf bei ca. 5 KV. Spannungsfestigkeit. Der große Kondensator hat fertig gebaut und justiert die Maße von ca. 9 x 8 x 29,5 cm, der kleine ca. 9 x 8 x 7,5 cm. Die Achsen der beiden großen Kondensatoren sowie die des kleinen werden jeweils durch einen Elektromotor mit Untersetzungsgetriebe vom Shack aus ferngesteuert. Somit erzielt man eine komfortable Grob- und Feinabstimmung.
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Die beiden Drehkondensatoren Das Gerät zum Abstimmen
20160206_183745.jpg Die eigentliche Loop habe ich aus 4,6m 22mm weichem Kupferrohr mit einer Wandstärke von 1mm gebogen, die beiden Enden sind direkt mit dem Kondensator (siehe oben) verbunden.
Als Einspeisung verwende ich ein handelsübliches RG 213 Koaxialkabel mit ca. 1/5 Durchmesser der Loop. Am Ende ist der Innenleiter mit dem aüsseren Schirmgeflecht verbunden. 20160304_175002.jpg

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Der Kondensator an der Loop...

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Um auch das 8om band nützen zu können, habe ich mir einen Kondensator mit 400 pf aus 4m Koaxialkabel (RG 213) gemacht, die Innenleiter und Aussenleiter sind jeweils mit einer großen Krokodilklemme verbunden und können direkt auf die Loop geklemmt werden!

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