Antennentuner
Rollspule oder Schaltbare Spule?

Spulen und ihre Vor- und Nachteile

Die Spule ist das Bauteil eines Antennentuners, welches immer den größten Verlustanteil einbringt! Um die Induktivität in weiten Grenzen variabel zu gestalten, gibt es mindestens drei Möglichkeiten: Eine sog. Luft- oder Stegspule oder Ringkernspule mit schaltbaren Abgriffen ist die einfachste und kostengünstigste Lösung. Damit der Frequenz- und Anpassungsbereich keine Lücken aufweisen, müssen möglichst viele Abgriffe vorhanden sein. Geräte mit nur einem Abgriff pro Band bieten lediglich einen eingeschränkten Arbeitsbereich.

Die Rollspule hat den Vorteil, dass ihre Induktivität kontinuierlich einstellbar ist, was einen durchgehenden Abstimmbereich des Antennentuners gewährleistet. Aber Rollspulen haben auch Nachteile! Der Abnehmerkontakt – die mitlaufende Rolle – kann, je nach Qualität der mechanischen Ausführung, bei schlechtem Kontakt Verluste durch einen zu großen Übergangswiderstand in die Schaltung einbringen. Im Extremfall ändert sich der Übergangswiderstand auch fortwährend beim Durchdrehen der Rollspule, sodass sich die SWV-Anzeige beim Einstellen oft sprunghaft verändert. Vor solchen Exemplaren kann man nur warnen! Hochwertige Rollspulen sind leider kostspielige Bauteile.

Einen gemeinsamen Nachteil haben sowohl Rollspulen als auch Luft- oder Ringkernspulen gemeinsam: Die nicht benutzten Spulenabschnitte müssen entweder kurzgeschlossen oder freigeschaltet werden. Bei Rollspulen ohnehin, aber auch bei Zylinder- und Ringkernspulen kommt fast ausschließlich die zuerst genannte Methode zur Anwendung: Gängige Praxis ist, der nicht benutzte Spulenabschnitt wird kurz geschlossen. Die kurzgeschlossenen Windungen bilden jedoch mit den Windungen des „aktiven“ Abschnitts der Spule einen Spartransformator, dessen nicht benutzter Spulenabschnitt kurzgeschlossen ist. Ein nicht unerheblicher Anteil der Leistung kann im kurzgeschlossenen Abschnitt verloren gehen. Lässt man die nicht benutzten Windungen offen und „elektrisch sozusagen in der Luft hängen“, können sich zusammen mit den Schaltungskapazitäten, unerwünschte Resonanzen bilden.

Streufeld und Verluste in Antennentunern:
Die Vorteile von Ringkernspulen

Ein weiteres Problem entsteht durch das Streufeld jeglicher Zylinder- und Rollspulen. Insbesondere zu kleine Gehäuse aus Stahlblech verursachen Wirbelstromverluste. In der Angebotspalette kommerziell gefertigter Antennentunern findet man leider einige Exemplare, bei denen eine Zylinder- oder Rollspule mit nur 1 bis 2 cm Abstand zwischen zwei Gehäuseschalen aus Stahlblech eingezwängt wurde. Einige Minuten Dauerträger mit 100 W Sendeleistung, und man kann an der erwärmten Stelle im Gehäusedeckel mit der Hand von außen fühlen, wo im Gerät die Spule montiert ist. Möglichst kompakte Bauweise und andererseits geringe Verluste sind also zwei Anforderungen, die einander ausschließen.

Hinsichtlich dieser Problematik sind Ringkernspulen eindeutig im Vorteil, da sie weitestgehend kein Streufeld verursachen. In kompakten Geräten für den Portabelbetrieb werden sie deshalb auch überwiegend eingesetzt. Allerdings sind beim Einsatz von Ringkernspulen andere Kriterien zu beachten. Das Ringkernmaterial muss für den Frequenzbereich geeignet und die Ringkerngröße für die maximale Leistung dimensioniert sein, damit der Ringkern nicht in die Sättigung geht. Deshalb sind nur große Eisenpulverringkerne geeignet.

Drehkondensatoren und Schalter:
Was ist zu beachten?

Des Weiteren sollte man auf die mechanische Ausführung und die Qualität der Drehkondensatoren achten. In einfacheren preiswerten Antennentunern sind oft nur einseitig gelagerte Drehkondensatoren verbaut, die eher die Bezeichnung Trimmerkondensatoren verdienen. Bei diesen Exemplaren ist die Kontaktabnahme zum Rotor meistens nur primitiv ausgeführt. Bessere Ausführungen richtiger Drehkondensatoren haben eine zweiseitig gelagerte Rotorachse mit Kugellagern und keramischen Deckplatten. Ein kritischer Punkt, wie schon erwähnt, ist stets die Kontaktabnahme am Rotor. Hier sind das Material, der Andruck und die Größe der Kontaktfläche entscheidend. Der Plattenabstand bestimmt die Spannungsfestigkeit und damit die maximale Leistungsbelastbarkeit des Tuners.

Mit einem Split-Stator-Drehkondensator kann man die Kontaktabnahme vom Rotor gänzlich vermeiden. Wird dieser Drehkondensator isoliert auf dem Gerätechassis aufgebaut, bildet der Rotor mit den beiden getrennten Statorpaketen eine variable Serienschaltung, wobei sich die Spannungsfestigkeit verdoppelt, aber die resultierende Gesamtkapazität sich leider halbiert. Für den Einsatz im unteren Kurzwellenbereich, hier insbesondere 160 m, kann es schwierig werden, genügend Kapazität aufzubringen, da es kaum derartige Drehkondensatoren mit entsprechend großen Kapazitätswerten gibt. Selbst bei einem Exemplar mit 2 × 500 pF bleiben nur 250 pF Gesamtkapazität übrig.

Bei Bandwahlschaltern für Spulenabgriffe und andere Umschaltfunktionen im HF-Leistungsbereich sind keramische Ausführungen immer die 1. Wahl. Das Umschalten unter Last sollte man grundsätzlich vermeiden, da es selbst beim besten Schalter immer die Kontakte, bis zum völligen Ausfall in Mitleidenschaft zieht.

Symmetrische Antennenausgänge und deren Herausforderungen in Antennentunern

Ein heikles Thema ist die nachträgliche Symmetrierung am antennenseitigen Ausgang mit einem 1:4-Balun oder einem „1:1-Balunübertrager für unbestimmte Resonanzen“. In vielen von der Schaltung her unsymmetrischen Antennentunern wird diese Methode angewandt, um zusätzlich und mit minimalem Aufwand das Feature eines „symmetrischen Ausgangs“ für den Betrieb per Zweidrahtleitung gespeister Antennen bereitzustellen. Eine weitere, aber noch ungünstigere Option ist der über ein Koaxialkabel größerer Länge abgesetzte Betrieb eines derartigen Symmetrierübertragers, outdoor außerhalb der Station. Ist die Zweidrahtleitung an ihrem unteren zufällig weitgehend nieder- oder mittelohmig und mit geringen oder keinen Blindanteilen beaufschlagt, kann das recht zuverlässig funktionieren. Spannungsspeisung und hohe Blindanteile lassen sich damit jedoch nicht bewältigen. Und dass am Übertrager hohe Blindanteile auftreten, dürfte überwiegend der Fall sein. Für diesen Betriebszustand ist ein Balun-Übertrager jedoch gar nicht ausgelegt.

Übrigens greift man letztlich aus Kostengründen auf ein Übersetzungsverhältnis von 1:4 zurück, weil die Fertigung dann mit einer einfachen bifilaren Bewicklung möglich ist. Ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 würde den gleichen Zweck erfüllen, da es nur um die Symmetrierung geht. Das Übersetzungsverhältnis ist eigentlich nebensächlich, da sich ohnehin über den gesamten infrage kommenden Frequenzbereich, an unterschiedlichen Antennen und Zweidrahtleitungslängen sich fortlaufend ändernde Impedanzen einstellen. Da ist es sinnvoller, das Ganze mit einem sogenannten „Balun für unbestimmte Impedanzen“ 1:1 durchzureichen.

Herausforderungen der Zwangssymmetrierung mit Mantelwellensperre in Antennentunern

Auch die Zwangssymmetrierung eines unsymmetrischen Tuners durch eine am senderseitigen Eingang eingefügte Mantelwellensperre ist kritisch zu sehen. Diese Maßnahme führt zwar zu einer symmetrischen Speisung der Speiseleitung und der Antenne, aber die Leistungsbilanz sieht spätestens an verkürzten Dipolen ernüchternd aus.

Hochgelegter unsymmetrischer Antennenkoppler mit Mantelwellendrossel (MWD) am senderseitigen Eingang,
TX, CMC, AK, Ant

unsymmetrischer Antennenkoppler mit Mantelwellendrossel (MWD) am senderseitigen Eingang und 1:4-Balun am antennenseitigen Ausgang,
TX, CMC, AK, Ant

Symmetrierung am senderseitigen Eingang eines symmetrisch aufgebauten Antennenkopplers,
TX, CMC, AK, Ant

Durch die Mantelwellensperre wird zwar das Symptom „Mantelwellen“ beseitigt, indem die Sperre die fehlgeleitete Energie im Ferritmaterial spürbar in Wärme umsetzt. Dieser Leistungsanteil steht somit weiterhin nicht für eine Abstrahlung zu Verfügung. Lediglich die lästigen Folgen wie „heiße Masse“, Einstrahlungen und Störungen der eigenen Elektronik usw. lassen sich damit gut beheben. Außerdem stört bei einem manuell bedienbarem Antennentuner das dann hoch liegende „heiße“ HF führende Gehäuse und die Handempfindlichkeit bei der Bedienung. Eigentlich kommt dieses Verfahren nur für isoliert aufgebaute, automatische Antennentuner infrage. Wobei dabei zu beachten ist, dass ebenfalls die Betriebsspannungs- und Steuerleitung in die Mantelwellensperre einbezogen werden müssen.

Das Nonplusultra für symmetrisch gespeiste Antennen ist immer ein echter, symmetrischer Antennentuner, bei dem die Symmetrierung am senderseitigen Eingang des Tuners durch einen echten Balunübertrager oder eine Mantelwellensperre hergestellt wird. Damit sind die Verhältnisse jedenfalls eindeutig. Insbesondere bei verkürzten Antennen und auf den Lowbands 80 m und 160 m muss diese Mantelwellensperre eine möglichst hohe Sperrdämpfung besitzen!

Optimale Bedienung: Tipps für die richtige Einstellung Ihres Antennentuners

Zum Abschluss noch ein paar Betrachtungen zur korrekten manuellen Bedienung und Einstellung von Antennentunern. Immer wieder ist zu beobachten, dass die Bedienelemente eines Antennentuners blind und planlos herumgedreht werden und dabei nach langen Abstimmversuchen das Ergebnis „Geht nicht“ herauskommt. Es ist absolut nicht zielführend, wenn man hastig und unsystematisch an den Bedienelementen von Rollspule und Drehkondensatoren herumdreht. Das Auffinden der korrekten Abstimmung eines Antennentuners sollte man nicht dem Zufall überlassen. Im Idealfall sollte man verstehen, was im Gerät vor sich geht und welche Folgen es hat, wenn sich die Kapazitätswerte und Induktivitätsmessung vergrößert oder verkleinert werden.

Eine grobe Voreinstellung ist bereits empfangsmäßig möglich, indem man beide Drehkondensatoren auf einen mittleren Wert stellt und mit der Roll- oder Schaltspule auf ein maximales Empfangssignal, genauer gesagt auf ein maximales Empfängerrauschen stellt. Diese Grundeinstellung bietet eine gute Ausgangsbasis, um sich unter Beobachtung der SWV-Tendenz an die optimale Einstellung heranzutasten.

Haben wir z. B. die Kapazität des senderseitigen Drehkondensators vergrößert, so muss die Kapazität des antennenseitigen Drehkondensators um den gleichen Betrag reduziert werden oder das Ganze umgekehrt. Oder anders und einfacher ausgedrückt: Drehen wir den einen Drehknopf nach links, müssen wir den anderen nach rechts drehen. Die Bedienung der beiden Drehkondensatoren erfolgt also immer wechselseitig in jeweils entgegengesetzter Richtung. Wird der eine Knopf nach links gedreht, muss der andere nach rechts gedreht werden und umgekehrt.

Ebenso verhält es sich mit der Induktivität. Vergrößern wir die Induktivität, müssen die Kapazitäten der Drehkondensatoren reduziert werden – oder umgekehrt.

Schnell wird man dabei feststellen, dass sich mit recht unterschiedlichen Einstellungen ein gutes SWV einstellen lässt. Die optimale Einstellung mit den geringsten Verlusten im Koppler ist immer diejenige mit der kleinsten notwendigen Induktivität – also diejenige mit so wenig Spulenwindungen wie möglich.

Tipp: Beim Abstimmvorgang immer von der Anfangsinduktivität nach oben drehen. Die erstmalige Einstellung, mit der ein SWV von 1,0 erreicht werden kann, ist immer diejenige mit dem geringst erforderlichen Induktivitätswert und somit den geringsten Verlusten – also die optimale.

Automatische Antennentuner: Die Zukunft des Abstimmens

Bei Automatikkopplern kommen überwiegend unsymmetrische Pi-Filter, genauer gesagt symmetrisch aufgebaute Pi-Filter in Tiefpass-Konfiguration zum Einsatz. Bei ihnen sind Spulen und Kondensatoren in viele feste, binär gestaffelte Einzelwerte aufgeteilt und in Reihe, beziehungsweise parallel geschaltet. Dazu sind jeweils alle Einzelspulen in Reihe und die Kondensatoren parallel geschaltet. Zu jeder Spule liegt ein Relaiskontakt parallel und zu jedem Kondensator ein Relaiskontakt in Reihe. Durch Öffnen und Schließen der Relaiskontakte kann jeder Einzelwert hinzu oder weggeschaltet werden. Somit lassen sich im Rahmen der binär gestaffelten Werte in kleinen Abstufungen beliebige Werte zwischen minimaler und maximaler Induktivität und Kapazität darstellen. Die Ansteuerung der Relais übernimmt ein Mikrocontroller, der das eingangsseitige SWV auswertet.

Automatische Antennentuner sind beliebt und weitverbreitet, denn der Abstimmvorgang läuft automatisch in kürzester Zeit ab, und die einmalig gefundenen Abstimmwerte werden abgespeichert und sind aus dem Speicher heraus jederzeit reproduzierbar. Als unsymmetrische „Koaxkoppler“ werden sie am Stationsseitigen Ende eingesetzt und sind wie die direkt in die Transceiver integrierten Automatiktuner dazu gedacht, den Arbeitsbereich einer resonanten Koaxialkabel-gespeisten Antenne bis zu den SWV-Eckpunkten von etwa s = 3,0 zu erweitern.

Automatische Antennentuner in wetterfesten Gehäusen mit unsymmetrischem Anschluss sind für endgespeiste Draht- oder Vertikalantennen nahezu beliebiger Länge konzipiert. Diese Automatiktuner müssen außerhalb der Station outdoor direkt am Speisepunkt der Antennen platziert werden. Damit lässt sich so manches elektrische und räumliche Antennenproblem lösen.

Die HF gelangt mit dem Koaxialkabel strahlungsfrei bis zum Speisepunkt der Antenne. Nur eines kann auch hier zum Problem werden: Ohne eine wirklich gute HF-Erdung kann auch ein Automatikkoppler „seinen Job“ lediglich mehr schlecht als recht oder sogar gar nicht machen. Eine gute HF-Erde ist leider nicht immer dort vorhanden, wo der Koppler seinen Platz findet. Die eigentliche Erdung beginnt erst an der Erdoberfläche und jede Erdleitung vom Koppler bis zu diesem Punkt wirkt selbst wie ein Teil der Antenne. Sie strahlt und bringt Verluste.

Ferner sollte man beim Einsatz von automatischen Antennentunern noch Folgendes im Hinterkopf haben: Was am Speisepunkt wirklich los ist, bleibt oftmals im Verborgenen. Wenn keine Anzeige in einem Display über die Einstellwerte Auskunft gibt, entgeht einem eine Veränderung am Speisepunkt, wenn z. B. der Übergangswiderstand am Anschluss durch Korrosion gestiegen oder Wasser in Balun oder Koaxialkabel eingedrungen ist. Der Koppler stellt sich auf die geänderten Verhältnisse ein und passt mit geänderten Einstellwerten erneut an und streikt schlimmstenfalls erst dann, wenn die Antenne heruntergefallen ist.

Unsymmetrische Automatiktuner in den Varianten für koaxgespeiste Antennen und endgespeiste Drahtantennen, gibt es inzwischen von zahlreichen Herstellern „wie Sand am Meer“. Unter den wenigen voll symmetrischen Automatikkopplern für den Anschluss von Zweidrahtleitungen ist die Auswahl nicht so groß. Diese Koppler sind ausnahmslos in witterungsgeschützten Gehäusen untergebracht und für die Außenmontage gedacht. Hier gibt es vollautomatische Koppler, welche den Abstimmvorgang selbsttätig starten und ausführen – und solche mit einem externen Steuergerät, an dem die Einstellwerte manuell angewählt und nach Erreichen der optimalen Einstellung abgespeichert werden können. Auch Funkamateure haben in Eigenentwicklung ferngesteuerte symmetrische Antennentuner entworfen, die als Platinenbausatz angeboten werden.

Mechanisch und finanziell aufwendiger ist der Einsatz von motorbetriebenen Abstimmelementen, also Rollspulen und Drehkondensatoren. Diese Methode wird in einigen wenigen High-End-Geräten eingesetzt.

Zusätzliche Vorselektion und Oberwellenunterdrückung

Zum Abschluss sollten noch zwei weitere positive Aspekte eines Antennentuners nicht unerwähnt bleiben. Ein Pi-Filter und ein LC-Tiefpass-L-Glied bieten eine zusätzliche Oberwellenunterdrückung. Das spielt jedoch bei aktuellen, kommerziell gefertigten Amateurfunktransceivern eigentlich keine große Rolle mehr, da die geforderten Werte der Oberwellenunterdrückung bereits von den Geräten übertroffen werden. Lediglich bei Selbstbaugeräten dürfte die zusätzliche Oberwellenunterdrückung hilfreich sein.

Empfangsseitig sorgt ein Antennentuner für eine zusätzliche Vorselektion, indem je nach Schaltungstyp die Frequenzen oberhalb oder unterhalb der Empfangsfrequenz bedämpft werden.

Eigentlich bräuchte man dem Stehwellenverhältnis (SWV) gar nicht so viel Beachtung zu schenken: Selbst bei einem SWV von s = 3,0 gehen erst 1,25 dB der Leistung verloren, bei S = 2,0 sind es nur 0,5 dB. Beides hört am anderen Ende der Übertragungsstrecke niemand! Allerdings beginnen die meisten modernen Transceiver bereits bei etwa s = 1,5 spätestens aber bei s = 2,0 die Leistung herunterzuregeln. Wenn man dann z. B. nur noch mit 20 W anstatt mit 100 W sendet, ist das sehr wohl mit einem Minus von gut einer S-Stufe zu merken.
Deswegen strebt man dennoch ein perfektionistisches SWV von s ≤ 1,5 und weniger an.

Quelle: https://www.wimo.com