Antennentechnik

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Bei VHF-/UHF-Handfunkgeräten, dieüber einen zusätzlichen Empfangsbereichzwischen 100 kHz und 30 MHz verfügen,lässt sich dieser in der Regel kaum nutzen.Wenn überhaupt, empfängt man zumeist

nur einige starke Rundfunksender, da we-der Antenne noch Eingangsverstärker fürdiesen Frequenzbereich ausgelegt sind.Für viele preisgünstige Scanner trifft die-ses ebenfalls zu. Die Idee zu einer speziellen Aktivantennefür diese Geräte hatte ich schon vor länge-rer Zeit. Wie man in [1] nachlesen kann,entstand damals auch eine interessanteMobilversion. Sie enthält, ebenso wie diestationäre Version [2], eine Umschaltungzwischen VHF-/UHF-Funkbetrieb und

Empfang mit Aktivantenne im Lang-,Mittel- und Kurzwellenbereich. Der dafür erforderliche Verstärker lässtsich in einem Weißblechkästchen von nur37 mm × 37 mm × 17 mm unterbringen .Er wiegt einschließlich Batterie nur 54 g.Eine handelsübliche Duobandantenne miteiner Länge von 35 cm ist für den breit-bandigen Empfang gut geeignet. In [1] hatte ich seinerzeit auch eine porta-ble Aktivantennen-Version vorgestellt, dieauf sparsamsten Stromverbrauch getrimmtwar, sodass sie mit der vom Handfunkge-rät zur Verfügung gestellten 3,5-V-Speise -spannung auskommt. Sie stieß auf überra-schend großes Interesse. Ich nahm das alsAnsporn, diese HF-technisch schwierigerzu konstruierende Version weiter zu opti-mieren und sie gleichzeitig universellerund einfacher zu gestalten. Das Ergebnismöchte ich im Folgenden vorstellen.

■ Neue Schaltung für kleine Betriebsspannung

Alle früheren Versionen gingen von der-selben bewährten Prinzipschaltung aus,welche jedoch bei 3,5 V und einer Strom-aufnahme von 4 mA noch kein so gutesGroßsignalverhalten zeigen kann. Deshalbentwickelte ich eine neue, konsequent fürniedrige Betriebsspannungen optimierteSchaltung. Der Antennenverstärker (Bild 1) enthältjetzt eine eigene 3-V-Lithiumbatterie. Mankann wie in [1] auch weiterhin die ur-sprünglich zur Speisung des Mikrofonsbestimmte Spannung aus dem Handfunk-gerät nutzen. Wie die gemessene U-I-Kenn-linie dieser Spannungsquelle am Beispieldes TH-F7 zeigt, lässt sich der benötigteBetriebsstrom von 8,5 mA problemlosdem Funkgerät entnehmen (Bild 2). Beieiner solchen Fremdspeisung nutzt manden freien Batterieplatz am besten zumEinbau eines zusätzlichen Elektrolytkon-densators ≥1000 μF als weitere Siebmaß-nahme. Im Bild 2 ist auch das bessere Intermodu-lationsverhalten der neuen Schaltung er-kennbar. Zum Vergleich: Eine stationäreAktivantenne wie in [2] erreicht einen

Eingangs-IP3 von 31 dBm, benötigt dafüraber eine Betriebsspannung von 12 V beieiner Stromaufnahme von 50 mA. Noch wichtiger erschien mir, den Eigen-rauschpegel soweit wie möglich abzusen-ken, denn portable Stabantennen sind ver-gleichsweise kurz und liefern entspre-chend geringe Signalspannungen. Bei kleinen Betriebsspannungen wird esvor allem für den Eingangs-FET VT1 eng(Bild 3). Ihm sollte zwecks guter Linea-rität die volle Gleichspannung zur Verfü-gung stehen. In diesem Fall benötigt manals Arbeitswiderstand eine breitbandigeDrossel, die im gesamten Arbeitsfrequenz-bereich zwischen 20 kHz und 60 MHz kei-ne Eigenresonanzstelle aufweisen darf.Als platzsparende und technisch gute Lö-sung bot sich ein Übertrager mit einemDoppellochkern aus hochpermeablemFerrit mit wenigen Windungen an. Die bi-filare Wicklung, bestehend aus zwei ver-drillten Drähten, ergibt einen Autotrans-formator, mit dem sich in der ersten Stufeeine Spannungsverstärkung von 6 dB er-zielen lässt, ohne deren Aussteuerbereichzu schmälern. Verlockend daran ist, dassallein die niedrige Rauschspannung deseingesetzten modernen JFET in Höhe von1,5 nV/√Hz für das Rauschen der gesam-ten Schaltung ausschlaggebend ist. Erst imLangwellenbereich käme mit abnehmen-der Frequenz mehr und mehr das Rau-schen des Gate-Ableitwiderstandes R1 zurGeltung. Dieses wird aber in der Praxisdurch das viel stärkere atmosphärischeRauschen überdeckt.

Die Schutzdiode VD1 am Gate-Anschlussvon VT1 ist nicht mit Masse, sondern mitSource verbunden. Dieser Schaltungstricknennt sich bootstrapping und bewirkt,dass die Eigenkapazität der Diode am Ein-gang auf weniger als ein Zehntel verklei-nert erscheint. Dasselbe gilt für die Gate-Source-Kapazität CGS von VT1, deren Be-

Optimierte Aktivantenne für PortabelbetriebJO BECKER – DJ8IL

Der Empfangsbereich vieler VHF-/UHF-Handfunkgeräte umfasst auch denLang-, Mittel- und Kurzwellenbereich. Leider lässt hier die Empfindlichkeitin der Regel zu wünschen übrig. Auch die Nutzer von Scannern werdendieses Problem kennen. Eine Aktivantenne kann die Situation spürbarverbessern. Im Beitrag wird der Selbstbau eines erprobten und optimier -ten Verstärkers einer solchen Aktivantenne beschrieben.

Bild 1: Aufgesteckte Aktivantenne für denBreitbandempfang mittels Handfunkgerät

Bild 2: Vergleich von Stromverbrauch undIntermodulationsverhalten der alten [1] undneuen Version (blau bzw. rot); die Mess-schaltung ist in Bild 8 zu sehen.

2

TH-F7

IP3 in

IP3 in Is

Is

Is[mA]

IP3[dBm]

2,5 3 3,5 4 54,5 623456789

1011121314

17

234567891011121314

17

US/V

Antennentechnik

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trag den größten Teil der Eingangskapa-zität ausmacht. So hält sich die unvermeid-liche kapazitive HF-Spannungsteilung amEingang in Grenzen. Weitere Schutzmaß-nahmen gegen statische Entladungen sindbei der Portabel-Version nicht zu empfeh-len, da jedes zusätzlich Pikofarad die ver-fügbare Signalspannung verringert. Auchnach sechs Jahren intensiver Nutzung hatdie Schaltung noch keinen Schaden ge-nommen. Einen wirksamen zusätzlichenSchutz kann jedoch ein isolierter Anten-nenstab oder -draht bieten. Als Ausgangsstufe wurde ein rauscharmerTransistor gewählt, der als Emitterfolgerarbeitet. Sein Basisspannungsteiler ist aufeine möglichst geringe Belastung des FETausgelegt und hinsichtlich eines maxima-len IP3 der Gesamtschaltung bei einer Be-triebsspannung von 3 V optimiert. DerWiderstand R4 unmittelbar am Basisan-schluss glättet den Frequenzgang und ver-hindert Schwingneigung im UHF-Be-reich. Die preiswerte Lithium-Fotobatterie CR2ermöglicht etwa 80 h Betriebszeit, ausrei-chend für einen langen Urlaub. Im Bild 4sehen wir den Vergleich ihrer Entlade-kennlinie mit der Kennlinie der größtenverfügbaren Knopfzelle vom Typ CR2450.

P bedeutet eine Erholungspause von je-weils mehreren Stunden. Knopfzellen sindfür diesen Einsatzzweck offensichtlich un-geeignet, trotz etwa gleich großer Nenn-kapazität. Der Batteriebetrieb wird von der LED sig-nalisiert; sie hilft auch, das Ausschaltennicht zu vergessen. Bei einer Batterie-spannung unterhalb von 2,7 V leuchtet sienicht mehr und macht uns auf diese Weiseauf einen demnächst fälligen Batterie-wechsel aufmerksam.

■ Aufbau und EinsatzDie Aktivantenne liefert wesentlich höhe-re Signalpegel als eine ggf. im Handfunk-gerät oder Scanner eingebaute Ferritanten-ne oder ein paar Meter Draht. Im 40-m-Band bedeutet das oft den Unterschiedzwischen gut und gar nicht hörbar. In Verbindung mit Handfunkgeräten wiedem TH-F7 empfiehlt sich eine übliche 35 cm lange Duobandantenne für das 2-m-

und das 70-cm-Band; für einen Scanner istder Einsatz eines mindestens 30 cm langenMessingstabes mit einem Durchmesser von1,5 mm schon eine brauchbare Lösung. Der mechanische Aufbau des Verstärkersund die erforderliche Bearbeitung desWeißblechgehäuses sind aus Bild 5 er-sichtlich. Ich empfehle die Verwendung von preis-werten SMA-Buchsen mit Zentralbefesti-gung. Im Bild 5 ist unten zwar ein platz-sparender SMA-Stecker mit Vierkant-flansch angedeutet, dieser ist aber teurer,als eine Buchse mit SMA-Doppelstecker-Adapter (Bild 1). Man kann auch BNC-Steckverbinder vorsehen. Die Bohrungenmüssten dann erweitert und die Deckel-ränder passend ausgefeilt werden. Mithilfe von SMA-Adaptern auf andereNormen lassen sich die Einsatzmöglich-keiten der kleinen Baugruppe erweitern.

Bild 4: Vergleich der Entladekennlinien derFotobatterie CR2 und der Knopfzelle CR2450

0

CR2 Ri statisch ≈ 2 (1…3 )

10

Ω

Ω

Ω

P

P PP

P

Lastwiderstand: 300

20 30 40 60 7050 902,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

3,0

3,1

tan/h

US/V

CR2450 Ri statisch ≈ 20 (13…27 )

ΩΩ

VT1BF861A

R21,5k

R356k

2…6,5mA

R12,2M

T1

R475

3mA

VT2BFQ29P

VD1BAS16

R5680

C447n

+2,5…6V

1,2mA

R618k1%

R75,6k1%

R81,2k

R93,3k

VT3BC850C

3VLiX1

LED

S1Antenne

X2

Bild 3: Schaltplan des Verstärkers; der rot gezeichnete Teil kann entfallen, wenn dieStromversorgung ausschließlich aus dem angeschlossenen Funkgerät erfolgt.

LiCR2

7,5

7,515

5

16,86,9

6,3

16,3

Ø5

Ø3

Ø2(in beidenDeckeln)

Ø6,3

Ø6

6,4

≥350mmlang z.B.

2-m-/70-cm-Antenne

Bild 5: Bearbeitungs- und Montageskizze für den Verstärkerder Aktivantenne

C2R5

R1VT1VD1A1A2 Tr1E1E2R2

R6 R5 C5C4

VT3R7

Drahtzum

Schalter

Bild 6:Bestückungs-plan der Ober-und Unterseiteder Verstärker-

platine (oben: Kontakt-

plättchen fürden Pluspol der

Batterie)

C3

R3

C1

R4

R9

R8VT2

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Die Platine wird auf beiden Seiten be-stückt − übrigens eine gute Übung zumEinstieg in die SMD-Technik (Bild 7). Da-nach ist sie direkt an die beiden SMA-Buchsen, den Kippschalter und rechts ne-ben die Buchsen an die Gehäusewand zulöten. Gute Lötergebnisse am Weißblecherhält man mit 450 °C Kolbentemperatur

bereits nach wenige Sekunden Lötzeit. Eineinziger kurzer Draht führt vom Kontakt-plättchen für den Batterie-Pluspol zumKippschalter. Lötbare Spiralfedern zurKontaktierung des Minuspols lassen sichaus Batteriehaltern gewinnen.

� ZusammenfassungMit der beschriebenen Aktivantenne lässtsich ein VHF-/UHF-Handfunkgerät, dasüber den entsprechenden Empfangsbereichverfügt, zum Weltempfänger aufwerten.Da keine schaltbare Umgehung vorgesehenist, darf bei aufgestecktem Verstärker nichtgesendet werden. Die kleine Aktivantenne ist ein idealesWochenend-Bastelprojekt, das ein schnel-les Erfolgserlebnis garantiert und neben-bei SMD-Löterfahrung vermittelt. Der Auf-

bau ist relativ einfach zu bewerkstelligen.Die kompakte Bauweise setzt nur etwasGeduld und handwerkliches Geschickvoraus. Wenn sich genügend Interessentenmelden, wird der FA-Leserervice eine Bau-satzserie auflegen.

Literatur

[1] Becker, J., DJ8IL: Aktivantennen für Handfunk-geräte und Scanner. CQ DL 76 (2005) H. 3, S.170–172; In: Radke, H., DB2HR (Hrsg.): UKW-Antennen. CQDL Spezial, DARC-Verlag, Bau-natal 2006; FA-Leserservice: D-9910

[2] Becker, J., DJ8IL: Aktiv-Passiv-Antennensystemfür 0,01 Hz bis 146 MHz. FUNKAMATEUR 58(2009) H. 12, S. 1281–1283; 59 (2010) H. 1, S. 48–51; Bausatz und Baumappe: www.funkamateur.deÆ Online-ShopÆ BX-080

Spannungsverstärkung GVbei verschiedenen Einkoppel -kapazitäten CA:CA = 4,4 pF (entspricht 30 cm Stabantenne):GV = −3,7 dB, 3-dB-Frequenzbereich 26 kHz bis 58 MHz

CA = 10 nF (Verstärker allein): GV = +3,6 dB; 3-dB-Frequenzbereich 12 kHz bis 100 MHz

Die Eingangskapazität des Verstärkers be-trägt demnach 5,8 pF.

Bild 7: Fertig aufgebauter Verstärker im Weiß-blechgehäuse mit abgenommenen Deckeln;oben ist die Vorderseite, unten die Rückseitezu sehen. Fotos: DJ8IL

~50

51

4,4

Uin Is

Us

Uo

50

Bild 8: Messchaltung für den Verstärker

Durch die Entdämpfung des Eingangskrei-ses eines Empfängers erhöhen sich seineEmpfindlichkeit und seine Trennschärfeerheblich. Dieses Prinzip war in den erstenJahrzehnten der Rundfunk emp fangs tech nikim Rückkopplungsaudion millionenfach imEinsatz. In [1] wurde dies ebenfalls ange-wandt. In etwas veränderter Form und ohne Vor-gaben durch das Empfängerkonzept lässtsich diese Methode ebenfalls für den Bauleistungsfähiger aktiver Magnetantennenverwenden, die für den Empfang bis hineinin den Kurzwellenbereich ausgelegt sind.Antennensysteme, die die auf Ferritstäbegewickelten Spulen mit den Schleifen ausDraht oder Kupferrohr kombinieren, lassensich durch eine übergreifende Einwirkungder Entdämpfung mit optimalen Empfangs-ergebnissen versehen.

� GrundlagenDer resonante Kreis einer Magnetantennebesteht aus der Induktivität L der Anten-nenspule oder -schleife und dem separatzugeschalteten Kondensator mit der Kapa-zität C. Meist sind diese Elemente als Pa-rallelschwingkreis angeordnet. Ideal wäreein verlustfreies Verhalten, bei dem nurBlindströme auftreten. Leider weisen dieBauteile stets Verlustwiderstände auf, wo-durch Wirkströme entstehen, die zu ent-sprechenden Spannungsabfällen führen.Bei den Spulen tragen hauptsächlich derDrahtwiderstand, aber auch Ummagneti-sierungs- bzw. Wirbelstromeffekte [2] zuden entstehenden Verlusten bei. BeimDrahtwiderstand sind zusätzlich die Ein-flüsse von Skin- und Nahwirkungseffek-ten zu berücksichtigen. Bei den Konden-satoren führen die durch das Dielektrikum

hervorgerufenen Isolationswiderstände so-wie die Serien- und Kontaktwiderstände zuVerlusten, siehe auch [3]. Finden Kapazi-tätsdioden zur Kreisabstimmung Verwen-dung, können, je nach Art der Verschaltungdes Steuerspannungsvorwiderstands, zu-sätzliche Verluste entstehen. Vereinfachtlässt sich der Schwingkreis wie in Bild 3

Entdämpfung verbessert denEmpfang mit Magnetantennen (1)WOLFGANG FRIESE – DG9WF

Bei Anwendungen mit resonant betriebenen Magnetantennen lohnt essich insbesondere bei schwierigen Empfangssituationen, eine Entdämp-fung des Antennenkreises vorzunehmen. Der nachfolgende Beitrag er-läutert die Prinzipien und zeigt einige praktische Möglichkeiten auf.

Bild 1: Die Entdämpfung einer kombiniertenAntennenanordnung bis zu einigen HundertKilohertz ist durch wenige auf einer Kunst-stoffplatte montierte Baugruppen realisier-bar. Foto: DG9WF