Magnetic Loop Antenne für 80-20m

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OE7WPA
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Magnetic Loop Antenne für 80-20m

Beitrag von OE7WPA » 03.02.2016, 13:03

Liebe OMs und YLs!

In diesem Beitrag möchte ich euch über den Selbstbau einer Magnetic Loop Antenne für den KW-Bereich von 80 – 20m berichten.
Ich werde in mehreren Teilen über den Fortschritt berichten, alle Teile sind berechnet und bestellt, warte also nur noch auf die Lieferungen, auch Bilder werden folgen.
Freue mich bereits jetzt auf Eure Meldungen!

TEIl 1

Ich bin erst seit November 2015 beim Amateurfunk, habe die Prüfung für die CEPT-Lizenzklasse 1 abgelegt und derzeit hauptsächlich im 2m und 70cm Band zu erreichen. 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.

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).

Bereits seit einiger Zeit arbeite ich an der Berechnung meiner Antenne und werde folgende Teile verwenden:

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.
Teil 2 mit ein wenig Theorie über Magnetic Loops folgt in Kürze!

73 de OE7WPA / Werner

Teil 2

Im 2. Teil beginne ich mit ein wenig Theorie zur Magnetic Loop:

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 Konden-
sator 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 Konden-
sator 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.

Im Teil 3 geht es um die Berechnung der Bauteile, er folgt in Kürze!

73 de OE7WPA / Werner


Teil 3

Im Teil 3 geht’s um die Berechnung der Bauteile:

Wie bereits im 2. Teil 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 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

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. 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.

Im Teil 4 sieht man einige Bilder der Bauteile, er folgt in Kürze!

73 de OE7WPA / Werner

Teil4

Im Teil 4 zeige ich einige Bilder der verwendeten Bauteile:

Aufbau des Drehkondensators: ca. 13-275pf:

Bausatz aus Einzelteilen:
20160205_104029.jpg
Bausatz Drehkondensator 5
20160205_104216.jpg
Bausatz Drehkondensator 4
20160205_104225.jpg
Bausatz Drehkondensator 3
20160205_104228.jpg
Bausatz Drehkondensator 2
20160205_104232.jpg
Bausatz Drehkondensator 1
Fertiger Kondensator mit Untersetzungsgetriebe und Motor zur Abstimmung:
20160205_132227.jpg
Drehkondensator 4-50pf
20160205_132232.jpg
Drehkondensator 4-50pf
Zusammenbau des großen Doppelsplitkondensators mit 13-275pf ist wirklich "kinderleicht":

Fertiggestellter Kondensator mit Motor und Untersetzungsgetriebe
20160206_174012.jpg
Doppelsplitdrehkondensator 1
20160206_174003.jpg
Doppelsplitdrehkondensator 2
20160206_173948.jpg
Doppelsplitdrehkondensator 3
Beide Kondensatoren im Größenvergleich:
20160206_183625.jpg
Beide Kondensatoren fertigggestellt
Die Fernbedienung zur Steuerung der Motoren zur Abstimmung:
20160206_183642.jpg
Motor-Steuerung mit Schnell und Langsam-Antrieb
Das Verwendete Kupferrohr 22x1mm von der Rolle:
20160206_183745.jpg
22x1mm Kupferrohr
Das RG-213 Kabel zum Einkoppeln der HF, Umfang der Koppelschleife ca. 1.3m:
20160304_175002.jpg
Rg-213 als Koppelschleife
Im Teil 5 zeige ich dann noch mehr Bilder von der fertigen M.L, er folgt in Kürze!

73 de OE7WPA / Werner

Teil5

Hier kommen im Laufe der Zeit noch einige Bilder der fertigen Magnetic loop:
IMG_2470.JPG
Fertige Mgnetic Loop am Balkon


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Dateianhänge
VNA_160404_000051.jpg
SWR/Z nach Anpassung 80M
VNA_160403_195711.jpg
SWR/Z nach Anpassung der Einkopplung
VNA_160403_184056.jpg
SWR/Z vor Anpassung der Einkopplung
Zuletzt geändert von OE7WPA am 01.11.2017, 16:41, insgesamt 18-mal geändert.

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Re: Magnetic Loop Antenne für 80-10m

Beitrag von OE7REH » 03.02.2016, 16:37

Servus,

das klingt spannend. Vielleicht wäre das auch was für mich.
Was sind das für Motoren? Vielleicht wärst du preiswerter gekommen, wenn du die mit einem Arduino ansteuern würdest.

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73 de Oliver / OE7REH

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Re: Magnetic Loop Antenne für 80-10m

Beitrag von OE7WPA » 03.02.2016, 21:26

Hallo Oliver!

Es handelt sich um simple Niederspannungs-Motoren, die mittels Untersetzungsgetriebe mit der Welle verbunden sind. Ich Verwende zwei Kondensatoren/Motoren um die Antenne genau abstimmen zu können, einen Kondensator mit großen, einen mit kleinen Bereich zur Abstimmung, also keine Stepper-Motoren. Das Steurgerät funktioniert mit Batterien, somit muss ich auch die HF nicht abschirmen!
Werde in den nächsten Tagen weitere Beiträge zur Antenne schreiben.

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Re: Magnetic Loop Antenne für 80-10m

Beitrag von OE7WPA » 03.04.2016, 20:42

Habe einige neue Bilder gepostet, es werden in Kürze noch weitere folgen!

Derzeit bin ich dabei, die Einspeisung weiter zu verbessern und zu optimieren, auf 40m habe ich das SWR von 1:1.45 auf 1:1 verbessern können!

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Re: Magnetic Loop Antenne für 80-10m

Beitrag von OE7REH » 04.04.2016, 21:37

wäre besser in einzelnen Posts gewesen, damit man besser den zeitlichen Verlauf sieht :-)

aber weiter so...schaut spannend aus :-)
73 de Oliver / OE7REH

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