Selbstgebaut:

Eine kompakte, mobile und aktive Empfangsantenne.


Features:

  • Für Antennen kürzer als 1/4 Lambda
  • Acht abstimmbare Resonanzkreise
  • Mobil, kompakte Abmessungen für beengte Platzverhältnisse
  • Spannungsversorgung mit Batterie, Netzteil oder Fernspeisung
  • geringe Leistungsaufnahme
  • Betriebsanzeige mit roter LED

Selbstbau:

Eine kompakte, mobile und aktive Empfangsantenne mit 8 Frequenzbändern und zweistufigem HF-Impedanzwandler.

von Oliver Fromm

Wer einen tragbaren Weltempfänger besitzt, der wird von dem Nutzen dieses kleinen Zusatzgerätes bald überzeugt sein. Doppelsuper dieser Bauart besitzen keine Vorselektion. Das Empfangssignal gelangt direkt auf die Eingangsstufe mit darauf folgendem Tiefpass. Diese Aktivantenne mit Preselektor (Abbildungen 1...4) bietet überraschende Empfangsverbesserungen bei kompakten Abmessungen. Sender, die man mit den Möglichkeiten der kleinen Weltempfänger fast nicht mehr wahrnehmen kann, lassen sich selbst mit einer 1,1m Stabantenne noch "herausfischen", wenn das Antennenrauschen und der umgebene Störnebel dem nicht Grenzen setzt.

Sie kann bei beengten Platzverhältnissen eine Langdrahtantenne ersetzen und ortsunabhängig eingesetzt werden. Neben dem breitbandigen Empfang, mit einem variablen Abschwächer, steht eine passive Vorselektion zur Verfügung. In 8 sich überschneidenden Frequenzbereichen kann die gewünschte Empfangsfrequenz abgestimmt werden. Aufgrund des Resonanzverhaltens und abhängig vom Verlustwiderstand einer Antenne findet eine Pegelerhöhung statt, bei gleichzeitiger Dämpfung von Frequenzen außerhalb der Empfangsfrequenz.

Es können Antennen die kürzer als 1/4 Wellenlänge der Empfangsfrequenz sind angeschlossen werden (vgl. Tabelle 1). Gegenüber einem passiven Preselektor z.B. dem ADDX-PRE-1 kann die Aktivantenne nicht nur an einem hochomigen- sondern auch an einem 50 Ohm Eingang eines Empfängers angeschlossen werden. Die Empfangseigenschaft der Antenne kann vom Empfängereingang nicht negativ beeinflusst werden. Die Aktivantenne kann sowohl mit 4 eingebauten AAA-Batterien, einem externen 6V Netzteil als auch optional über den 50 Ohm Eingang eines Empfängers über eine Fernspeiseweiche betrieben werden.

Eigenschaften der Kurzwellen Selektivantenne:

Anschlüsse:

Die Theorie

Antennen für den Empfang unterscheiden sich in Ihrer Wirksamkeit als kombinierte Sende- und Empfangsantennen dadurch, dass eine Empfangsantenne im Verhältnis zur Wellenlänge kurz ausgeführt werden kann, ohne wesentlich an Empfangsleistung zu verlieren.

Eine im Verhältnis zur Wellenlänge kurze Antenne, kleiner 1/4 Lambda der Wellenlänge der Empfangsfrequenz, stellt im Ersatzschaltbild eine Spannungsquelle dar, deren Innenwiderstand sich im Wesentlichen aus dem Strahlungswiderstand Rs, dem Verlustwiderstand Rv und einem kapazitiven Blindwiderstand Ca zusammensetzt. Die Antennenkapazität Ca beträgt je nach Antennenlänge ca. 300pF bei 80m Länge und 6pF bei 1,5m Länge.

Die Eingangsimpedanz eines Empfängers kann variieren und beträgt im Allgemeinen 50 Ohm. Aufgrund der Fehlanpassung bei direktem Anschluss einer kurzen Empfangsantenne an den Empfängereingang würde die Signalquelle Antenne elektrisch kurzgeschlossen werden. Lösungsmöglichkeiten bestehen in der Verwendung eines UnUn HF-Übertragers oder der Einsatz eines Impedanzwandlers.

Bei Verwendung eines HF-Übertragers würde die Eingangsspannung herunter transformiert werden. Der dadurch entstehende Verstärkungsverlust muss durch die darauf folgende Stufe wieder ausgeglichen werden. Mit einem Impedanzwandler kann die Leerlaufspannung der Antenne hochohmig und kapazitätsarm abgegriffen werden und über ein 50 Ohm Koaxialkabel an einen beliebigen Empfängereingang weitergeleitet werden.

Durch einen in den Antenneneingang eingeschalteten Verkürzungskondensator Cv sind längerer Antennen (natürlich immer kleiner 1/4 Lambda) z.B. im Mittelwellenbereich anschließbar. Bei Antennen kleiner 1/4 Lambda z.B. im 10m-Band hat diese Kapazität keine Wirkung. Gleichzeitig wirkt Cv als Hochpaßfilter (Hochpass: 3,4kHz) zur Abkopplung von Brummeinsteuungen aus dem 50Hz Wechselstromnetz und als Schutz vor Überspannungen.

Tabelle 1:

Schaltstellung Frequenzbereich ca. Wellenlänge max. zulässige Antennenlänge
1 16 kHz... 30 MHz - -
2 0,42 MHz...0,87 MHz 700 m...340 m 80m
3 0,66 MHz... 1,4 MHz 450 m...200 m 50m
4 1,1 MHz ... 2,2 MHz 270 m...140 m 30 m
5 1,8 MHz ... 3,7 MHz 160 m ... 80 m 20 m
6 2,9 MHz ... 6 MHz 100 m ... 50 m 12 m
7 4,7 MHz ... 10 MHz 60 m ... 30 m 6 m
8 8,2 MHz ... 18 MHz 35 m ... 16 m 2,5 m
9 14 MHz ... 31 MHz 20 m ... 10 m 1,5 m

In den Schaltstellungen 2-9 werden Frequenzen von 420 KHz bis 31 MHz mit dem Drehkondensator abgestimmt. In der Schaltstellung 1 ist keine selektive Abstimmung eingeschaltet. Mit einer angeschlossenen Antenne kann der Drehkondensator als variabler Abschwächer (Attenuator) bei sehr starken Sendern eingesetzt werden. Mit zunehmender Kapazität des Drehkondensators nimmt die Dämpfung zu. Mit einer angeschlossenen 1,1m langen Stabantenne beträgt die Abschwächung minimal 8dB (Rechtsanschlag), maximal 24dB (Linksanschlag) zuzüglich der Verstärkung des Impedanzwandlers.

Die Spannungsverstärkung des Impedanzwandlers beträgt mit 50 Ohm Abschluss -7,1dB, mit 600 Ohm -1,3dB und bei einem sehr hochohmigen Empfängereingang -0,6dB.

Da das Antennenrauschen deutlich stärker als das Eigenrauschen des Impedanzwandlers und des angeschlossenen Empfänger in Erscheinung tritt, wäre eine Verstärkung der Aktivantenne nutzlos.

Die Abbildung 5 zeigt oben als grafische Darstellung die Simulation der zugeschalteten Resonanzkreise zusammen mit einer 1,1 m langen vertikalen Stabantenne. Der untere Graph zeigt die Ausgangsspannung mit Abschwächer in Schaltstellung 1 und einer 1,1 m langen vertikalen Stabantenne bei der Maximal- und Minimalkapazität des Drehkondensators. Die Güte der Resonanzkreise wird durch die Antenne beeinflusst: Rv=10 Ohm, 1,1m Teleskopantenne => ~ 2...4 S-Meterstufen Gewinn. Bei Rv=100 Ohm ~ 0,5..3 S-Meterstufen Gewinn. Gleichzeitig ist die 1. Resonanz der Stabantenne fres bei 73 MHz zu erkennen.

Schaltbild und Beschreibung

In Abbildung 6 ist die Schaltung skizziert.

Das Antennensignal gelangt über den Koppelkondensator CV und einem Widerstand auf das Gate des Eingangstransistor des zweistufigen Impedanzwandlers. Der Widerstand verhindert KW- und VHF-Schwingungen und bildet mit den Dioden 1N4148 einen kapazitätsarmen Überspannungsfeinschutz (ESD). Den Grobschutz übernimmt optional der Gasableiter am Antenneneingang. Der Eingangstransistor J310 [8] ist ein N-Kanal Sperrschicht-FET mit geringem Rauschen und geringen Eingangskapazitäten. Der zweistufige Aufbau mit dem Bipolartransistor 2SC3355 [7] als rauscharme Ausgangsstufe ermöglicht eine leistungsfähige und breitbandige Schaltung.

Nicht nur, weil sich zwischen der Antennenkapazität Ca und der Eingangskapazität des Eingangstransistor sowie den Kapazitäten des Schaltungsaufbaus ein Spannungsteiler ergibt ist es wichtig, die Eingangskapazität des Impedanzwandlers so gering wie möglich zu halten, sondern auch um die durch den Drehkondensator jeweils einstellbare maximale Frequenz in den 8 Resonanzkreisen nicht wesentlich zu begrenzen. Die Frequenzbereiche sollen sich etwas überschneiden.

Der Drainstrom des Eingangstransistor wird durch den Widerstand zwischen Basis und Emitter des 2SC3355 vorgegeben. Bei den J-FETs ist die Exemplarstreuung der Abschnürspannung sehr groß. Das Gate des Eingangstransistor ist über 1 MOhm mit Masse oder optional mit einem Zusatz bestehend aus wenigen Bauelementen zum Einstellen des Arbeitspunktes (im Stromlauf mit 1) gekennzeichnet) verbunden.

Damit ist es möglich, wahlweise auch den J-FET Typ J309 oder anderen vergleichbaren Ersatz z.B. MMBFJ309, BF862, 2SK508 K51 in SMD einzusetzen. Zu beachten ist dabei, dass ein Up kleiner oder gleich 3V der J-FET-Transistoren nicht überschritten wird. Die bedrahteten J-FET Typen J308-310 sind abgekündigt und müssten sonst auf ein IDSS=30mA, Up kleiner gleich 3V ausgesucht werden. Mit einem Trimmpotentiometer kann die Spannung am Emitterwiderstand des 2SC3355 auf den Sollwert von 1,55V abgeglichen werden. Der 2SC3355 kann durch den BFR92A oder den BFR193 in SMD ersetzt werden. Über einen 100nF Kondensator erfolgt die Auskopplung auf die BNC-Ausgangsbuchse. Mit 50 Ohm abgeschlossen entsteht ein 16kHz Hochpass.

Über den Drehschalter können 8 Induktivitäten mit parallelen Bedämpfungswiderständen gewählt werden. Die handelsübliche Festinduktivitäten [9] bilden zusammen mit dem Drehkondensator einen Parallelschwingkreis, der das Signal bei der Empfangsfrequenz vor dem Impedanzwandler deutlich anhebt und ungewollte Signale abschwächt. Damit werden Intermodulationsverzerrungen gesenkt und die Empfindlichkeit gesteigert. Mit Hilfe mathematischer Simulationen und mit den Antennengleichungen für eine vertikale- und eine horizontale Antenne erfolgte die Optimierung der Schaltung. Für die Eingangskapazität der Schaltung, die sich aus der Eingangskapazität des Feinschutzes, des Impedanzwandlers und den Kapazitäten des Aufbaus ergibt, wurden 10pF angesetzt. Die Ersatzbilder der handelsüblichen Induktivitäten wurden berücksichtigt. Der Einsatz anderer Typen würde das Ergebnis unkalkulierbar verändern.

Für die Fernspeiseweiche verweist der Autor auf [5] und die vorgeschlagene Breitbanddrossel.

Die Platine

...ist in Abbildung 7 und 8 abgebildet. Es wurde ein gefädelter Aufbau mit bedrahteten Bauelementen als Prototyp durchgeführt. Eine Massefläche ist nicht sinnvoll. Die Induktivitäten sind abwechselnd horizontal und vertikal bestückt um den gegenseitigen Einfluss zu minimieren. Auf der Platine sind die unter 1) bezeichneten Bauteile nicht vorgesehen (Abbildung 9 Skizze Bestückungsseite). Ein Platz sparendes Layout würde auch den Ersatz von abgekündigten bedrahteten Bauteilen in SMD-Bauteilen ermöglichen.

Das Gehäuse

Aus Abbildung 10 kann man den Bauplan für das Gehäuse entnehmen und die Beschriftung maßstabsgerecht ausdrucken. In den Abbildungen 11..13 (unten) ist die Platine im Gehäuse mit den Verdrahtung zu den Anschlüssen zu erkennen. Die Masseanschlüsse der Ein- und Ausgänge dürfen nicht (!!) direkt miteinander verbunden werden.

Drehkondensator : 140pF + 60pF (in MW-Radios verbaut) Bezugsquelle: ebay-Shop: M-O-S_2010, www.mos-electronic-shop.de oder Onlineshop funkamateur.de
Transistor : 2SC3355 Bezugsquelle: Segor
Transistor : J310 Bezugsquelle: Onlineshop funkamateur.de
Gehäuse : ENKO Profilgehäuse 610 / 06.100-3005.1
als Nr.024264 Softline-Gehäuse lichtgrau
Bezugsquelle: ELV Elektronik AG
Doppellochkern : Amidon RN-73-0202
EPCOS B62152A0004X030
Bezugsquelle: Reichelt
Bezugsquelle: Farnel
Knebelknopf : Mentor 352.61, Abdeckkappe 499.643 Bezugsquelle: Conrad
Drehknopf : Mentor 4311.6131, Abdeckkappe 4311.0031 Bezugsquelle: Conrad
Teleskopantenne : 1.1M BNC Radio Antenne 118-136MHz Bezugsquelle: ebay xuanling77, China
Gasableiter : EPCOS EC75X/N81-A75X -
Induktivitäten : Fastron SMCC Bezugsquelle: Segor

Quellen:
[1] Rothhammel DM2ABK, Antennenbuch, 9.Auflage
[2] Kronjäger DM2AKM, Amateurtechnik, 1973
[3] Tietze / Schenk Halbleiterschaltungstechnik, 4. und 12. Auflage
[4] Das FET-Kochbuch, Texas Instruments, 1977
[5] Günter Fred Mandel DL4ZAO, Die "Midi-Whip" Monopol Aktivantenne, 2014
[6] Georg Rusche, Karl Wagner, Fritz Weitzsch, Flächentransistoren: Eigenschaften und Schaltungstechnik 2013
[7] NEC Data Sheet, 2SC3355, 1997
[8] ON Semiconductor Data Sheet, J308/J309/J310, 2001
[9] Fastron SMCC, 2013, www.fastrongroup.com

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