EFHW und 9:1-Endfed im Vergleich

Zwei Antennen mit dem Speisepunkt am Ende

Im Handel gibt es Endfed-Antennen mit 49:1- und mit 9:1-Übertrager, beide am Drahtende gespeist. Sie unterscheiden sich in Drahtlänge, Gegengewicht, Tunerbedarf und Belastbarkeit. Beispiel ist das 40-m-Band.

• Die EFHW ist ein Draht von einer halben Wellenlänge auf dem untersten Band, rund 0,47 Wellenlängen, auf 7,1 MHz also knapp 20 m. Diese Länge ergibt eine 12db-Simulation im freien Raum mit einem gleich langen Draht als Gegengewicht, einem Aufbau nach Moxon^[5]. In der Praxis bekommt die EFHW meist ein kurzes Gegengewicht von rund 0,05 Wellenlängen wie in der Grafik^[2][5], die genaue Drahtlänge findet dann der Abgleich. Am Drahtende hat sie einige Kiloohm (Lektion 1). Ein 49:1-Übertrager setzt $49 \cdot 50\ \Omega = 2450\ \Omega$ auf 50 Ω herab. Auf Vielfachen der halben Welle ist das Ende wieder hochohmig (Lektion 3).
• Die 9:1-Endfed ist ein Draht mit einem Unun 9:1 am Ende (Lektion 1). Er setzt $9 \cdot 50\ \Omega = 450\ \Omega$ auf 50 Ω herab.

Bei einer halben Welle oder einem Vielfachen davon wäre das Drahtende sehr hochohmig, bei einer ungeraden Zahl von Viertelwellen sehr niederohmig (Lektion 3). In beiden Fällen brächte der Unun die Impedanz nicht in einen Bereich, den ein Tuner gut anpassen kann^[1]. Die Länge der 9:1-Endfed wird so gewählt, dass sie auf keinem ihrer Bänder resonant ist. Am Drahtende liegen dann laut Hersteller rund 200 bis 600 Ω, durch 9 geteilt ein Bereich für den Tuner im Funkgerät. Für 40 bis 6 m nennt derselbe Hersteller 12,5 m Draht^[1].

Mit und ohne Tuner

Auf ihren Bändern ist die EFHW resonant, der Blindanteil am Drahtende ist klein. Der Übertrager bringt sie in die Nähe von 50 Ω, dort kommt sie meist ohne Tuner aus (Lektion 1). Auf den übrigen Bändern passt sie ohne Tuner nicht (Lektion 3).

Bei der 9:1-Endfed ändern sich Wirk- und Blindanteil am Drahtende von Band zu Band. Der Unun ist dabei kein idealer Übertrager: Auf den unteren Bändern, wo der Draht einen großen Blindanteil hat, kann bei Eisenpulver die Übersetzung weit vom Nennwert abweichen^[3]. Die 9:1-Endfed wird meist mit Tuner betrieben^[3], angepasst wird erst dort.

Auf dem Koax zwischen Unun und Tuner liegt deshalb eine Fehlanpassung mit ihrer Zusatzdämpfung (Modul 1, Lektion 5). Wo ein Tuner an seine Grenzen kommt, zeigt Modul 5, Lektion 4.

Was den Strom am Speisepunkt bestimmt

Wirkleistung wird am Wirkanteil der Impedanz umgesetzt. Aus $P = I^2 R$ folgen $I = \sqrt{P/R}$ für den Strom und $U = \sqrt{P R}$ für die Spannung am Wirkanteil. Bei gegebener Leistung legt der Wirkanteil am Speisepunkt den Strom fest^[4]. Ein Blindanteil verlangt vom Übertrager für denselben Strom zusätzliche Spannung^[3].

In einer 12db-Simulation eines 12 m langen senkrechten Drahts mit sechs Radials knapp über mittlerem Boden liegen auf 3,6 MHz bei 100 W rund 1,5 kV Spitzenspannung am Unun.

Mit Blindanteil null gerechnet fließen bei 100 W an 2450 Ω rund 0,20 A bei 495 V, an 450 Ω rund 0,47 A bei 212 V, jeweils Effektivwerte (12db-Rechnung). Die 9:1-Endfed führt also mehr als den doppelten Strom, an der EFHW liegt die höhere Spannung. Der Verlust im Rückweg wächst mit dem Quadrat des Stroms, im selben Gegengewicht wäre er bei der 9:1-Endfed gut fünfmal so groß.

Wie niederohmig der Rückweg sein muss

Der Strom am Speisepunkt kehrt in gleicher Stärke zum Übertrager zurück, über alles, was zwischen Übertrager und Sperre leitet, also eigenes Gegengewicht und Außenseite des Koax, ohne Sperre über das ganze Kabel (Lektion 2). Ein Gegengewicht reicht, wenn es im Vergleich zum Wirkanteil am Speisepunkt niederohmig ist, sonst fällt an ihm Spannung ab und treibt Strom auf das Koax. Ein Blindanteil macht den Speisepunkt nicht niederohmiger.

Gegen einige Kiloohm an der EFHW reichen einige hundert Ohm, auf 14 MHz etwa 1 m Draht oder einige Pikofarad gegen Erde^[5], obwohl dort die höhere Spannung liegt. Gegen 200 bis 600 Ω braucht es mehr, am niederohmigsten ist ein Gegengewicht nahe einer Viertelwelle. Nach der Spannung richtet sich die Länge nicht. Weicht die Länge von der Resonanz ab, steigt der Rückstrom und mit ihm der Bedarf an Gegengewicht^[5].

Verluste im Übertrager

Ein Übertrager mit Ferritkern setzt einen Teil der Leistung in Wärme um: Das Ummagnetisieren des Kerns in jeder Periode kostet Energie, und in etwas leitfähigem Kernmaterial fließen zudem Ströme, die ihn erwärmen^[6]. Ein Hersteller gibt für seinen 49:1-Übertrager eine Einfügungsdämpfung von 0,4 bis 0,7 dB an, je nach Frequenz^[2], die Dämpfung durch den Übertrager selbst.

Eine Dämpfung in dB ist ein fester Anteil der durchlaufenden Leistung. Aus 0,5 dB werden $1 - 10^{-0{,}05} \approx 11\ \%$, bei 20 W ebenso wie bei 100 W. An zwei selbst gewickelten Übertragern hintereinander wurden rund 1 dB gemessen, rund 20 % der Leistung^[7]. Die Wärme im Kern geht von der Leistung ab, die der Draht abstrahlen kann. Unterhalb von 7 MHz stieg der Verlust in Messungen mit der Temperatur des Kerns, darüber kaum^[6].

Erwärmung und Sättigung

Wie viel ein Übertrager verträgt, hängt vor allem an seiner Erwärmung. Oberhalb der Curie-Temperatur fällt die magnetische Wirkung des Ferrits rasch ab. Weil der Verlust in Versuchen kaum vom Kernvolumen abhing, kommt es für die Belastbarkeit darauf an, die Wärme abzuführen^[6]. Kleine Eisenpulverkerne können schon bei mäßiger Leistung überhitzen^[3].

Davon zu unterscheiden ist die Sättigung: Alle magnetischen Bereiche im Kern sind ausgerichtet, und die Induktivität der Wicklung bricht ein. Die Magnetisierung je Periode wächst mit der Spannung an der Wicklung und sinkt mit Frequenz, Windungszahl und Kernquerschnitt. Die Spannung folgt der Spitzenleistung, nicht dem Mittelwert. Ein Übertrager mit fünf Windungen auf der Eingangsseite blieb rechnerisch bei 100 W auf 80 m weit unter der Sättigung, selbst mit 1000 W auf 160 m noch darunter^[6].

Mittlere Leistung

Die Wärme folgt der mittleren Leistung, nicht der Spitzenleistung. Welcher Anteil der Spitzenleistung beim Senden im Mittel anliegt, hängt an der Betriebsart. Für Feldstärkeberechnungen werden angenommen^[8]:

• SSB ohne Sprachkompressor: 20 %, Sprechweise und Silbenpausen eingerechnet
• CW: 40 %
• SSB mit starker Kompression: 50 %
• RTTY, über SSB gesendete Töne (AFSK) und ein Dauerträger: 100 %

Empfangspausen senken den Mittelwert über eine längere Zeit zusätzlich^[8]. Der Hersteller des 49:1-Übertragers gibt 200 W (Specifications: 250 W) bei 50 % Einschaltdauer und kleinem SWR an, für digitale Betriebsarten wie FT8 höchstens 50 W bei einem SWR ohne Tuner von höchstens 2^[2].

Für einen 40-m-Draht mit externem Tuner verlangt derselbe Hersteller ab einem SWR ohne Tuner über 2,5 höchstens 100 bis 125 W, über 3 noch weniger^[2].