Magnetic Loop: Koppelschleife und Ausrichtung

Ein Übertrager mit einer Windung

Ring und Drehkondensator bilden einen Schwingkreis, dessen Widerstand bei Resonanz Bruchteile eines Ohms beträgt (Lektion 1). An 50-Ω-Koax lässt sich das nicht direkt anschließen. Meist wird die Loop deshalb über eine Koppelschleife gespeist^[1]: einen kleinen Ring aus Draht, Rohr oder Koax, an dem das Kabel endet. Sie kann innen im großen Ring sitzen und braucht keine leitende Verbindung zu ihm^[4].

Koppelschleife und Ring bilden einen Übertrager (Modul 6, Lektion 1). Fließt Strom im Ring, geht ein Teil seines Magnetfelds durch die Koppelschleife und induziert dort eine Spannung, umgekehrt ebenso. Wie stark die beiden Kreise verbunden sind, beschreibt ihre Gegeninduktivität $M$.

Trotz je einer Windung ist das kein Übertrager 1:1, denn durch die kleine Schleife geht ein kleiner Teil des Magnetfelds des Rings. Im Ersatzschaltbild ist es ein Übertrager mit sehr loser Kopplung^[2]. Für eine Loop mit 1,7 m Durchmesser aus 22-mm-Kupferrohr auf 7 MHz ergibt eine 12db-Simulation im freien Raum ein Übersetzungsverhältnis von rund 1 : 100.

Bei Resonanz ist der Ring für die Koppelschleife ein reiner Widerstand $R$. Am Kabel erscheint er umgesetzt als

$$R_\text{ein} = \frac{(\omega M)^2}{R}$$

wie bei jedem Paar gekoppelter Kreise^[7]. $M$ ist die Gegeninduktivität zwischen Koppelschleife und Ring, $\omega = 2\pi f$ die Kreisfrequenz. Je stärker die Kopplung und je kleiner der Widerstand des Rings, desto höher ist der Widerstand am Kabel.

Größe und Lage der Koppelschleife

Empfohlen wird als Startwert ein Durchmesser von rund einem Fünftel des Rings, bei 1 m also rund 20 cm, und ein Platz gegenüber dem Kondensator^[5]. Bei symmetrischem Aufbau ist dort die Spannung des Rings gegen die Umgebung am kleinsten.

In einer 12db-Rechnung für einen Ring mit 1 m Durchmesser und eine Koppelschleife innen am unteren Rand koppelt die Schleife mit 30 statt 20 cm rund 1,9-mal so stark, am Kabel erscheint der rund 3,4-fache Widerstand. Mit 15 cm ist es rund das 0,4-Fache.

Wenige Zentimeter an der Koppelschleife ändern die Anpassung deutlich. Fein einstellen lässt sie sich über

• die Größe,
• die Form: zusammengedrückt koppelt sie schwächer^[1],
• den Abstand: Nahe am Leiter des Rings ist sein Magnetfeld am stärksten. Rückt die 20-cm-Schleife 10 cm vom Rand nach innen, erscheint am Kabel in der 12db-Rechnung rund ein Drittel des Widerstands,
• den Winkel: Innen steht das Magnetfeld des Rings quer zur Ringebene, eine Schleife in der Ringebene wird deshalb voll davon durchsetzt. Herausgedreht geht weniger hindurch, so lässt sich eine etwas zu groß gebaute Schleife anpassen^[4].

Die passende Größe hängt vom Widerstand des Rings ab, und der ist im Aufbau meist größer als berechnet, weil Kondensator, Verbindungen und Umgebung Verluste beitragen (Lektion 3).

An einer Loop mit 1,7 m Durchmesser auf einem Balkon brauchte es auf 40 m eine Koppelschleife mit 100 cm Umfang, deutlich mehr als in der Simulation des Erbauers für den freien Raum. Erklären ließ sich das mit zusätzlichem Verlust im Ring^[1]. In der 12db-Simulation dieses Rings im freien Raum verlangen 0,6 Ω mehr Verlust gut den doppelten Umfang.

Die Koppelschleife hat außerdem eine eigene Induktivität in Reihe mit dem umgesetzten Widerstand. Ihr Blindwiderstand wächst mit der Frequenz und verschiebt die beste Anpassung^[3]. Klein halten ihn ein dicker Leiter und eine Schleife dicht am Ring, die dann kleiner ausfallen kann^[1]. Diesen Anteil enthält die Rechnung oben nicht.

Abstimmen ist nicht Anpassen

Der Drehkondensator stellt die Resonanz ein (Lektion 2), die Koppelschleife die Anpassung. Dreht man am Kondensator, ändert sich die Frequenz, bei der der Ring ein reiner Widerstand ist, $M$ bleibt gleich. Weil $\omega^2$ und der Widerstand des Rings mit der Frequenz ähnlich stark wachsen können, ändert sich der Widerstand am Kabel dabei oft wenig, und eine gut eingestellte Koppelschleife passt über einen weiten Abstimmbereich^[1].

An einer Loop für 80 bis 20 m stieg das SWR auf 20 m trotzdem auf über 2,6, vor allem durch die Induktivität der Koppelschleife^[3].

Bleibt das kleinste SWR beim Durchdrehen des Kondensators deutlich über 1, liegt es an der Koppelschleife, an ihrer Größe, Lage oder eigenen Induktivität, nicht an der Abstimmung. Stärker zu koppeln bringt nicht mehr Leistung in den Ring: Zu starke Kopplung setzt seinen Widerstand zu hoch um, eine Fehlanpassung wie zu schwache. Eine andere Kabellänge formt die Impedanz am Kabelende um, am SWR auf der Leitung ändert sie bis auf die Dämpfung nichts (Modul 1, Lektion 5).

Die Nullstellen der kleinen Loop

Eine kleine Loop strahlt wie ein kleiner magnetischer Dipol, dessen Achse senkrecht auf der Ringebene steht. Am stärksten sendet und empfängt sie in Richtung der Ringebene, in Richtung der Achse liegen zwei Nullstellen. Bei einer Ganzwellenschleife ist es umgekehrt, sie strahlt quer zu ihrer Fläche am stärksten^[11].

Steht der Ring senkrecht, zeigt das Diagramm von oben eine Acht mit den Nullstellen quer zum Ring^[11]. Liegt er waagerecht, empfängt er aus allen Himmelsrichtungen gleich, und seine Nullstelle zeigt senkrecht nach oben^[4].

Die Acht ist breit, die Nullstellen sind schmal: Erst 60° neben der Ringebene ist das Signal im idealen Modell auf die halbe Feldstärke gesunken, 6 dB (12db-Rechnung). An einer kleinen Empfangsloop für 160 m gibt ihr Erbauer die Nullstellen mit rund 2° Breite an^[9]. Tief gedämpft wird in einem schmalen Bereich um die Achse, eine Drehung aus dem Maximum kostet dagegen wenig Signal.

Wie tief die Nullstelle wird, hängt zuerst vom einfallenden Signal ab. Die Bodenwelle eines einzelnen, senkrecht polarisierten Störers in der Nachbarschaft ließ sich mit dieser Empfangsloop dicht am Boden gut ausblenden^[9]. Signale über die Ionosphäre ändern ihre Polarisation ständig, eine stabile Nullstelle zeigt sich dann oft nicht^[8].

Je größer der Ring im Verhältnis zur Wellenlänge, desto ungleicher fließt der Strom, und die Nullstelle füllt sich^[10]. Ist eine quadratische Loop unten gespeist und oben mit dem Kondensator abgestimmt, fließen in unterer und oberer Seite verschieden große Ströme, quer zum Ring kommt dann waagerecht polarisierte Strahlung heraus^[8]. Bei 0,2 Wellenlängen Umfang liegt sie in einer 12db-Simulation im freien Raum rund 7 dB unter der senkrecht polarisierten in Richtung der Ringebene. Eine Loop mit 1 m Durchmesser hat auf 14,2 MHz rund 0,15 Wellenlängen Umfang, ihre Nullstellen werden deshalb flacher als an der kleinen Empfangsloop.

Die beiden Nullstellen zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Einen Störer kannst du ausblenden, mehrere aus verschiedenen Richtungen meist nicht zugleich.