Den Antennenanalysator verstehen

Eine Messung, mehrere Anzeigen

Du schließt einen Analysator an deinen 20-m-Dipol an und siehst R, X und SWR. Was diese Werte über die Antenne sagen, hängt davon ab, was das Gerät eigentlich misst und wo.

Ein Antennenanalysator schickt ein schwaches HF-Signal in die angeschlossene Last und vergleicht die zurücklaufende Welle mit der hinlaufenden. Ein vektorieller Netzwerkanalysator (VNA) wie der NanoVNA misst dabei den Reflexionsfaktor $\Gamma$ nach Betrag und Phase^[1], bezogen auf $Z_0 = 50\ \Omega$ (Modul 1, Lektion 3). Aus ihm rechnet er die Impedanz am Messort

$$Z = R + jX = Z_0\,\frac{1+\Gamma}{1-\Gamma}$$

dazu das SWR aus $|\Gamma|$ und die Rückflussdämpfung (Modul 5, Lektion 2). R, X und SWR sind also keine drei getrennten Messungen, sondern drei Darstellungen derselben Reflexion. Liegt etwas zwischen Gerät und Antenne, gehören alle drei Werte zur Antenne samt diesem Teil.

Manche einfacheren Analysatoren wie der MFJ-269D zeigen den Blindanteil ohne Vorzeichen, ob er induktiv oder kapazitiv ist, kann das Gerät nicht feststellen^[2]. Ein VNA zeigt das Vorzeichen mit an.

Die Formel oben liefert R und X als Serienersatz, Wirk- und Blindwiderstand in Reihe. Manche Geräte zeigen dieselbe Last auf Wunsch auch als Parallelersatz, dann mit anderen Zahlen^[2].

Wo die Werte gelten

Jeder Messwert gehört zu einer Stelle, der Bezugsebene. Festgelegt wird sie durch die Kalibrierung: Mit den Standards Open, Short und Load schließt du nacheinander einen Leerlauf, einen Kurzschluss und einen 50-Ω-Abschluss an der Stelle an, an der später das Messobjekt hängt. Daraus bestimmt der Analysator den Einfluss des Aufbaus bis zu dieser Stelle und rechnet ihn aus den folgenden Messungen heraus^[3]. Mit einem Messkabel kalibrierst du deshalb an dessen Ende^[4].

Was hinter der Bezugsebene liegt, gehört zur gemessenen Last, also Adapter, Kabel, Balun und Antenne zusammen. Hat die Last nicht 50 Ω, formt das Kabel R und X abhängig von seiner elektrischen Länge um^[5], schon ein kurzes Stück (Lektion 3).

In der 12db-Rechnung wird aus 73 Ω ohne Blindanteil hinter 1 m RG-58 (Verkürzungsfaktor 0,66^[6]) auf 14,2 MHz rund $60 - j18\ \Omega$. Ein Adapter von 3 cm, als kurze 50-Ω-Leitung gerechnet, ändert dieselbe Last auf 14,2 MHz um weniger als 1 Ω, auf 435 MHz macht er daraus rund $63 - j17\ \Omega$. Auf 14,2 MHz fällt ein kurzer Adapter also kaum ins Gewicht, ein Meter Kabel deutlich.

Für Impedanzmessungen empfiehlt das Handbuch des MFJ-269D, den Analysator elektrisch so nah wie möglich am Speisepunkt anzuschließen^[2]. Fließt HF-Strom auf dem Kabelmantel, gehört auch er zur Messung, selbst direkt am Speisepunkt (Lektion 4).

Was R und X verraten

Liegt die Bezugsebene am Speisepunkt, zeigt der Nulldurchgang von X die Resonanz. Gut angepasst ist die Antenne an 50 Ω, wenn R nahe 50 Ω und X nahe null liegt (Modul 1, Lektion 3). Den Wirkungsgrad zeigen R und X nicht, denn R enthält Strahlungs- und Verlustwiderstand, ohne sie zu trennen (Modul 1, Lektion 4).

Resonanz und kleinstes SWR

Resonanz und kleinstes SWR sind zwei verschiedene Kriterien. Resonanz heißt $X = 0$ und gehört zur Antenne an ihrem Platz. Das SWR vergleicht die Impedanz mit 50 Ω, es hängt an R und X zugleich und am Bezugswert. Oft liegen beide nahe beieinander, auf genau derselben Frequenz aber selten^[2].

Bei gleichem R wird das SWR mit jedem Ohm Blindanteil größer, gleich welches Vorzeichen X hat. Ein Blindanteil gleicht einen zu hohen oder zu niedrigen Wirkanteil also nicht aus. Neben der Resonanz kann das SWR trotzdem kleiner sein, weil sich R mit der Frequenz ändert:

• Liegt R in Resonanz über 50 Ω und wird zu tieferen Frequenzen kleiner, sinkt das SWR unterhalb der Resonanz zunächst, bis der wachsende Blindanteil überwiegt.
• Liegt R unter 50 Ω und steigt mit der Frequenz, liegt das kleinste SWR oberhalb der Resonanz.
• Ändert sich R kaum, fallen beide Punkte nahezu zusammen.

Anschaulich wird das in der Ebene aus R und X. Alle Impedanzen mit demselben SWR an 50 Ω liegen dort auf einem Kreis, dem SWR-Kreis, dessen Mittelpunkt auf der R-Achse rechts von 50 Ω liegt (12db-Rechnung). Das kleinste SWR hat die Antenne dort, wo ihre Kurve den kleinsten Kreis berührt, den sie überhaupt erreicht.

Wie weit die beiden Punkte auseinander liegen, hängt davon ab, wie schnell sich R im Vergleich zu X mit der Frequenz ändert und wie weit R in Resonanz von 50 Ω entfernt ist. Am Speisepunkt eines Drahtdipols liegen sie dicht beieinander, wenn sich X viel schneller ändert als R. Im Modell der Grafik, einem Drahtdipol für 20 m in 7 m Höhe über mittlerem Boden, ist das SWR bei 14,15 MHz am kleinsten, 50 kHz unter der Resonanz, und mit 1,73 um 0,01 kleiner als dort (12db-Rechnung). Bei dickeren Leitern ändert sich X langsamer, dann rücken beide weiter auseinander, wenn R wie hier deutlich über 50 Ω liegt (12db-Rechnung).

Misst du über ein Kabel, kann der Nulldurchgang von X ganz woanders liegen als das kleinste SWR^[2]. Er gehört dann zu Antenne und Kabel zusammen (Lektion 3).

Für den Betrieb zählt das SWR auf deiner Frequenz, das Handbuch des MFJ-269D empfiehlt deshalb, eine Antenne nach dem SWR abzugleichen^[2]. Der Nulldurchgang von X am Speisepunkt zeigt dir zusätzlich, ob die Länge stimmt oder ob der Wirkanteil das SWR bestimmt.