Hohe HF-Spannungen an Antennen: Berührung und HF-Verbrennung

Wo die hohe Spannung sitzt

Beim Senden liegen an manchen Stellen einer Antenne hohe HF-Spannungen, auch bei kleiner Leistung. Wo sie sitzen und was bei einer Berührung passiert, zählt für jede Antenne, die du oder andere beim Senden erreichen können.

An einem hochohmigen Speisepunkt fließt bei gleicher Wirkleistung weniger Strom, dafür liegt eine höhere Spannung an, am rein ohmschen Speisepunkt nach $U = \sqrt{P \cdot R}$ (Modul 6, Lektion 4). Auch entlang des Antennendrahts gibt es Stellen mit hoher HF-Spannung und kleiner Stromstärke. Solche Stellen kennst du schon:

• die Enden eines Dipols und eines Inverted-V, bei der Endfed beide Enden des Drahts (Modul 1, Lektion 1 und Modul 6, Lektion 5),
• die Spitze einer Vertikalantenne (Modul 3, Lektion 1),
• das offene Ende eines kurzen Gegengewichts (Modul 6, Lektion 2),
• der Drehkondensator einer Magnetic Loop (Modul 7, Lektion 1).

Fasst du die Antenne beim Senden an, treibt die Spannung gegen die Umgebung (Modul 1, Lektion 1) einen Strom durch deinen Körper. Seine Größe hängt von dieser Spannung, der Impedanz der Antenne an der Stelle und der des Körpers ab^[1]. Über die Kapazität deines Körpers wirkt eine Hand vor allem an Stellen mit hoher Spannung auf die Antenne ein^[2].

Harmlos ist eine Stelle mit großem Strom aber nicht: Auch dort berührst du einen HF-führenden Leiter, und wie viel Strom durch dich fließt, hängt von der Spannung dieser Stelle gegen die Umgebung ab^[1]. Ein Koax, an dem Anfassen nichts verändert, kann trotzdem viel HF-Strom auf dem Mantel führen^[2]. Besonders gefährlich sind die hochohmigen Stellen.

Was beim Berühren geschieht

Der Strom tritt an einer kleinen Fläche ein, etwa an einer Fingerkuppe, und drängt sich dort zusammen. Über etwa 100 kHz reizt er die Nerven kaum noch, statt eines Stromschlags erwärmt er das Gewebe^[3]. Es entsteht eine HF-Verbrennung an der Haut oder tiefer im Gewebe, und schon vor der Berührung kann ein Funke überspringen^[1].

In der Modellrechnung eines Fachaufsatzes erwärmt ein Strom von 100 mA das Gewebe einer Fingerkuppe in rund 0,09 s auf 55 °C, ab dieser Temperatur entsteht in kurzer Zeit eine Verbrennung^[1].

Eine Spannung, unter der Berühren sicher harmlos wäre, lässt sich nach Untersuchungen der US-Marine nicht scharf angeben^[1]. Eine IEEE-Norm nannte in der Fassung von 2005 für 100 kHz bis 100 MHz einen Wert von 140 V Effektivwert für die Leerlaufspannung zwischen möglichen Berührpunkten^[1]. Die Fassung von 2019 nennt diesen Wert einen optionalen Richtwert, bis eine gründlichere wissenschaftliche Grundlage vorliegt, für den Berührungsstrom nennt sie eigene, frequenzabhängige Werte^[10].

Direkt mit der HF-Verbrennung verknüpft ist vor allem der Strom durch die Kontaktstelle, die Spannung ist ein Maß für ihre Wahrscheinlichkeit^[1]. Die 140 V sind deshalb keine Grenze, unter der ein Griff an die Antenne harmlos wäre, und kein Grenzwert nach deutschem Recht.

Die 26. BImSchV (Lektion 1) begrenzt elektrische und magnetische Felder, Werte für Berührungsströme an hochfrequenzführenden Teilen enthält sie nicht^[4].

Drei Fragen sind deshalb zu trennen. Die HF-Spannung hängt an Leistung, Abstimmung und Gegengewicht und zeigt, welche Stellen kritisch sind. Die Gefahr beim Berühren hängt am Strom durch die Kontaktstelle und ist gebannt, wenn niemand die Stelle beim Senden erreicht. Der Schutz vor den Feldern folgt den Grenzwerten und Abständen aus Lektion 1, 2 und 4.

Die Endfed: kürzer heißt höher

Eine 12db-Simulation mit NEC-2 rechnet eine EFHW für 40 m wie in Modul 6, Lektion 1 und 2 mit 1,5 m kurzem Gegengewicht gut 1 m über mittlerem Boden, ohne Koax als Rückweg. Bei 100 W liegen am Speisepunkt rund 500 V, am offenen Ende des Gegengewichts rund 390 V gegen den Boden, 550 V Spitze. 5 % über der Resonanz steigen die 500 V auf rund 830 V.

Weil die Spannung mit der Wurzel der Leistung wächst, sinkt sie mit 10 W Senderleistung nur auf rund ein Drittel, am Ende des Gegengewichts im Modell auf rund 120 V, mit 0,5 m auf 270 V. Gefahrlos anfassen kannst du die Stelle beim Senden auch dann nicht, denn eine harmlose Spannung lässt sich nicht scharf angeben^[1].

In derselben Simulation steigt die Spannung am offenen Ende, wenn das Gegengewicht kürzer wird und die Antenne jeweils neu abgeglichen ist: bei 100 W von rund 200 V mit 3 m auf rund 860 V mit 0,5 m. Auch W8JI beschreibt für stark verkürzte Gegengewichte eine deutlich höhere Spannung am Gegengewicht und an der Seite des Übertragers, an der es hängt^[5]. Der Rückstrom drängt dann zusätzlich auf das Koax (Modul 6, Lektion 2). Kürzen macht das offene Ende also nicht harmloser, sondern gefährlicher.

Eine Mantelwellensperre am Übertrager entschärft das Ende nicht. Sie verlegt den Rückstrom vom Kabel auf das Gegengewicht, in einer zweiten 12db-Simulation mit 2 m Gegengewicht und Koax steigt dadurch die Spannung an dessen Ende bei 100 W von rund 30 V auf 240 bis 300 V, je nach Abgleich. Eine Sperre ist deshalb kein Ersatz für den Berührungsschutz am Gegengewicht. Ohne Sperre fließt der Rückstrom dafür über den Koaxmantel bis zum Funkgerät (Modul 6, Lektion 2).

Die Magnetic Loop: Kilovolt am Kondensator

Am Kondensator einer kleinen Loop liegen bei 100 W einige Kilovolt, in der 12db-Rechnung aus Modul 7, Lektion 1 rund 6,5 kV. Ein Bauartikel von 1991 nennt für 100 W bis zu 10 bis 15 kV, ohne Angabe, ob Effektiv- oder Spitzenwert^[6]. Bei einer gebauten Loop von 1,7 m Durchmesser passte das gemessene Magnetfeld zu 0,6 Ω zusätzlichem Verlust^[7], eine 12db-Simulation ergibt damit bei 50 W rund 1850 V Effektivwert am Kondensator, ohne diesen Verlust rund 4600 V.

Der Strom ist auf dem ganzen Ring fast gleich groß (Modul 7, Lektion 1), die Spannung entlang des Rings dagegen nicht. Jedes Stück Rohr trägt mit seiner Induktivität einen Teil zur Kondensatorspannung bei. Im vereinfachten Modell eines symmetrischen Aufbaus (12db-Rechnung) bildet der Punkt des Rings gegenüber dem Kondensator das elektrische Symmetriepotenzial. Von dort aus wächst der Betrag der HF-Spannung entlang beider Ringhälften bis zu den Kondensatoranschlüssen auf jeweils etwa die halbe Kondensatorspannung.

Wie hoch die Spannung dieser Punkte tatsächlich gegen die Umgebung ist, hängt zusätzlich von der Speisung und den Umgebungsbedingungen ab. Je nach Speisung und Umgebung kann der gesamte Ring zusätzlich eine Spannung gegen seine Umgebung haben. Dadurch verschieben sich die Spannungen an allen Punkten des Rings gemeinsam. Die höchste Spannung gegen die Umgebung liegt im Modell weiterhin an einem der Kondensatoranschlüsse.

Dazu passt, dass bei einer Gamma-Anpassung der Widerstand zwischen diesem Punkt und dem Abgriff dort null ist und zum Kondensator hin sehr groß wird^[8]. Das stützt die Beschreibung qualitativ, den genauen Verlauf beweist es nicht, denn der Widerstand am Abgriff ist nicht einfach die Impedanz des Rohrstücks dazwischen.

Für eine frei stehende Loop von 1 m Durchmesser aus 22-mm-Kupferrohr ergibt die 12db-Rechnung auf 14,2 MHz bei 100 W rund 26 A im Ring und 5,6 kV am Kondensator, je Anschluss rund 2,8 kV gegen den Symmetriepunkt.

Auch der Rest des Rings ist beim Senden kein Griff, und dicht an der Loop ist das Magnetfeld stark (Lektion 1 und 2).

Die schmalbandige Loop muss schon nach wenigen Kilohertz nachgestimmt werden, vorgeschlagen wird dafür ein Motor mit Fernbedienung^[6]. Von Hand ist das heikel, weil schon der nahe Körper die Loop verstimmt^[6] und die Hand dem Kondensator nahekommt.

Die Stellen entschärfen

• Spanne Drahtenden und Gegengewichte mit Seil so ab, dass niemand ihre Enden erreicht, auch die tiefen Enden eines Inverted-V (Modul 2, Lektion 2). Eine Mindesthöhe dafür nennen weder die BEMFV^[9] noch die 26. BImSchV^[4].
• Setze den Kondensator einer Loop außer Reichweite und stimme aus der Ferne ab.
• Fasse die Antenne nur an, wenn der Sender sicher getrennt ist (Lektion 5).