Die Antenne optimieren

Erst das Ziel, dann die Maßnahme

Am Anfang steht die Frage, was bei der Gegenstation ankommen soll. Dafür gibt es zwei Hebel:

1. Wie viel Leistung die Antenne abstrahlt. Das entscheidet die Kette vom Sender über Anpassgerät und Kabel bis zum Speisepunkt, an dem sich die Leistung auf Strahlungswiderstand und Verluste aufteilt (Modul 1, Lektion 4).
2. Wohin sie die Leistung schickt. Das entscheiden Höhe, Ausrichtung und Bauform über das Diagramm in der Richtung und unter dem Erhebungswinkel, den die Verbindung braucht (Modul 8, Lektion 1).

Der Gewinn fasst Speisepunkt und Richtung zusammen: Er ist der Richtfaktor in einer Richtung mal dem Strahlungswirkungsgrad^[1] (Modul 8, Lektion 3), in Dezibel addieren sich die beiden Teile. Er bezieht sich auf die Leistung, die die Antenne aufnimmt, ohne Verluste in Anpassgerät und Kabel davor und ohne die Fehlanpassung zwischen Kabel und Antenne^[1]. Mit Anpassgerät kostet sie zusätzliche Verluste in Kabel und Anpassgerät, ohne regeln viele Sender ihre Leistung zurück (Modul 1, Lektion 5).

Das SWR beschreibt die Anpassung (Modul 1, Lektion 3), über Wirkungsgrad und Diagramm der Antenne sagt es nichts.

Danach kommen die Grenzen des Standorts: was sich ändern lässt, etwa Mast, Radials oder Kabel, und was nicht, etwa Grundstück und Gelände in Zielrichtung. Vor jeder Änderung an Höhe und Lage steht die Sicherheit, etwa der Abstand zu Freileitungen (Modul 4, Lektion 6).

Das Verlustbudget

Ein Verlustbudget schreibt jede Stelle der Kette mit ihrem Verlust auf und rechnet aus, wie viel eine Maßnahme an genau dieser Stelle zurückholt. Zwei Arten von Posten werden dabei verschieden gerechnet:

• Stufen hintereinander wie Anpassgerät und Kabel: Jede lässt bei $a$ dB Verlust den Anteil $10^{-a/10}$ durch (Modul 5, Lektion 1), die dB addieren sich. Senkst du den Verlust einer Stufe von 1,0 auf 0,5 dB, gewinnst du 0,5 dB. Für das Kabel gilt der Wert aus dem Datenblatt bei Anpassung, bei Fehlanpassung kommt ein Zusatzverlust dazu (Modul 1, Lektion 5).
• Wirkanteile in Reihe am Speisepunkt: Strahlungswiderstand $R_S$, Verluste in Spulen und Leitern und Verluste im Erdreich teilen sich die Leistung, die dort ankommt^[2]. Abgestrahlt wird der Anteil $\eta = R_S/(R_S + R_V)$, $R_V$ ist die Summe aller Verluste^[1]. Was eine Maßnahme dort bringt, ist $10 \lg(\eta_\text{neu}/\eta_\text{alt})$.

Ein Verlust am Speisepunkt zählt nur im Verhältnis zur Summe aller Wirkanteile. Senkst du einen kleinen Posten neben einem großen, ändert sich die Summe kaum, und die Maßnahme bringt wenig, auch wenn der Posten neben $R_S$ groß wirkt. Rechne deshalb immer die ganze Summe neu, nicht einen Posten allein neben $R_S$.

Ein Wert in dB aus der Kette und ein Wert in Ohm vom Speisepunkt lassen sich erst vergleichen, wenn du beide in den Zugewinn der Maßnahme in dB umgerechnet hast.

Ein Beispiel ist der 3 m lange Dipol mit Spulen für 20 m aus Modul 7, Lektion 5, im freien Raum gerechnet: rund 9 Ω Strahlungswiderstand, die beiden Spulen verlieren bei einer Güte von 200 zusammen rund 10 Ω. Angenommen sind dazu 0,3 dB in einem Anpassglied am Speisepunkt und 20 m RG-58 mit rund 0,9 dB bei Anpassung, aus den Werten des Datenblatts für 10 und 50 MHz^[3] auf 14 MHz umgerechnet (12db-Rechnung). Am Speisepunkt werden 47 % abgestrahlt, $-3{,}2$ dB. Mit Kabel und Anpassglied kommen von 100 W rund 36 W als Strahlung heraus (12db-Rechnung).

Spulen doppelter Güte senken den Verlust auf rund 5 Ω und bringen 1,3 dB, ein Kabel mit halber Dämpfung 0,45 dB, ein Anpassglied ohne Verlust 0,3 dB (12db-Rechnung). Hier gehört die Maßnahme also an die Spulen.

Über echtem Boden kommen Verluste in der Umgebung dazu (Modul 1, Lektion 4), und die Rechnung ändert sich. Bei einer Vertikalantenne liegt der Verlust im Erdreich in derselben Reihe am Fußpunkt wie Strahlungswiderstand und Spule (Modul 3, Lektion 3). Die Rangfolge folgt aus den Zahlen deines Aufbaus, nicht aus einer festen Liste.

Die Zahlen sind verschieden sicher. Die Dämpfung des Kabels steht im Datenblatt, der Verlust einer Spule folgt aus Blindwiderstand und Güte, wenn die Güte bekannt ist (Modul 3, Lektion 3). Den Verlust im Erdreich schätzt du nur grob ab: Am Fußpunkt messen lässt sich die Summe der Wirkanteile, der Strahlungswiderstand nicht, und über echtem Boden weicht er vom Rechenwert ab^[2]. Liegen zwei Maßnahmen im Budget dicht beieinander, entscheidet die Unsicherheit der Schätzung, nicht die Rechnung.

Wohin die Leistung geht

Die zweite Hälfte des Budgets ist das Diagramm. Für Verbindungen über große Entfernung zählt, wie stark die Antenne im Bereich der flachen Winkel strahlt, den die Verbindung braucht (Modul 8, Lektion 1). Ein waagerechter Dipol in einem Achtel der Wellenlänge strahlt über realem Boden vor allem steil (Modul 1, Lektion 5). Mit der Höhe rückt seine unterste Keule meist zu flacheren Winkeln. Im Beispiel aus Modul 8, Lektion 1 ist ein 40-m-Dipol über mittlerem Boden in 20 m Höhe unter 7° rund 5,5 dB stärker als in 10 m.

Ein Anpassgerät ändert das Diagramm nicht, ein Kabel höchstens über Strom auf dem Mantel (Modul 4, Lektion 5).

Die Richtung kommt dazu. Ein 20-m-Dipol in einem Achtel der Wellenlänge strahlt über mittlerem Boden unter 20° in Drahtrichtung gut 6 dB schwächer als quer dazu, in einer halben Wellenlänge Höhe sind es rund 14 dB (Modul 2, Lektion 4). Zeigt ein Drahtende zur Gegenstation, kann Drehen also mehrere dB bringen.

Als Maßstab hilft die Leistung: Doppelte Senderleistung bringt 3 dB, in jede Richtung gleich (Modul 8, Lektion 3). Eine Änderung an der Antenne, die in Zielrichtung mehr als 3 dB bringt, wirkt dort stärker als eine Endstufe mit doppelter Leistung.

Wer mehr Leistung einsetzt, ermittelt außerdem den Sicherheitsabstand neu. Ändern sich Leistung, Antenne oder Montagehöhe, zeigst du die Anlage gegebenenfalls neu an (Modul 10, Lektion 2 und 4).

Rangfolge und Kontrolle

Daraus folgt ein Vorgehen in vier Schritten:

1. Ziel festlegen: Band, Richtung und Erhebungswinkel der Verbindung.
2. Budget aufschreiben: jede Stufe mit ihrem Verlust in dB, den Speisepunkt mit seinen Wirkanteilen, das Diagramm in Zielrichtung.
3. Für jede machbare Maßnahme ausrechnen, wie viele dB sie zurückholt, und nach dB und Aufwand ordnen.
4. Eine Änderung nach der anderen umsetzen und jede für sich prüfen.

Prüfen heißt vergleichen. Ein einzelner Rapport schwankt um mehrere dB. Belastbar wird die Wirkung eines Umbaus erst über viele gleichzeitige Berichte zu deiner Antenne und zu einer Bezugsantenne, vor und nach dem Umbau, etwa über WSPR oder das Reverse Beacon Network (Modul 9, Lektion 6).

0,3 dB sind rund 7 % Leistung. Im Budget sind sie leicht gerechnet, im Betrieb neben solchen Schwankungen schwer zu sehen.