Drahtantennen mit hochohmiger Endspeisung durch Ununs

Hinweis Eine Minute mit 100 Watt/40m auf den 1zu9-Unun gesendet / Thermografiebilder sind viel weiter unten !

Besonders für die unteren KW-Bänder 160m 80m 60m und 40m sind endgespeiste Antennenaufbauten eine interessante Variante. Die Vorteile sind gegenüber einem klassischen Dipol gleich mehrfach: einmal eine wesentlich kürzere Koax-Speiseleitung, aber auch ein viel geringerer Durchhang, weil kein Balun und kein Koaxkabel an der Antennenmitte nach unten zieht; dazu kommt die Multibandfähigkeit einer z.Bsp. für das 40m-Band ausgelegten Antenne bis hoch ins 10m-Band. Ferner kann man sich auch auf eine dünnere Antennenlitze einlassen, die preiswerter ist, optisch weniger auffallend ist und beim HF-Wirkungsgrad gute Eigenschaften aufweist. Zudem kommt noch der Vorteil der wesentlich geringeren Zugkräfte auf der Antenne. Hinweis auf geeignete Antennenlitzen; Klick hier Zu empfehlen ist auch eine leichte, dünne Litze mit nicht metallischem Tragelement. Die sammelt im Winter auch weniger Eisbesatz ein. Da immer mehr Transceiver einen automatischen Antennentuner eingebaut haben, werden endgespeiste Drahtantennen immer beliebter. Aber: Schaltdraht gemäß H07V-K ist jedoch für dauerhaft installierte Antennen nicht zu empfehlen!

Ein Blick auf im Internet angebotene endgespeiste Drahtantennen (EFHW) offenbart ein reichhaltiges Angebot zu reellen, aber auch zu total überteuerten Preisen. Eine nähere Betrachtung der angegebenen technischen Daten ist ratsam, denn so manches Produkt kann den Käufer auch enttäuschen, weil die angegebenen Frequenzbereiche kaum, oder nur sehr eingeschränkt eingehalten werden können. Leistungsangaben von bis zu 2kW sind unrealistisch, auch 1kW kann den Ringkern zerstören. Mit nur einer Transformation von 1:49, wird vom Tuner oft mehr abverlangt, als er leisten kann. Die Folgen sind dann ein schlechter Wirkungsgrad der Antenne, im Tuner verheizte Sendeleistung, Schaden am Gerät und ein frustrierter OM. Wie man diese Transformationsglieder (UNUNs) baut und auf was es noch ankommt, außer geeignetem Ferritkern und Draht, beschreibe ich hier im weiteren Text.

Antennen selbst bauen, besonders endgespeiste, ist was für einen echten Amateurfunker !

Im Gegensatz zum klassischen lambda-halbe-Dipol ist der zu erwartende Fusspunktwiderstand bei endgespeisten Antennen eine nicht von vorn herein genau bekannte Größe. Sie hängt von der Länge, vom Umfeld der Antenne, ihrer Höhe über Grund und den Eigenschaften des Erdbodens ab. Sie misst man am einfachsten indem man die Antenne zuerst provisorisch mit einem 1:9 Unun versieht und dann mit dem NanoVNA den Parameter S11 im Smith-Diagramm anzeigt. Die Frequenzmarke "1" setzt man auf die Wunschfrequenz und kann sofort die komplexe Impedanz (als Reihenschaltung) der Antenne in Realteil und Blindanteil ablesen. Ist der Realteil >50 Ohm, oder <50 Ohm, so kann man leicht mittels Dreisatz den benötigten 1:X - Faktor berechnen.

Beispiel1: Anzeige 93 Ohm Realteil und Blindkomponente 0,76µH   Rechnung: 93 / 50 mal Unun-Faktor 9 = 16,74   Ergebnis: Unun mit 1:16 passt gut!

Beispiel2: Anzeige 38 Ohm Realteil und Blindkomponente 0,55µH   Rechnung: 38 / 50 mal Unun-Faktor 9 = 6,84   Ergebnis: Unun mit 1:9 ist zu hoch, an seiner Stelle setzt man besser einen Autotrafo mit z.B. 11 zu 4 Windungen ein (siehe weiter unten).

Ein Beispiel vom US amerikanischen Club ARRL, mit sehr detaillierter Beschreibung eines 1:49-Transformationsglieds (Unun) für eine endgespeiste Drahtantenne (40m bis 10m, das Design von PA2DKW) zum Selbstbau: empfehle hier zu klicken Die gezeigten Bauteile kann man ja auch in DL kaufen (z.B. das Gehäuse ET 212 von BOPLA und den amidon-Ringkern bei www.Reichelt.de) . Zur Kompensation der Streuinduktivität wird hier pauschal ein 100pF-Kondensator vorgeschlagen. Das erschien mir anfangs zu viel, zumal er auf den oberen Bändern seine Wirkung entfalten soll. Im Link 20 (Smith-Diagramm) und hier weiter unten befindet sich ein EXCEL-Blatt zur Berechnung einer wirklich passenden Kapazität, anhand einer mit dem NanoVNA gemessenen (Streu-)Induktivität. Je größer der 1 zu n .Faktor ist (z.B. 49 oder 64), je mehr verbessert der Kondensator die Anpassung.

Im Begleittext zu dem Kit-Angebot steht der Satz: "wenn du ein Newcomer bist und solch eine Antenne gebaut hast, steigst du zu einem echten Ham auf !" (frei übersetzt)

Eine Buchempfehlung: "Praxisbuch Antennenbau" von Max Rüegger HB9ACC / ISBN 978-3-910159-41-9 ist beim DARC-Verlag zu beziehen

Ein schier unendlicher Fundus an Wissen über Ferrit-Ringkerne und mehr bietet amidon-Deutschland unter dem Link: Klick zu amidon

Was sich in einem UNUN abspielt, zeigt dieses Bild beispielhaft: Unun 1:9 Der Kern muss die ganze Sendeleistung im ganzen Nutzfrequenzbereich übertragen können. Ein FT240-Ringkern kommt mit 400W an die Sättigungsgrenze, wird heiß, nichtlinear (Ober- und Nebenwelllen !), verliert seine Permeabilität, geht auf Dauer kaputt. Einige wenige Zehntel-dB an Einfügedämpfung sind leider unvermeidbar und Verlustleistungen die Folge, sie heizen den UNUN auch auf. Siehe Tabelle Verlustleistungsrechner weiter unten.

Meine fertigen Ununs mit Flachkabel auf FT240-Kernen und auf Leiterplatten aufgebaut

links der Unun 1:9 Ununs 1:9 und 16 rechts der Unun 1:16

Unun 1:9 Ununs 1:16

Durch Heruntertransformieren bringt man den Realteil bereits nahe an die 50 Ohm heran, um den verbleibenden Blindanteil zu kompensieren, setzt man wenn nötig die Matchbox ein. Realteil und Blindwiderstand werden um den selben Unun-Faktor 1:n heruntergeteilt. Dabei bleibt der Phasenwinkel unverändert erhalten. Somit erzielt man den bestmöglichen Wirkungsgrad. Besondere Beachtung verdient das Schaltplansymbol des Erdanschlusses. Hier muss eine gute HF-Erde angeschlossen werden, niederohmig im Real- und Imaginär-Teil. Da wir hier einen Stromkreis haben, fließt in diese Erde der selbe Betrag an Strom, wie in die Antenne. Jeder dämpfende Widerstand im Stromkreis bringt Verluste, verheizt Sendeleistung, verschlechtert den Wirkungsgrad.

Kupfergeflechtband eignet sich gut als niederohmige Erdleitung: Kupfergeflechtband (Bezug: amazon, Conrad) Massangaben nur circa, da das weiche Geflecht nachgibt.

Hinweis Parallelschalten verbessert die Widerstands-Verhätnisse, wie aktuelle Messungen ergeben haben, nur dann wirklich gut, wenn die Geflecht-Bänder nicht aufeinandern liegen, sondern nebeneinander gelegt werden! (Skin-Effekt: durch die beiden Innenseiten fließt kein Strom)

zu den Messwerten hier klicken

Kupfergeflechtband legen

Sie brauchen sich entlang der Leitung auch nicht zu berühren.

Zu diesem und weiteren Aspekten von endgespeisten Antennen liegt der CQDL-Redaktion bereits ein neuer Beitrag vor, der aber leider erst im Sommer 2025 erscheinen wird.

Zu beachten ist ferner, dass oft von EFHW-Antennen die Rede ist (endgespeister Halbwellendipol), also nur für ein Band! Ich betreibe hingegen eine endgespeiste Antenne, die auf 160 / 80 / 40m usw. genutzt wird und deshalb mehrere 1 zu n - UNUNs notwendig sind, mit n = 64 / 36 / 16 / 9 .

UNUN-Bauweise mit Paralleldrahtleitung:

Die Anzahl der parallelen Leiter im Quadrat ergibt den Impedanz-Transformationsfaktor, also 2 Leiter ergibt Faktor 4, drei den Faktor 9, 4 den Faktor 16 , 5 den Faktor 25 und so weiter bis 7 für die bekannten 1:49. Zugleich sinkt jedoch mit zunehmender Leiteranzahl die obere Grenzfrequenz merklich wegen nahender Eigenresonanz.

Alternative UNUN-Bauweise

mit nur 2 Wicklungen unterschiedlicher Windungszahlen am Beispiel ab dem 160m-Band: Die ersten 4 Windungen werden mit 2 verdrillten CuL-Drähten gewickelt, die Enden des kurzen Drahts liegen an Masse und dem 50 Ohm-Anschluss. Der zweite Draht ist viel länger und wird noch weitere 24 Windungen auf den Kern gewickelt. Also insgesamt 28 Windungen ab der Masse. Es gilt: 28/4=7 und 7 im Quadrat ergibt 49. So bekommt man einen 1:49 Unun mit wenig Draht und somit geringeren Verlusten. Bei P=100Watt ist Ueff=495V und Uss=700V am hochohmigen Ausgang.

am Beispiel ab dem 160m-Band: Unun 1:49 mit 2 Draht Einfache Formel: 28 : 4 = 7 und 7^2 = 49

Einen Wickelrechner zum Herunterladen Klick

Aus drei Ununs mit den Transformationsfaktoren 1 zu 4 / zu 9 / zu 16 und einigen KFZ-Relais (12V= mit 40A-Kontakten) kann eine Auswahlschaltung für die Faktoren 1 (bypass), 4 , 9 , 16 , 36 und 64 gebaut werden. Sie ist leicht steuerbar.

Ununs umschaltbar Auswahl Ununs auf Keramikplatte

Während senderseitig die Relais in Weissblechgehäusen untergebracht sind, ist die antennenseitige Schaltung mit den UNUNs und Relais auf einer Keramikplatte aufgebaut, da dort hohe Spannungen auftreten. Im Bild ganz oben links sieht man eine große Drossel mit paralleler Blitzpille zur Ableitung möglicher Ladungen auf dem Antennendraht, wenn zu Messzwecken mal kein Unun geschaltet ist (1:1 durchgeschaltet).

Damit steht bei einer endgespeisten Antenne die für jedes Band optimale Transformation zur Verfügung. Man kann nicht erwarten, mit nur einem einzigen Transformationsfaktor auf ein und der selben Antenne für alle Bänder auszukommen. Die Praxis hat gezeigt, dass die größte Transformation 1:64 auf 160m gebraucht wird, für 80m noch die 1:36 und für 40m genügen bereits die 1:9. Eine Anzeige des Antennenstroms und der (H- oder E-)Feldstärke ist einfach zu bauen und hilft, die jeweils beste Wahl zu treffen. Beschreibung in Link 7. Alternativ dazu liefert die Impedanzanzeige (R + L/C) im S11 SMITH des NanoVNA den Hinweis, bei R-Werten deutlich <50 Ohm ist der gewählte Faktor zu groß, bei deutlich >50 Ohm ist er zu klein.

Im Fall, dass der benötigte Faktor einen deutlich von 4 , 9, 16, 25, usw. abweichenden Wert hat, verwendet man am besten einen HF-Autotrafo, bestehend aus einer Wicklung mit passender Anzapfung (siehe Bild) auf einem geeigneten Ringkern. Das Prinzip ist immer gleich, den Realteil gut auf die 50 Ohm transformieren und den Blindanteil kompensieren. Werden noch größere Faktoren notwendig, so empfiehlt es sich wegen der Eigenresonanzen, diese durch Kaskadieren zweier kleinerer mit höheren Eigenresonanzen herzustellen. Beispiel: 1:9 und 1:4 kaskadiert ergibt 1:36, die obere Grenzfrequenz des 1:9er Ununs ist dann maßgebend. Bei den niedrigen Impedanzfaktoren 4 , 9 , 16 kann man auch auf den teuren Kompensationkondensator gegen Streuinduktivitäten verzichten, bei 49 oder 64 ist das anders

Unun 1:9 und 1:16 realisiert mit dem Kern WE74270097 = RK1. Das verwendete Flachkabel im RM2,54mm mit dem Querschnitt 0,22qmm, hat als paarige Leitung einen gemessenen Wellenwiderstand von ca.173 Ohm. Das goemetrische Mittel aus 50 & 450 ist 150, und aus 50 & 800 ist es 200, die 173 Ohm sind also eine gute Näherung. (Bezug: Pollin Elektronik 16 x 0,22qmm Art.-Nr.563831)

Ein 1:9-Unun wie oben abgebildet, mit amidon FT240-61 Kern, abgeschlossen mit 450 Ohm, zeigt bei 7,2MHz eine Streuinduktivität von 25nH. Daraus ergibt sich eine Kapazität von ca.10,4pF zur Kompensation. Solange die Werte so klein sind, kann der Kondensator getrost weggelassen werden. Ein hier eingesetzter Kondensator muss nicht nur ausreichend spannungsfest (>=500V), sondern auch sehr verlustarm sein. Ungeeignete Exemplare werden heiß und löten sich aus. Koaxkabel RG58 hat ca.100pF pro Meter (Seele zu Schirm) und eignet sich gut.

Hinweis Für fortgeschrittene User stelle ich hier ein EXCEL-Kalklationsblatt zur Berechnung von Kompensationskapazitäten gegen Streuinduktivitäten bereit : Klick zum Herunterladen

Folgenede HF-Spannungen bei P=100W finden sich am hochohmigen Ausgang der Ununs ein: U-HF am Unun

Berechne mal die Spannung bei 1:49 und P=2kW mit Wurzei(49 mal 50 mal 2000): = 2214Volt HochspannungKein weiterer Kommentar.

Hier die S11- und S21-Messdaten bei gleicher Bewicklung für 1:9 Ununs mit den Kernen FT240-43 und FT240-61 von amidon: UNUN-Messdaten Daraufhin mehr als ein guter Rat: das 160m-Band kann man für Ununs mit 1:9 außer Acht lassen, wer dem 80m- und 40m-Band den Vorzug gibt, wählt den Kern FT240-43 oder WE74270097 (Preisunterschied!), wer dem 40m- und 30m-Band den Vorzug gibt, wählt den Kern FT240-61. Wie sich anhand der Messdaten zeigt, sollten eher 4 statt 3 Windungen aufgebracht werden. Es gibt nach meinen bisherigen praktischen Erfahrungen keinen Kern und auch keine Bewicklung, die breitbandig optimal wäre. Was so angeboten wird und angeblich von 80m bis 10m funktionieren soll, hält wohl einer kritischen Prüfung kaum stand. Zumal sich auch die Impedanzverhältnisse einer Drahtantenne in dem weiten Frequenzbereich erheblich unterscheiden. Besser man optimiert S11 & S21 auf nur 2 Bändern und baut einen weiteren Unun, optimiert für die anderen Bänder.

So habe ich für 160m einen 1:16 Unun mit FT240-43 Kern (plus nachgeschaltet 1:4) und für 80m & 40m einen 1:9 Unun mit FT240-43 Kern. (80m mit nachgeschaltet 1:4) Alternativ wäre für 40m auch ein Kern aus 61er Material sehr gut. Da der 1:9 für 80m und 40m im Einsatz ist, ist jedoch das 43er Material der bessere Kompromis. Die folgenden Messergebnisse bekommt man mit HF-tauglichen Abschlüssen 800 und 450 Ohm:

Unun 1:16 Unun 1:9 80m & 40m

Unun 1:9 mit 61er 61er Material wäre nur ideal auf 40m, 30m usw.

Design-Hilfen:

Zwei Leiterplatten, optimiert für Ununs 1:9 und 1:16, sowie Spannungsbaluns 1:1, für einfaches und sicher reproduzierbares Design mit diversen Kernen, Drähten und Windungszahlen: Unun+1:1 Balund-Design Mehr erfahren unter: hier klicken

Tabelle und Dokument zum download: Autotrafo-Berechnung Textfeld Zusammenfassung Ununs 1:9 usw

Das bereitgestellte EXCEL-File hat jetzt neu 3 verschiedene Tabellen: zur Berechnung, eine Impedanztabelle und ein Tool zur Planung der Schaltbrücken. Beim Transformieren bestimmt der Realteil mit seinem Verhältnis bezogen auf Z=50 Ohm den Transformationsfaktor, der Phasenwinkel der komplexen Antennen-Impedanz bleibt dabei erhalten. Das vereinfacht die Kompensation mit der Matchbox. Viel Erfolg beim Arbeiten mit den EXCEL-Rechentabellen!

Anderes Beispiel einer Impedanz-Anzeige im NanoVNA: Impedanzanzeige Ablesung real 44,9 Ohm, Blindkomponente 169nH. (nahe am Optimum) Durch einen Unun 1 zu 16 und zwei HF-Autotrafos 1 zu 4 und 1 zu 1,8 in Reihe, heruntertransformierte Fußpunkt-Impedanzen einer endgespeisten, etwa 70m langen Drahtantenne, die wohl um die 5170 Ohm hat, diese durch (16 x 4 x 1,8) ergibt = 44,9 Ohm. Bei P=100W steht demnach in der Spitze 1kV an! Es ist nun wesentlich einfacher, sie per Matchbox optimal an reelles Z0 (50 Ohm) anzupassen, was die Anpassverluste seitens der Matchbox minimiert.

Da in der Praxis zwischen Transceiver und UNUN an der Antenneneinspeisestelle ein Koaxkabel von mehreren Metern Länge liegt, muss auch die Transformation auf dem Koaxkabel beachtet werden. Man mißt die elektrische Kabellänge anhand der lambda-Viertel-Resonanzfrequenz "FLV" und berechnet die frequenzabhängige Drehung auf dem blauen Kreis für die jeweilige Betriebsfrequenz im Smithdiagramm rechts herum mit dem Dreisatz: F-Betrieb / FLV mal 180 grd. Da kann es durchaus vorkommen, dass der ansich hochohmige Fußpunktwiderstand Z auf einen niederohmigen Wert Z* transformiert wird. Siehe Bildbeispiel

transformiertes Zund konkret: praktisch transformiertes Z bei nur 101 Messpunkten im gesamten Sweep ist die Darstellung im Smithdiagramm leider zu "eckig". Bilder mit mehr Messpunkten folgen.

Im hier vorliegenden Fall meiner Antenne auf dem 160m-Band bei 1860kHz und einer Gesamt-Leitungslänge zwischen Transceiver und UNUN 1zu64 von ca.6m, ergibt sich eine Diagrammdrehung von 41Grd. Die grüne Marke 1 im Smithdiagramm liegt schon relativ nahe zur "1 in der Mitte" und somit ist der restliche Anpassungs-Abgleich im Tuner recht einfach und verlustarm. Erklärung zu den Messungen mit dem NanoVNA: "direkt"= an der Buchse des UNUN / "mit Zuleitung"= nur die 4,65m Kabel zum UNUN ohne die Auswahl-Relais / "am Trcv-Anschluss"= Gesamt-Leitungslänge ca.6m mit den Relais und einem kurzen Kabel bis zum Gerät

Bitte folgende Anmerkung zur Kenntnis nehmen: die komplexe Impedanz Zx am Koaxanschluss des UNUNs ist so gut wie nie gleich dem Z0 (50 Ohm) des Koaxkabels. Folglich transformiert das Kabel die Zx entsprechend den komplexen Formeln der Leitungtheorie. (nachlesen bei https://de.wikipedia.org/wiki/Leitungstheorie) Hinzu kommt eine Drehung des Smithdiagramms entsprechend der elektrischen Kabellänge im Uhrzeigersinn. Das geben die drei aufgezeichneten Messergebnisse oben genau wieder. Der Begriff "Phasendrehung" im Bild links ist nur die halbe Wahrheit und somit eigentlich ganz unzureichend.

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Welcher Ringkern ist gut geeignet ?

Diese Frage ist nicht einfach pauschal zu beantworten. Es hängt von der Anwendung und dem gewünschten Nutzfrequenzbereich ab. Es läuft hier gerade eine Messreihe mit folgenden 3 Kerntypen: WE74270097=RK1 beim DARC-Verlag, amidon FT240 59430038 (43er Material) und amidon FT240 59610038 (61er Material). Ferner wird auch der WE74270191 vermessen, (siehe das EXCEL-Blatt weiter oben) der bis etwa 10MHz akzeptable AL-Werte zeigt.

Kern beim Messen WE74270191 = RK4 beim Messen

Mehr über geeignete und weniger geeignete Ringkerne: hier klicken

Eine Erkenntnis konnte ich bei den zahlreichen in letzter Zeit gebauten Ununs und Baluns gewinnen: > mit den relativ hochpermeablen Ringkernen bedarf es nur relativ weniger Windungen, um damit breitbandig einsetzbare Komponenten zu realisieren. Jede nicht benötigte Windung spart Verlustwiderstand und erhöht die durch die unvermeidliche Eigenresonanz limitierte Grenzfrequenz.

Die Tabelle der dB-Werte der S11-Rückflußdämpfung ins VSWR übersetzt hier klicken Ein EXCEL-Rechenblatt dazu: Klick

Beachte auch diese Tabelle: Verlustleistungstabelle kleine dB aber großer Effekt

Auch bei ansich geringer Dämpfung von 0,2dB werden doch immerhin bei 100W Sendeleistung 4,5W in Wärme umgewandelt. Das kann so einen Unun schon gut erwämen, ganz besonders bei Betriebsarten mit Dauerstrich wie FM, oder Feld-Hell, oder SSTV usw., vielleicht auch FT8 (15sec TX und 15sec.RX im Wechsel). Da empfiehlt sich ein großer FT240-Kern und evtl. auch ein kleiner Lüfter zur Kühlung des Ununs. Es ist auch von Vorteil, wenn man Ununs kaskatiert und so die Wärmequellen verteilt, zum Beispiel 1:16 und 1:4 ergibt die 1:64 auf 2 Kerne verteilt.

Wickeldraht-Empfehlung: bei amazon gibt es einen für 220grd.C nach IEC60317-13 spezifizierten, doppelt beschichteten, CuL-Draht (Stärke 1,15mm AWG17 Bezug:amazon Emtel 1.15 mm (17 AWG) - 500 gr (1 LB) - 53 Meter Emaillierter Kupferdraht - Wärmeklasse 220grd.C - Doppelt isolierter Wickeldraht für Elektromotoren, Transformatoren und Magnetspulen )

Wichtiges Thema: Bauteile-Erwärmung durch verlustbehaftete Komponenten

Bei den UNUNs kann sich sowohl der aufgewickelte Draht, als auch der Kern selbst aufheizen. Der im Transceiver eingebaute Tuner ist oft kompakt aufgebaut und erwärmt sich ebenfalls, je extremer die anzupassende Impedanz ist, je mehr Erwärmung entsteht. Der eingebaute Tuner erscheint mir das schwächere Glied in der Kette. Um die Situation zu analysieren, baue ich einfache Thermometer an die Kerne der UNUNs und berichte zu gegebener Zeit meine Erkenntnisse.

Thermografie - Test

Die weiter oben abgebildeten UNUNs 1:9 (auf 7,1MHz) und 1:16 (auf 1,87MHz) wurden mit 100W (CW Dauerstrich, 1 Minute) belastet um die Erwärmung von Kern und Wicklung zu prüfen. Der Messaufbau: Leistungstest Leistungstest Ununpaar

Die Wärmebilder des 1zu9: Leistungstest Infrarot der Kern wird minimal wärmer als der Draht: Leistungstest Infrarot Temperaturunterschied im Bereich der Messfehler. Also kein Wärmeproblem vorhanden.

Die Wärmebilder des 1zu16: Leistungstest Infrarot der Kern wird minimal wärmer als der Draht: Leistungstest Infrarot Temperaturunterschied im Bereich der Messfehler. Also auch kein Wärmeproblem vorhanden.

ERKENNTNIS: Bei UNUNs wird der Kern wärmer.   Bei 1:1 BALUNs hingegen der Draht.

eine Suchanzeige Balun-Suche Angebote an dk3ss@darc.de erbeten

zu Ferritmaterialien vom DARC-Verlag

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Stand dieser Seite: 26.10.2024

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