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Loopantenne 30m-Band: Dipol 17m-Band:

Einfache Orientierungsmessungen an Antennen mit dem NanoVNA finden bei magnetischen Loops direkt am Anschluss der Loopantenne statt, bei Dipol-Antennen immer mit angeschlossenem Koaxkabel ausreichender Länge und liefern Aussagen über die Grundfunktionen der Antenne. Für den Sendebetrieb bei magnetischen Loops wird jedoch eine Messung aus Sicht des Senders am anderen Kabelende benötigt, vergleichbar zum Dipol. Aufgrund der hohen Güte der abgestimmten Loopantenne, beeinflusst das Koaxialkabel zum Sender trotz sehr guter Anpassung die exakte Resonanzfrequenz. Messungen mit dem NanoVNA direkt an der Antenne unterscheiden sich etwas von Messungen am Kabelende beim Sender. Die Nähe des Operators zur Antenne verstimmt diese auch merklich. Dies betrifft sowohl die exakte Resonanzfrequenz, als auch die exakte 50 Ohm-Anpassung. Über die Länge des Koaxkabels transformiert sich auch jede kleine Fehlanpassung, sei es ein ohmscher oder ein komplexer (L & C) Widerstand, ans andere Kabelende.

Vergleich der beiden sehr unterschiedlichen Resonanzkurven (grün & blau) im Smithdiagramm oben. Die scharfe Resonanz der Loopantenne und die breite Anpassung beim Dipol. Sie entsteht durch den im Smithdiagramm sichtbaren "Kringel" nahe am Zentrum (Punkt 1 bzw. Z0=50 Ohm).

Die gelben Kurven der Anpassung/Rückflußdämpfung hingegen sehen zumindest ähnlich aus, die Loop ist nur wesentlich besser angepaßt (VSWR 1:1) als der einfach unter Dach gespannte Dipol (VSWR 1:1,7). Der für das 15m-Band gebaute Dipol zeigt hier im gegebenen Umfeld unter Dach einen Fußpunktwiderstand von ca.82 Ohm, der nicht ohne weiteres verändert werden kann, es sei denn man baut ein abgestimmtes Gamma-Match hinzu. Bei Regenwetter und nassen Dachziegeln steigt der Widerstand auf über 83 Ohm und bei trockenen sinkt er auf unter 81 Ohm. Mein Dach ist isoliert, (Steinwolle auf Alufolie), die Unterseite der Dachpfannen ist nicht sichtbar. Der Dipol wird vom Dach stark beeinflußt, die Resonanz sinkt um ca.3MHz.

Die weiter unten abgebildete Kette aus Gleichstromeinspeisung (optional), dem neuen VNA-Messport in das das NanoVNA einspeist und dem Mantelwellenfilter erlaubt den permanenten Anschluss des NanoVNA an/in die Sendeleitung,

ohne durch die Sendeleistung Schaden zu nehmen.

Das Design ist auf die Größenordnung von maximal ~100Watt ausgelegt. Gefordert ist hier eine gute Anpassung, wobei besonderes Augenmerk auf den unteren Frequenzbereich (160m-Band) fällt. Hier muss die Verdrosselung ausreichend gut sein und keine störenden Eigenresonanzen aufweisen.

Die Messwerte des VNA-Messports zeigen etwa 26dB Rückflussdämpfung im Durchgangspfad und umgeschaltet, hier dargestellt >42dB im Messpfad (mittleres Bild, 10m-Band/Marker8).

Nochmals ein Blick in das Mantelwellensperrfilter, dem hier eine besondere Bedeutung zukommt. Es muss am Senderstandort, aber der Antenne am nächsten eingeschleift sein. Andernfalls ist die Messung sehr handempfindlich, denn schon das zarte Berühren eines Koaxsteckers "verbiegt" die Messkurve sonst deutlich. Dieser Effekt ist vollkommen unabhängig von der Sendeleistung und ist so auch bei 1mW/0dBm vom Messsender zu beobachten!

mit RG316 gefertigt:

Die linke Messkurve zeigt die Mantelstromdämpfung beim Einsatz vom billigen RG174A/U, die rechte Messkurve zeigt deutlich bessere Werte beim Einsatz des teureren Teflon-Kabels RG316, was generell zu empfehlen ist. Um unverfälschte Messergebnisse zu bekommen, kann auf das dem VNA-Messport antennenseitig vorgeschaltete Mantelwellenfilter nicht verzichtet werden.

Jetzt ist das Messmittel NanoVNA um etwa 20m Koaxkabel von der Antenne entfernt, man erkennt die zusätzliche Kabeldämpfung und die Anpassung im Resonanzpunkt. Link Das Koaxialkabel dieser Länge geht deutlich in die genaue Resonanzfrequnz der Loopantenne ein, da sie ja eine hohe Güte hat. Jede ohmsche Fehlanpassung und jede komplexe Impedanz transformiert sich über das Koaxialkabel in die Antenne und verstimmt sie entsprechend. Messungen mit dem angeschlossenen Koaxialkabel liefern also die Realität.

Der Schaltplan des VNA-Messports zeigt die Lösung der Aufgaben: hohe HF-Sperrwirkung zum Schutz des NanoVNA vor der Sendeleistung, gute Anpassung damit keine Messung verfälscht wird und das Bedämpfen der unerwünschten Resonanzen innerhalb der verwendeten Drosseln mit R3, R4 und R5. Den HF-Indikator habe ich letzlich doch nicht fertig realisiert. Damit setzt sich das Modul rein aus passiven Bauteilen R, L und C zusammen, benötigt keine Stromversorgung.

Messport Außenansicht:

In Schalterstellung [Senden] werden die beiden SO239-Koaxbuchsen mit einem RG316-Koaxialkabel verbunden, die Leitungslänge in Summe aus 41cm Kabel, dem Umschalter und den beiden Koaxbuchsen beträgt etwa 47cm. Das RG316 ist lose aufgewickelt, so dass es gut ins Gehäuse passt. Seine lambda-Viertel-Resonanz liegt somit bei etwa 130MHz, also weit genug oberhalb des Nutzfrequenzbereichs.

In Stellung [Messen] besteht ebenfalls Gleichstromdurchgang zwischen den beiden SO239-Buchsen über die Drossel L4, sowie den Gleichtaktdrosseln L2 und L3, sowie L5 und L6, damit ist die Fernspeisung für Antennen mit aktiven Komponenten und die gleichzeitige Fernsteuerung sichergestellt. Jetzt kann das NanoVNA die Impedanzverhältnisse aus Sicht der Senderendstufe messen. Der Sender selbst sieht nur eine offene Leitung, er darf daher nicht senden! Im RX hört man deutlich wie das NanoVNA über die gerade eingestellte Frequenz wobbelt, zugleich kommt so gut wie keine HF mehr von der Antenne durch, da sie für den RX weggeschaltet ist. Die sich natürlich ergebende Koppelkapazität sorgt immer noch für einen guten S-Meter-Ausschlag vom HF-Generator im NanoVNA. Hier setzt eine erweiterte Version, der "VNA-Messport V1.0" an, welche hier vorgestellt wird, sobald die Entwicklung und die Messungen an den neuen Leiterplatten abgeschlossen sind. Das Funktionsprinzip beruht auf der phasenrichtigen Addition von eingekoppeltem und Rücklauf-Signal, so dass bei zueinander passenden Pegeln bei der Resonanzfrequenz ein deutlicher "Dip" im RX zustande kommt. Nur bei Resonanzstellen mit einem hohen Gütefaktor, also den Loop-Antennen oder vergleichbar schmalbandigen anderen Antennen funktioniert das. Bei Dipolen, Drahtantennen, Beams usw. ist der "Dip" viel zu breit, als dass er auffallen würde. Der hierfür mit 2 Ferritkernen realisierte Richtkoppler ist vom 160m- bis zum 6m-Band nutzbar. Das Prinzip dieses Richtkopplers kann bei Wikipedia nachgelesen werden. Anhand der Zunahme des Empfangspegels hatte man schon immer die Resonanzstelle der magnetischen Antenne gefunden, im Gegensatz dazu schafft man sich mit dem beschriebenen alternativen Verfahren eine "ruhige" Empfangslage und hört deutlicher ohne QRM den Minimalpegel vom NanoVNA im Dip. So findet man leicht in die Nähe der Resonanzfrequenz und kann mittels Wattmeter oder VSWR-Meter den Feinabgleich durchführen. Dazu gibt es 2 Methoden, 1. den VFO etwas verstimmen, oder 2. den VFO so stehen lassen und die magnetische Antenne etwas nachgleichen, in jedem Fall auf optimale Anpassung.

Einige Vorab-Informationen:

Die Resonanzfrequenz ( = bestes VSWR / größte Rückflußdämpfung ) wird durch einen ca.2 bis 3 S-Stufen tiefen "Dip" im RX deutlich hörbar markiert. Das NanoVNA arbeitet als Wobbelsender, ein Blick aufs Display ist hierbei nicht notwendig, in der Abschirm-Kassette ohnehin nicht möglich. An den Pegeln wird noch gearbeitet durch Erprobung der günstigsten Bauteilewerte, genauso an einer optimalen Kabelführung des RG316-Koaxkabels im Gehäuse und der magnetischen Entkopplung der beiden Kerne des Richtkopplers. Ein Problem beim NanoVNA ist allerdings auch, seine mangelnde HF-Dichtigkeit, dadurch wird, wenn er normal üblich offen betrieben wird, die Tiefe des Dips stark eingeschränkt, oder gänzlich aufgefüllt. Ein geeignetes Abschirmmittel muss also her. Die im NanoVNA befindlichen Schaltregler liefern unerwünschte Störsignale speziell im KW-Bereich, die auch über das USB-Kabel abgestrahlt werden. Diese gilt es im geeigneten Abschirmgehäuse eingesperrt zu halten. Die dargestellten Pegelkurven wurden mit einem hp-Netzwerkanalysator aufgenommen. Sie zeigen das Ziel wie es mit dem NanoVNA dann auch aussehen sollte. An einer geeigneten Lösung mit einer preiswerten Kassette aus Stahlblech, innen ergänzt um etwas Weißblech und gleichtaktverdrosselter Gleichstromzuführung, eingebauter 5V linear geregelten Speisung über das USB-Kabel wird noch gearbeitet und gemessen. Final wird da wohl ein Weißblechgehäuse zum Einsatz kommen.

Das Blockschaltbild der erweiterten Version'V1.0 und schon mal ein Blick ins Innere eines meiner Entwicklungsmuster

Die HF-Pegel-Kurven (zum RX [1], gemessen von J1 nach J3 und vom S11 [2], gemessen von J1 nach J2) am Beispiel einer Loop für das 30m-Band korrelieren schon sehr schön. Durch weitere Optimierung der Bauteilewerte und der Wickelgüter des Richtkopplers soll der Dip so genau wie machbar auf der Resonanzfrequenz der Antenne und zugleich so tief als möglich zu liegen kommen. Eine geeignete Schutzschaltung mit antiparallelen Schottky-Dioden gegen versehentliches, unbeabsichtigtes Senden bei Schalterstellung [Messen] ohne dabei Schaden am NanoVNA anzurichten, wird ebenfalls implementiert. Sie ist von aussen mittels Cinch steckbar und so leicht ohne Eingriff ins Gerät auswechselbar, wenn sie mal kaputt gegangen sind.

Zum Verständnis: die mit dem grünen Pfeil markierte vektorielle Verlaufskurve geht im Resonanzpunkt genau durch den Mittelpunkt im Smith-Diagramm, dabei schlägt die Phase genau dort um, grob betrachtet um insgesamt 180grd, was dazu führt, dass die Addition vom Signal des Richtkopplers (Rücklauf), welches den Phasenwechsel aufweist, mit dem über Streukapazitäten eingekoppeltem Signal, das keinen Phasenwechsel hat, einen kleinen Versatz nach rechts aufweist, der um so kleiner ist, je höher die Kreisgüte der Loopantenne ist. Richtig gut werden die Mess-Daten der Schaltung erst durch den Einsatz einer Weissblech-Trennwand um das Richtkoppler-Netzwerk und beim fest Schließen des Gehäusedeckels, was die optimalen Phasenverhältnisse herstellt.

Mit einer guten Matchbox und einem billigen Abschlusswiderstand am Antennenausgang kann man leicht eine Art Antennensimulator realisieren, wobei hier nicht gesendet, sondern nur RX-Pegel im Bereich der Resonanz in der Schalterstellung [Messen] geprüft werden. Die Anpassung wird immer auf bestes VSWR abgestimmt. Die Spule in der Matchbox sollte für die tieferen Frequenzen möglichst viele Anzapfungen haben, eine Rollspule ist geradezu ideal geeignet.

So habe ich an meinem Entwicklungsmuster folgende Dip-Tiefen ermittelt:

auf 160m typisch 8dB; auf 80m typisch 15dB; auf 40m typisch 20dB; höhere Bänder bis 20m >20dB (6dB entsprechen einer S-Stufe)

Bei 20m ist jedoch die Obergrenze des Antennensimulators erreicht, mit der kleinstmöglichen Windungszahl der Luftspule in meiner recht großen Matchbox.

Zusammenfassung:

Der VNA-Messport eignet sich besonders für alle Antennen mit scharfer Resonanz, die aufgrund ihrer Schmalbandigkeit immer genau auf der Sendefrequenz in Resonanz gebracht werden müssen, damit sie zufriedenstellend arbeiten. Das betrifft also alle Loops, portable Vertikalantennen und diverse sonstige abstimmbare Antennen. Der VNA-Messport kann also permanent in der Antennenzuleitung verbleiben und erspart das Lösen, Umstecken und wieder ausreichend fest Anziehen der PL259-Koaxstecker. Da die Koax-Buchsen SO239 mittels Druckguss gefertigt sind, ist deren Gewinde zum Aufschrauben des PL259-Steckers längst nicht so präzise wie beim Typ-N. Um Übergangswiderstände und Kontaktprobleme zu vermeiden, müssen sie immer fest angezogen werden, dazu kann man eine spezielle Rohrzange mit weichen Schonbacken-Einlagen verwenden.

Bei hoher Güte und für Frequenzen ab etwa 7MHz aufwärts verstimmen sich magnetische Antennen schon erheblich bei Annäherung, oder Temperaturänderungen, was am besten durch die Fernsteuerung des Frequenzabgleichs und des Anpassschiebers praktisch lösbar ist. Für interessierte OMs fertige ich einige Exemplare des VNA-Messports, bitte per Email anfragen.

Link: Grundlagen zum VNA-Messport mit NanoVNA in der Sendeleitung: Laden

Je nach spezifizierter Blindleistung (kVAr) des Kondensators und der betriebenen Sendeleistung, besteht die Möglichkeit, dass sich der Kondensator etwas erwärmt und dadurch die Resonanzfrequenz etwas abdriftet. Bei der hohen Kreisgüte steigt also das VSWR etwas an, besser zu erkennen im Nachlassen der Rückflußdämpfung und man sollte die Antenne wieder auf optimale Anpassung nachstimmen. Hierzu leistet der VNA-Messport wertvolle Hilfestellung, erleichtert das genaue Nachstimmen vom Shack aus und das ohne die Koaxverbindungen umzuschrauben, einfacher bequem per Schiebeschalter und vom Shack aus über WLAN ferngesteuert.

Messungen mit dem NanoVNA

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Stand: 30.03.2024

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