Bei der Dimensionierung eines HF-Übertragers ist die Auswahl des richtigen Drahtquerschnitts sowie des Materials entscheidend für seine Funktion, denn der Wechselstrom-Widerstand steht in direktem Zusammenhang mit dem Querschnitt. Ein zu kleiner Querschnitt erhöht den Widerstand und die Verluste, während ein großer Querschnitt diese reduziert. Daher muss die Art des Drahtes sorgfältig gewählt werden, so dass er den maximalen Betriebsstrom unter Berücksichtigung des Skin- und Proximity-Effektes ertragen kann und die Strombelastbarkeit nicht überschritten wird.
Was Funkamateure meist unberücksichtigt lassen ist der Einfluss des Skin Effektes, der mit zunehmender Frequenz dazu führt, dass sich der Stromfluss praktisch nur auf der Oberfläche des Leiters befindet und den Querschnitt des Drahtes auf einen kleinen Kreisring beschränkt, mit der Folge eines erhöhten Ohmschen Wechselstrom-Widerstandes, der auch zu thermischen Effekten, wie der der Curie –Temperatur, führt.
HF-Übertrager müssen so konstruiert werden, dass Wärme wirksam abgeleitet werden kann und der Draht die Verlustleistung übersteht. Die Auswahl des Draht-Materials, meist Kupfer, hat wesentlichen Einfluss auf die Effizienz des HF-Übertragers und ist wegen der elektrischen Leitfähigkeit vorrangig, alternativ dazu sind Aluminiumdrähte, aufgrund ihres geringeren Gewichts, jedoch mit geringen Einschränkungen in der elektrischen Leitfähigkeit eine Alternative.
Jeder Funkamateur kennt den Begriff des Skin-Effektes, wohl aber nicht deren Auswirkungen auf Balun, Hühnerleiter und Koppler, die eine Leistung bis zu 500 Watt verarbeiten müssen.
Welcher Durchmesse und Material ist also zu wählen?
Vernünftig ist Kupfer mit einem Durchmesser von mindestens 2,5 mm, denn dieser hat bei f = 7,1 MHz nur eine Skin -Tiefe von 24 µm und bei 30 MHz 12 µm was bedeutet, dass der hochfrequente Strom nur in den äußeren 12 bzw. 24 Mikrometern fließt mit der Wirkung, dass der Wechselstromwiderstand bei 7,1 MHz 104-mal größer als der Gleichstromwiderstand und bei 30 MHz 208-mal größer ist und die Güte der Spule, die in direktem Zusammenhang mit den Verlusten steht, enorm verringert.
Die Erhöhung des Widerstandes ist signifikant und zeigt, wie stark der Skin-Effekt den Widerstand bei höheren Frequenzen beeinflusst. Der Gleichstromwiderstand eines Kupferdrahtes mit dem Durchmesser von 2,5 mm Durchmesser ist nur R = 0,0035 Ohm/m bei Umgebungstemperatur.
Die Verluste in einer Spule sind ohmsche Verluste, die direkt proportional zum Widerstand und Quadratisch vom Strom im Draht abhängen und bei HF um ein Vielfaches ansteigen.
Die Leerlauf-Güte einer Spule hängt direkt vom Verhältnis Blindwiderstand zum wirksamen Wirkwiderstand ab und bestimmt die Effizienz eines HF-Übertragers und sich zu
Q = omega L / R berechnet. Der Proximity-Effekt führt zusätzlich zu Stromverdrängungen durch die Magnetfelder benachbarter Leiter und ist besonders in dicht gepackten Wicklungen wirksam.
Die Wahl des Drahtquerschnitts ist daher ein komplexer Prozess, der sowohl elektrische als auch mechanische und thermische Anforderungen berücksichtigen muss. Eine sorgfältige Berechnung und die Verwendung hochwertiger Materialien stellen sicher, dass ein HF-Übertrager – wie ein Balun oder eine Hühnerleiter – effizient arbeitet. Einfach mal einen Übertrager mit einem Draht aus der Bastelkiste wickeln, wie in den vielen YouTube Videos dargestellt, ist daher keine gute Empfehlung.
Ein HF-Übertrager, ein Balun, ein Koppler, eine Zweidrahtleitung oder, oder müssen berechnet werden, sollen sie den Anforderungen auf geringe Verluste genügen. Da die Verluste eines Leiters proportional zum Quadrat des HF-Stromes sind, ist es nicht egal an welcher Stelle z.B. ein Balun angeordnet wird. Im niederohmigen Bereich ist der Strom hoch, in hochohmigen niedrig, gültig auch für die Verluste. Einen Balun direkt hinter einem Transceiver – mit 50 Ohm – anzuordnen ist daher – aus der Sicht der Verluste – völliger Unsinn und wird trotzdem in vielen Kopplern, wohl aus Unkenntnis der oben dargestellten Zusammenhänge, verwendet.
Besser ist ein symmetrischer Koppler ohne Balun mit symmetrischer Zweidrahtleitung ausreichenden Drahtquerschnitts, zur symmetrischen Antenne. Asymmetrisch gespeiste Antennen erfordern eine Mantelwellen Sperre direkt am Ausgang des Senders. Ein von Hause aus symmetrischer Koppler braucht keinen Balun am Sender Ausgang. Asymmetrische Koppler verwenden die Symmetrierung nach DL3LH und eine Mantelwellensperre am Sender Ausgang. Ein weiterer Vorteil eines fehlenden Balun ist das Fehlen von Verlusten im magnetischen Material, vor allem bei hohen Strömen im niederohmigen Bereich. Asymmetrische Koppler verwenden einen Luft-Übertrager nach DL3LH mit verzwirbelten Drähten, geschaltet als 1 : 1 Übertrager oder 1 : 4 als PUT am Ausgang.
Auf jeder Zuleitung zur Antenne treten Maxima und Minima von Spannung und Strom auf, wobei die spezifische Durchbruchspannung nicht erreicht werden darf. Berechnet man mal den maximalen Strom im Leiter nur mit einer Leistung von 500 Watt, dann ist dieser in den reellen niederohmigen Orten auf der Leitung schnell mal 70 A und mehr, die in dem oben beschriebenen Kreisring von 12 bzw. 24 µm fließen – zum Glück nicht dauernd. Wer nun seine Zweidrahtleitung mit 1,5 Quadrat Kupfer beleidigt, muss sich nicht wundern, wenn der Draht schmilzt. Gleiche Überlegungen gelten natürlich auch für Leiter-Querschnitte koaxialer Leitungen.
Maxima und Minima treten immer dann auf, wenn es einen Unterschied zwischen Fußpunkt-Impedanz der Antenne und dem komplexen Wellenwiderstand der Zuleitung gibt, beschrieben durch den komplexen Reflexionsfaktor bzw. das VSWR.
Wer mehr wissen will, sei auf meine vielen Beiträge zu diesem Thema – hier auf Conny`s Seite – unter Technik / Antennen / Rund um die Antenne und auf die Beiträge von HB9AWJ, verwiesen.
Dr. Walter Schau, DL3LH