Magnetische Schleife (Magnetic Loop)



Das Prinzip

Zur Signalübertragung auf Kurzwelle dient das elektromagnetische Feld. Bei der Ablösung des Feldes von der Antenne bilden sich kreisförmige magnetische Feldlinien und gleichzeitig (miteinander verkoppelt) elektrische Feldlinien. In der Nähe einer Vertikalantenne sehen diese Feldlinien so aus, wie folgende Zeichnung zeigt.

Elektromagnetisches Feld
Bild 1: Elektromagnetisches Feld

Für den Empfang können einerseits gestreckte Drähte (Drahtantennen) dienen oder auch Spulen mit Ferritkern oder Luftspulen mit einer oder zwei Windungen. Drahtantennen empfangen die elektrischen Feldlinien und die Spulen mit (gegenüber der Wellenlänge) kleinem Umfang jedoch vorwiegend die magnetischen Feldlinien. Die von der Antenne aufgenommene Feldenergie steht am Empfängereingang als Signalspannung zur Verfügung.

Bei den Drahtantennen gibt es ebenfalls die Bauform einer Schleife (Loop) in Rechteckform (Quad) oder in Dreieckform (Deltaloop), wobei der Umfang allerdings mindestens eine Wellenlänge betragen muss. Sie empfangen das elektrische Feld. Loops mit einem Umfang von deutlich weniger als einem Zehntel der Wellenlänge empfangen die magnetische Komponente des elektromagnetischen Feldes. Man nennt diese daher "Magnetische Schleife" oder Englisch "Magnetic Loop".

Drahtantennen müssen für eine gute Abstrahlung oder guten Empfang möglichst hoch über dem Erdboden aufgebaut werden oder bei Vertikalantennen mindestens eine Länge von Lambda-Viertel (Marconi-Antenne, Groundplane) mit sehr gutem Erdpotenzial haben. Besonders auf den niedrigen Kurzwellenbändern 80 m und insbesondere 160 m sind diese Bedingungen kaum zu erfüllen. Niedrig aufgebaute Drahtantennen strahlen dann aber sehr steil nach oben ab, was eine geringe Reichweite bedeutet. Für das 80-m-Band erreicht man damit von Deutschland aus allerdings sehr gut deutsche Stationen und (bei Dunkelheit) auch noch gut  europäische Stationen. Nur DX ist mit niedrig aufgehängten Antennen schlecht möglich.

Anders verhält sich die Magnetische Schleife. Weil die magnetischen Feldlinien auch noch nahe des Erdbodens relativ stark sind, brauchen diese Antennen nicht sehr hoch aufgebaut werden. Außerdem genügt ein Umfang von einem Zehntel der Wellenlänge, also zirka acht Meter (3 Meter Durchmesser) für das 80-m-Band und 16 Meter (6 m Durchmesser) für das 160-m-Band. Für etwas geringere Ansprüche recht auch die Hälfte davon.

Die elektrische Leitfähigkeit und die Oberfläche des verwendeten Leitermaterials müssen sehr groß sein. Der Grund ist folgender. Eine Magnetische Schleife besteht nicht nur aus der eigentlichen Drahtschleife, sondern enthält außerdem einen Parallelkondensator. Beide bilden auf der Betriebsfrequenz einen Resonanzkreis mit einer Spule aus zumeist nur einer Windung. In der Schleife fließt ein großer hochfrequenter Wechselstrom. Also muss der Verlustwiderstand des Leiters (Spule) sehr gering sein. Widerstände von weniger als einem zehntel Ohm sind wünschenswert. Außerdem muss der Parallelkondensator sehr hohe Spannung vertragen können. Die Spannungen können bei 100 Watt Sendeleistung durchaus 5000 V oder mehr erreichen.

Der Abstimmkondensator einer Magnetloop

Mehr zur Theorie unter: http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetantenne

Hier beschreibe ich nun den Aufbau meiner Magnetloop für das 160-m-Band. Mit dem Programm "Magnetlooprechner" von DG0KW (Download beim DARC Ortsverband Stralsund : http://www.dl0hst.de/magnetlooprechner.htm) wurde "experimentiert" und aufgrund der möglichen Aufbauhöhe zwischen den Pinien auf dem Grundstück ein Durchmesser von zirka 6 m gewählt. Folgende Werte kommen dann bei der Berechnung mit dem Looprechner-Programm zustande.

Magnetlooprechner-Programm
Bild 2: Die Werte einer Magnetloop für 1,8 MHz nach DG0KW

Es ergibt sich ein "Gewinn" von -6 dB, was bedeutet, dass diese Antenne nur eine S-Stufe schlechter ist, als ein 80-m-langer Dipol in 40 m Höhe. Als Leiter für den Ring habe ich Kupferrohr aus dem Installationsbereich gewählt mit 28 mm Durchmesser. Weil man dieses schlecht zu einem Kreis biegen kann, habe ich acht Stücke Rohr zu je 2,5 m (Es gibt 5-m-Rohre zu kaufen.) mit Winkelmuffen zu einem Achteck verlötet.

Man benötigt allerdings einen Kondensator von 355 pF, der bei 100 W eine Spannung von 5,9 kV aushält. Die Bandbreite beträgt theoretisch nur 1,28 kHz, was bei Frequenzwechsel die Nachstimmung des Kreises auf die genaue Frequenz erfordert. Dafür eignet sich nur ein Hochvakuum-Drehkondensator, wie in folgendem Bild 3 zu sehen.

Hochspannungsdrehkondensator
Bild 3: Hochvakuum-Drehkondensator 1000 pF / 10 kV mit Anschluss zum Rohr


Steuerung und Anzeige

Bild 10 - Foto Eckart Moltrecht Eine echte Herausforderung stellt der Antrieb für den Drehkondensator dar. Der Kondensator an der Antenne sollte natürlich vom Shack aus abgestimmt werden. Für mich hat Hermann, DJ8TL, auf seiner Drehbank einen Antrieb hergestellt.

Magnetloop-Steuerung
Teil der Motorsteuerung - klicken für komplette Zeichnung

M-Loop_Kopplung1 M-Loop_Kopplung2
Bilder 4a und 4b
- Als "flexible Kopplung" zwischen Antrieb und Kondensator wird eine Sechskantmutter auf der einen und eine Sechskant-Nuss (SW19) mit Halbzoll-Antrieb auf der anderen Seite benutzt. Siehe Bilder 4a und 4b sowie Bild 5!

Drahtpoti zur Frequenzanzeige
Bild 5
Zur Anzeige der Kapazität bzw. der Resonanzfrequenz des Kreises hat Hermann mit Hilfe eines Schneckengetriebes ein Drahtpoti angekoppelt.

Anschluss ohne Isolation?


Und jetzt das Besondere
: Zwischen den Kondensatorplatten des Schwingkreiskondensators entsteht, wie oben beschrieben, eine sehr hohe Spannung im Kilovoltbereich. Wenn auf der einen Seite das Potenzial zum Beispiel +2000 V bezogen auf den Antennen-Nullpunkt (Speisepunkt) beträgt, ist dieses auf der anderen Seite -2000 V, also am Kondensator 4000 V. Nun ist auf der einen Seite der Motor mit Getriebe anzubauen. An dieser einen Seite liegt gegenüber Erde (Masse) eine HF-Wechselspannung von 2000 V. Deshalb ist normalerweise eine hochwertige keramische Isolierung zwischen Kondensator und Motor-/Motorsteuerungsschaltung erforderlich. Hermann hat eine wesentlich einfachere Lösung gefunden.

Steuerleitung durch Rohr   Bild 6

Hermann, DJ8TL, hat festgestellt, dass diese hochfrequente Hochspannung, die auch auf dem Steuerkabel für den Motor anliegt, mit ihrem Potenzial genau so abnimmt wie das HF-Potenzial im Antennenkreis, wenn man die Steuerleitung am oder besser im Antennenrohr auf die andere Seite zur Einspeisestelle des Ringes führt. Dort muss der Mantel des Koaxspeisekabels an den Antennenkreis angeschlossen sein. Hermann hat dies schon mit Musterantennen im VHF-Bereich und im oberen Kurzwellenbereich ausprobiert.

Im Bild 6 erkennt man, wie die Steuerleitung zum Antennenrohr geführt wird. Von dort geht die Leitung im Rohr auf die Mitte der andere Seite, die Ankopplungsstelle (Nullpunkt). Auch bei dieser Magnetloop auf 160 m mit 400 Watt Leistung mit einem berechneten Potenzial von über 5000 V funktioniert es. Es gibt keine Isolierung am Kondensator und trotzdem befindet sich an der Einspeisungsstelle keine Hochspannung auf der Steuerleitung - null Volt HF.


Der Antennenring

Der Ring sollte eine möglichst große Fläche umschließen. Mit einer bestimmten Leiterlänge erreicht man die größte Fläche mit einer Kreisform. Ein Quadrat funktioniert grundsätzlich auch, nur ist bei gleicher Leiterlänge die umschlossene Fläche kleiner. Ein Achteck ist ein guter Kompromiss zwischen Kreis und Quadrat und zudem mit handelsüblichem Material leicht aufzubauen. Deshalb haben wir aus acht Stücken Kupferrohr und acht Winkelmuffen ein Achteck zusammengelötet.

Der Ring wird gelötet
Bild 7: Zusammenlöten des Rings der Magnetloop

8-Eck
Bild 8: Der Ring der Magnetic Loop hängt an dem Ast einer Pinie

Die HF-Ankopplung

Bild: Ankopplung bei der Magnetloop
Bild 9: Versuche mit der Koppelschleife an der Magnetischen Schleife

Im VHF-Bereich und im oberen Kurzwellenbereich werden für die Magnetloop- Kopplung kreisförmige Leiter in der Nähe der Nullstelle der Magnetloop zur HF-Einkopplung eingesetzt, wie in folgenden Bildern zu sehen ist.

Einkopplung Magnetic Loop Ankopplung Magnetloop
Bild 10a: Einkoppelschleife aus Koax        Bild 10b: Praktische Ausführung

Als Einkoppelschleife wird gern die Ausführung nach Bild 10a gewählt. Das Ende des Speisekabels wird zu einem Kreis oder Oval geformt, in der Mitte oder am Ende die Abschirmung unterbrochen und die Seele des Koaxkabels direkt am Anfang an den Mantel gelötet. Bild 10 b zeigt die praktische Ausführung für eine Antenne mit geringem Durchmesser, zum Beispiel für eine Magnetloop für 20 m aufwärts.

Für die sehr große achteckige - im Verhältnis zur Wellenlänge bodennahe - Magnetische Schleife für 160 m haben Versuche ergeben, dass die Kopplung mit einer kreisrunden Schleife nicht genügend fest ist. Für diesen Fall schlägt DG0KW in seinem Programm (siehe Bild 2!) vor, einen Teil der Schleife direkt parallel zum Loopring anzubringen. Für ein gutes SWR von 1,2 auf 160 m waren bei mir 1,25 m Parallelführung (direkte Befestigung mit Kabelbinder) notwendig. Der Rest der 4,5 m langen Schleife hängt dann praktisch halbkreisförmig herunter (Bild 9).

Allerdings erreiche ich nun auf dem 80-m-Band ein SWR von nur 1,8. Es müssen also noch Versuche gemacht werden, für beide Bänder eine gute Kopplung mit einem guten SWR zu erreichen. Im Vergleich mit meiner 10 m langen Vertikal mit Dachkapazität bringt diese Magnetloop auf 160 m etwa 2 bis 3 S-Stufen und auf 80 m gegenüber einer 20-m-Slooper etwa eine S-Stufe stärkere Signale.



Stand des Berichts: 06.06.2014