Mantelwellensperren - Aufbau und Messungen
Bei asymmetrisch aufgebauten Kabeln (Koaxkabel) soll im optimalen Fall lediglich der Innenleiter das Signal führen. Der Mantel soll immer Erdpotential aufweisen. Unter praxisnahen Umständen kann es durchaus vorkommen, dass dies nicht mehr der Fall ist und ein Teil des Signals auf den Außenleiter des Koaxkabels geführt wird. Dies führt zu unerwünschten Effekten wie HF-Einstrahlungen und kann z.B. in Verbindung mit höheren Leistungen dazu führen, dass unangenehme Mengen Hochfrequenz am Handmikrofon anliegen.
Mantelwellen entstehen nicht durch Fehlanpassungen sondern durch unsymmetrische Führungen und Antennen (wie Stromsummenantennen, FD4, Fuchskreise, etc.) und können somit nicht einfach mit einen Stehwellen-Messgerät bewertet werden. Durch das gleichzeitige Anliegen des Signal auf Innen- und Außenleiter kommt es außerdem zu Gleichtaktstörungen. Das Auftreten von Mantelwellen führt also dazu, dass ein Teil der Energie nicht über die Antenne sondern über das Kabel abgestrahlt wird.
Um der Entstehung dieser entgegenzuwirken können sogenannte Mantelwellensperren eingesetzt werden. Dabei handelt es sich in erster Linie um zwei parallel um einen Ringkern gewickelte Leitungen, alternativ kann auch Koaxkabel um den Ringkern gewickelt werden. Hierbei entsteht durch die zwei Spulen ein Übertrager: eine Seite führt das Signal, die andere liegt idealerweise auf Masse und ist somit kurzgeschlossen. Die kurzgeschlossene Seite bewirkt, dass die Induktivität auf der Signalseite nur sehr gering ist und somit kaum Dämpfung auftritt (siehe Darstellung "Insertion Loss").
Eine wesentliche Funktion der Mantelwellensperre ist die Symmetrierung. In der Messung wird vom Extrembeispiel ausgegangen und die Anschlüsse am Ausgang der Mantelwellensperre vertauscht. Der Eingang wird somit über die Induktivität des Übertragers kurzgeschlossen, der Ringkern überträgt die Energie in die Ausgangswindung. Der Leistungsverlust bei dieser Übertragung wird Symmetrierungsfehler genannt (siehe Darstellung "Symmetry Deviaton"). Je geringer der Verlust desto besser ist die Symmetrierung durch die Mantelwellensperre.
Desweiteren blockiert eine Mantelwellensperre sogenannte Gleichtaktstörungen: wenn ein Signal auf den Mantel und gleichzeitig auf dem Innenleiter anliegt, wirkt der Aufbau wie eine eingefügte Induktivität welche einen Widerstand für die Störung darstellt. Für die Messung werden Außen- und Innenleiter verbunden und direkt zwischen dem Generatorport und dem Empfängerport angeschlossen. Die Masse wird nicht über die Mantelwellensperre geführt, sondern direkt zwischen den Ports verbunden (siehe Darstellung "Common Mode Rejection").
Messung Nr. 1 - Einfache Mantelwellensperre
Messung - Mantelwellensperre - Gleichtaktdämpfung
Messung - Mantelwellensperre - Symmetriefehler
Messung - Mantelwellensperre - Durchgang
Doppeldrossel
Der Aufbau der einfachen Mantelwellensperre ist wie bereits beschrieben relativ einfach: es wird entweder Koaxialkabel oder zwei parallel geführte Adern Kupferlackdraht (nicht verdrillt!). Es lassens sich etwa 16 Windungen auf den HiFlex-Ringkernen, welche im Projekt "4:1-Balun selbst hergestellt" verwendet wurden, aufbringen. Die Induktivität beträgt damit etwa 23µH und entspricht etwa 500 Ohm in 80m Band. Die Gleichtaktdämpfung liegt somit bei etwa 10dB berechnet, was sich auch in der Messung wiederspiegelt.
Das erste Diagramm zeigt die Messung des Durchgangs. Gemessen wurde mit einem NanoVNA-F und dem NanoVNA-Saver welcher Oversampling und andere Features erlaubt, welche mit dem reinem NanoVNA-F nicht möglich wären. Die Durchgangsdämpfung der Doppeldrossel beträgt etwa 0.1 bis 0.2dB im Bereich zwischen 1-50MHz, macht sich also fast nicht bemerkbar.
Der Symmetriefehler beträgt etwa 0.5 bis 0.6dB ab dem 80m-Band (die zweite graue Hintergrundlinie im Diagram). Die Übertragung zwischen den zwei Adern selbst funktioniert also ebenfalls einwandfrei. "Schiefe Antennen" sollte somit kein großes Problem für den Balun darstellen.
Das letzte Diagramm zeigt den Gleichtaktunterdrückung. Der Wert für liegt hier "nur" bei etwa 10dB im 80m-Band und wird mit zunehmender Frequenz besser (was wie beschrieben der Berechnung entspricht), mehr sind mit den 16 Doppelwindungen auf den kleinen Ringkern nicht möglich. Kaufbare Mantelwellensperren sind auf etwa 30dB im untersten Band ausgelegt, für meine QRP-Zwecke sind die 10dB ausreichend.
Messung Nr. 2 - Mantelwellensperre nach W1JR
Messung - W1JR-Balun - Gleichtaktdämpfung
Messung - W1JR-Balun - Symmetriefehler
Messung - W1JR-Balun - Durchgang
W1JR-Balun
Eine Mantelwellensperre nach W1JR ist ähnlich aufgebaut: zunächst werden 8 Doppelwindungen auf einer Seite bewickelt. Nach diesem wird die Wickelung auf der gegenüberliegenden Ringkernseite gegenläufig mit weiteren 8 Windungen fortgeführt. Die Anzahl der Windungen ist durch den Ringkern begrenzt. Dadurch teilt sich der Ringkern in zwei enger verbundene Drosseln, dessen Magnetfeld sich im Normalbetrieb über den Ringkern aufheben soll. Von den Leistungsdaten ist diese Art vergleichbar mit der einfachen Doppeldrossel aus Messung Nr. 1: die Einfügedämpfung ist bei höheren Frequenzen etwas größer und liegt dort bei 0.4dB. Der Symmetrierfehler ist etwas größer als bei der Doppeldrossel und die Gleichtaktdämpfung ist geringfügig besser und setzt etwas früher ein.
Fertig kaufbare Baluns nach W1JR haben zwischen 4 und 8 Windungen und haben üblicherweise eine Gleichtaktunterdrückung von 20-30dB im untersten benutzbaren Band. Üblicherweise werden die Windungen dort aus praktischen Gründen mit Koaxialkabel geführt.
Messung Nr. 3 - Aufgewickeltes Koaxialkabal (aka Tonne)
Messung - Koaxtrommel - Gleichtaktdämpfung
Messung - Koaxtrommel - Symmetriefehler
Messung - Koaxtrommel - Durchgang
Trommel mit Koaxialkabel
Ohne Ringkern lässt sich einfach und günstig eine Mantelwellensperre aus Koaxialkabel aufbauen. Oftmals wird bei Nachbauanleitungen angegeben, einfach ein paar Windungen Koaxkabel zusammen zu binden. Die in der Messung verwendete Mantelwellensperre wurde aufgebaut, indem auf einer HT-Doppelmuffe der größe DN75 möglichst viel RG58U-Koaxkabel aufgelegt wurde.
Die Messungen zeigen, dass die Einfügedämpfung bei etwa 0.4-0.6dB liegt. Der Symmetrierfehler bleibt bis etwa 15MHz vernachlässigbar, danach zeigt sich eine Frequenzabhängigkeit. Bezüglich der Gleichtaktdämpfung verhält sich das aufgewickelte Koaxkabel wie ein Resonator.
Fazit
Sowohl die Doppeldrossel als auch die Mantelwellensperre nach W1JR lieferten brauchbare Ergebnisse. Es existieren lediglich geringe Unterschiede zwischen den Dämpfungswerten. Ob die aufwendigere Wicklung nach W1JR wirklich die Mehrarbeit wert ist, muss jeder für sich selbst Entscheiden. Zusammen- oder aufgewickeltes Koaxkabel als breitbandige Mantelwellensperre zu verwenden, ist keine wirklich gute Idee. Zwar ist der Aufwand nur sehr gering und kein Ringkern erforderlich, allerdings werden schon Kabellängen benötigt, welche zu Eigenresonanzen führen. Wenn allerdings nur ein bestimmter Frequenzbereich benötigt wird, kann durch korrekte Auslegung und anschliessenden Nachmessen ein brauchbares Ergebnis erzielt werden.