Mythos Mantelwelle

In diesem Artikel möchte ich das Thema Mantelwellen und Mantelwellensperren beleuchten. In meiner erst gut ein Jahr andauernden Zeit als Funkamateur fiel es mir schwer, widerspruchsfreie Informationen zu diesem Thema zu erhalten. Aus diesem Grunde habe ich mir ein paar theoretische Gedanken zu diesem Thema gemacht, welche ich an dieser Stelle teilen möchte. Diese Überlegungen sollen kein vollständiges und abschließendes Bild zum Thema sein, sondern vielmehr als Diskussionsgrundlage dienen. Insbesondere soll die Frage beleuchtet werden, wann eine Mantelwellensperre (und was für eine) wirklich notwendig ist, und wann man darauf verzichten kann.

Im Prüfungsfragenkatalog der Bundesnetzagentur (Fragenkatalog Klasse E, Frage TH403) heißt es, wenn eine symmetrische Antenne mit einem asymmetrischen Kabel gespeist wird, verforme sich die Richtcharakteristik der Antenne und Mantelwellen könnten auftreten. Stimmt das? Und gilt der Umkehrschluss, dass asymmetrische Antennen wie eine 4-Radial-Groundplane keine Symmetrierung benötigen? Spielt die Leistung eine Rolle für die Frage, ob eine Mantelwellensperre notwendig ist oder kommt es auf ganz andere Faktoren an? Ich möchte im Folgenden versuchen, all diesen Fragen auf die Spur zu kommen.

Was sind Mantelwellen?

Wellen in einem Koaxialkabel pflanzen sich im Idealfalle zwischen dem Innenleiter und dem leitfähigen Mantel (Schirm) fort. In diesem Zwischenraum befindet sich ein Dielektrikum (meist Polyethylen, ein weißer Kunststoff). Im Rahmen der Fortbreitung dieser Wellen durch das Dielektrikum entstehen Ströme sowohl in der Abschirmung (also dem Mantel) als auch im Innenleiter. Diese Ströme weisen im Idealfall den gleichen Betrag, jedoch ein umgekehrtes Vorzeichen auf. In Summe betragen diese Ströme also 0 Ampere. Betrachten wir eine Position außerhalb des Koaxialkabels, so heben sich die Wirkungen der beiden entgegengesetzten Ströme auf, so dass außerhalb des Koaxialkabels kein elektromagnetisches Feld entsteht (weder Nahfeld noch Fernfeld). Das Koaxialkabel strahlt nicht, sondern schirmt die innen geleitete Welle von der Umgebung ab.

Sind Mantelwellen im Spiel, bricht dieses Idealbild zusammen, denn hier beträgt die Summe der Ströme von Innen- und Außenleiter nicht mehr Null. Das Koaxialkabel verhält sich dann nicht mehr wie ein nach außen abgeschirmter Wellenleiter, sondern (zumindest anteilig und von außen betrachtet) wie ein Einzeldraht. Wie wir wissen, wirken Einzeldrähte, auf denen hochfrequenter Strom fließt, wie eine Antenne. Sie strahlen also. Unser Koaxialkabel kann ebenso zur Antenne werden.

Mantelwellen sind Ströme in der Abschirmung des Koaxialkabels, zu denen es keinen entsprechenden gegengerichteten Strom im Innenleiter gibt. Aufgrund des Skineffekts fließen diese Ströme auch tatsächlich auf der Außenseite der Schirmung, was für die Auswirkungen jedoch nur von untergeordneter Bedeutung ist. Entscheidend ist der fehlende Gegenstrom im Inneren des Kabels, so dass das Kabel als ganzes als Antenne wirkt und außerdem um den Leiter ein elektromagnetisches Nahfeld entsteht.

Koaxialkabel können also auf zwei Arten Wellen leiten: Gegentaktsignale werden als Welle abgeschirmt im Inneren des Koaxialkabels geleitet; Gleichtaktsignale sorgen für eine außen geleitete Welle.

Gibt es Mantelwellen auch auf symmetrischen Leitungen?

Ströme in einem Zweileitersystem, zu denen es keinen entsprechenden Gegenstrom gibt, können auch bei symmetrischen Kabeln, z.B. einer Zweidraht-Bandleitung auftreten. Da diese keinen Mantel haben, ist der Begriff Mantelwelle ungeeignet. Man kann dann jedoch von einem Gleichtaktsignal („Common Mode“) reden. Der Gleichtaktanteil ist die Summe der Ströme durch die beiden Leiter, der Gegentaktanteil („Differential Mode“) die Differenz beider Ströme. Entsprechend spricht man bei Mantelwellensperren auch von sogenannten „Common-Mode-Chokes“ oder auf deutsch von stromkompensierten Drosseln.

Unterschied zu den Koaxialkabeln ist, dass eine Abstrahlung von Gegentaktsignalen nicht nahezu vollständig unterbunden werden kann, da die beiden Drähte einer Zweidrahtleitung einen gewissen Abstand haben. Ihre Felder heben sich im Falle eines Gegentaktsignales also von außen betrachtet nur näherungsweise auf. Werden sie jedoch im Gleichtakt betrieben, nimmt die Abstrahlung deutlich zu.

Wie entstehen Mantelwellen?

Ich halte es für hilfreich, bei der Entstehung von Mantelwellen zwei Ursachen separat zu betrachten. Um diese beiden Fälle zu unterscheiden werde ich im Folgenden salopp von „Mantelwelle Typ A“ und „Mantelwelle Typ B“ sprechen, je nachdem, wie diese auf das Kabel gelangt. Dies soll nur zwei unterschiedliche Ursachen betonen; in beiden Fällen handelt es sich um das selbe Phänomen.

Mantelwelle Typ A

Es ist möglich, dass das Feld unserer Antenne einen Strom „über die Luft“ in den Schirm des Koaxialkabels einkoppelt. Dies kann dann passieren, wenn sich das Koaxialkabel nicht senkrecht zum elektrischen Feld der Antenne befindet oder wenn die magnetischen Feldlinien des Wechselfeldes der Antenne die Zuleitung umschließen. Dies ist z.B. bei einer Speiseleitung, die nicht vollständig rechtwinklig zum Dipol geführt wird, der Fall. Dem eingekoppelten bzw. induzierten Strom fehlt ein entsprechender Gegenstrom im Innenleiter des Kabels. In Folge werden Mantelwellen erzeugt.

Mantelwelle Typ B

Nicht nur elektrische Felder von außen können Mantelwellen erzeugen, sondern auch die Kontaktierung des Speisekabels mit der Antenne kann Einfallstor für Mantelwellen sein. Sowohl Außenleiter als auch Innenleiter des Koaxialkabels werden mit je einem Pol der Antenne verbunden. Ist die Summe der Ströme (unter Berücksichtigung des Vorzeichens bzw. der Phase), die in die zwei Pole der Antenne fließen, nicht gleich Null, so entsteht auch hier ein dem Gegentaktsignal überlagerter Strom, der irgendwo hinfließen muss (1. Kirchhoffsches Gesetz, Knotenregel). Da das Koaxialkabel von außen auch wie ein Einzelleiter wirken kann, speist dieser Strom dann die Mantelwelle bzw. den Gleichtaktanteil. Im Inneren des Koaxialkabels (aufgrund Skineffekt auf der Innenseite des Mantels und der Außenseite des Innenleiters) befindet sich hingegen der Gegentaktanteil.

Der Strom auf der Innenseite des Schirms (im Bild blau) ist dem Strom auf dem Innenleiter (im Bild schwarz) stets entgegengerichtet und betragsmäßig gleich groß. Sind die Ströme in den beiden Dipolästen jedoch nicht gleich groß, so entsteht ein auf der Schirm-Außenseite fließender Mantelstrom (im Bild rot).

Warum sind Mantelwellen ein Problem?

Mantelwellen des Typs A nehmen ein Teil der Energie der Antenne wieder auf und können so zu einer Abschattung oder unerwünschten Richtwirkung führen. Mantelwellen des Typs B führen zu einer asymmetrischen Speisung der Antenne, welche die Richtcharakteristik der Antenne ebenfalls verändert. Unsere Antenne kann also in eine andere Richtung strahlen als erwartet. Da das Koaxialkabel selbst zur Antenne wird, kann dieses im Falle einer bodennahen Kabelführung auch selbst wieder mit dem Erdboden koppeln und zu einer Near Vertical Incidence Skywave (NVIS) führen, also zu einer Abstrahlung senkrecht nach oben. Dies stört bei einer Kommunikation über Raumwelle im Nahbereich nicht, ist aber für DX-Verbindungen schädlich. Ebenso kann die auf dem Koaxialkabel laufende Welle auch aufgrund des Nahfeldes zu einem Großteil im Boden oder anderen Objekten in der Umgebung des Koaxialkabels verloren gehen.

Unter der Annahme, dass die Mantelwelle bis zum Transceiver vordringt, kann sie dort elektromagnetische Störungen verursachen. Anstelle die Antenne in ungestörter Umgebung zu haben, befindet sich nun ein Teil der Antenne (nämlich das als Antenne wirkende Koaxialkabel) mitten im Shack. Je nach Leistung könnte dies auch Geräte beschädigen oder entsprechend der Situation vor Ort gar für den Menschen gefährlich werden.

Aber auch im Falle geringer Leistungen besteht hier ein Problem. Da die Sendecharakteristik einer Antenne in der Regel auch der Empfangscharakteristik entspricht, ist es in einem solchen Falle nämlich möglich, dass häusliche Geräte, wie z.B. Schaltnetzteile oder Netzwerkverteiler in die Empfangsanlage einstrahlen. Die Störung gelangt dann auf dem Mantel bis zur Antenne, dringt dort in das Koaxialkabel ein und wandert innen zurück in den Transceiver. In Folge kommt es zu mehr Grundrauschen – im wahrsten Sinne des Wortes hausgemacht.

Es wurden also bereits 4 unterschiedliche Probleme aufgezeigt:

  • Veränderung der Richtwirkung der Antenne
  • Dämpfung durch Wärmeverluste in Objekten im Nahfeld des Koaxialkabels
  • HF im Haus bzw. Shack
  • Störungen beim Empfang

Nicht immer sind alle diese Probleme relevant bzw. nicht immer können alle Probleme auftreten. Im Portabelbetrieb, beispielsweise, wird eine Mantelwelle nur selten Störungen einkoppeln können. Dennoch können auch im Portabelbetrieb natürlich Bodeneffekte oder eine veränderte Richtwirkung die Betriebsbedingungen verändern. HF im Shack muss — je nach Leistung – nicht zwingend ein Problem sein. So las ich von einigen Fällen, in denen ein Transceiver trotz eigentlich unwirksamer Antenne funktionierte, denn das Koaxialkabel, was als Anschlussleitung diente, wurde selbst zur Antenne.

Wann genau können Mantelwellen entstehen, und wann nicht?

Mantelwellen des Typs A können entstehen, wenn das E-Feld der Antenne einen parallelen Anteil zum Zuleitungskabel aufweist, denn dann wird einfach ein Strom in das Kabel eingekoppelt.

Doch auch bei einem senkrecht geführten Speisekabel sind Mantelwellen (dann Typ B) möglich. Diese treten auf, wenn das Potential des Mantels nicht auf dem Erdpotential liegt. Bei einem mittengespeisten Dipol weist jeder der beiden Anschlusspunkte ein (Wechselspannungs-)Potential gegenüber Erde auf. Ist das Abschirmgeflecht des Koaxialkabels direkt an einem Speisepunkt angeschlossen, treten folglich Mantelwellen auf.

Der sogenannte Spannungsbalun versucht Erdpotential auf dem Mantel herzustellen, so dass es nicht zur Bildung von Mantelwellen kommt. Dies setzt jedoch eine exakte Symmetrierung voraus. Diese ist nicht immer von Erfolg gekrönt, da es aufgrund ungleicher Belastung zweier Antennenäste doch zu einem Potential am Anschluss des Mantels kommen kann. Mehr dazu später.

Auf die Intensität kommt es an

In der Praxis werden fast immer Mantelwellen entstehen. Die Frage ist eher, in welcher Größenordnung diese mit ihrer Intensität liegen (siehe hierzu auch „Den Mantelwellen auf der Spur“ von DJ4WG).

Verbinden wir den Mantel direkt mit einem Ast der Antenne, dann hängt die Größenordnung des äußeren Mantelstroms davon ab, ob es für den Strom „angenehmer“ ist, in den Antennenast zu fließen, oder auf dem Mantel als Mantelwelle zurückzuwandern. Gemäß Stromteilerregel fließt der Strom primär den Weg des geringsten Widerstandes. Ist die Impedanz für die Mantelwelle (d.h. die Impedanz des als Einzelleiters wirkenden Mantels) kleiner oder zumindest in der gleichen Größenordnung wie die Speiseimpedanz des Pols der Antenne, der an den Mantel angeschlossen wird, dann kann ein erheblicher Teil des Stromes, der eigentlich in die Antenne fließen sollte, die Mantelwelle speisen.

Grundsätzlich ist es bei einem mittengespeisten Dipol mit senkrechter Einspeisung eher unwahrscheinlich, dass ein Großteil der Leistung in die Mantelwelle geht, denn der Strahlungswiderstand des Dipols beträgt etwa 72 Ohm. Das entspricht 36 Ohm je Ast. Je nach Aufbauhöhe und Umgebung kann dies variieren, aber uns soll hier nur die Größenordnung interessieren, denn der Mantel wird in der Regel (außer im ungünstigen Resonanzfall) eine höhere Impedanz für Mantelwellen aufweisen.

Bei kleineren Leistungen werden Mantelwellen daher manchmal vernachlässigt und es wird auf eine Mantelwellensperre verzichtet. Bei ungünstiger Kabellänge jedoch, können sich die Impedanzen in der gleichen Größenordnung bewegen, so dass der Anteil der Mantelwelle deutlich zunimmt und in ähnliche Größenordnungen, wie die Welle auf der Antenne selbst kommt.

Fehlanpassung nicht gleich Fehlanpassung

Die vorgenannten Betrachtungen legen nahe, dass bei per Koaxialkabel direkt gespeisten symmetrischen Antennen auch der Speisewiderstand eine unmittelbare Auswirkung auf Mantelwellen (Typ B) hat. So müsste eine Fehlanpassung, bei der die Speiseimpedanz der Antenne betragsmäßig kleiner ist (z.B. 25 Ohm statt 50 Ohm), gegenüber Fehlanpassungen, bei der die Speiseimpedanz betragsmäßig größer ist (z.B. 75 Ohm statt 50 Ohm), sich besser auf das Verhältnis von abgestrahlter Leistung zu Mantelwellenintensität auswirken. Man könnte diesen Umstand sogar bei der Optimierung bestimmter Antennen berücksichtigen. Je nach Anwendungsszenario wäre eine gezielte Fehlanpassung in Richtung Niederohmigkeit der Antenne (am Übergang vom Koaxialkabel zur symmetrischen Antenne) denkbar, um im Gegenzug eine bessere Unterdrückung von Mantelwellen zu erreichen. So würde z.B. bei einer mit Koaxialkabel direkt gespeisten symmetrischen Antenne eine 1:2 Fehlanpassung in Richtung Niederohmigkeit (25 Ohm statt 50 Ohm Speiseimpedanz) zu einem SWR von 1:2 mit entsprechend 11% reflektierter Energie führen (maximal 0,5 dB Verlust). Die Mantelwellen würden jedoch im Grenzfalle um bis zu 3 dB gedämpft werden können, da der Widerstand des am Mantel angeschlossenen Antennenastes halbiert wird – der Mantel wird also unattraktiver für Mantelströme und der Strom fließt „lieber“ in die Antenne.

Fehlanpassungen, welche die Antenne unbeabsichtigt hochohmiger machen, können hingegen zu einer Verstärkung von Mantelwellen führen. In vielen Fällen wird man eine Fehlanpassung jedoch ohnehin vermeiden wollen.

QRP vs QRO

Der konkrete Aufbau von Antenne, Zuleitung und ggf. Mantelwellensperre beeinflusst lediglich den relativen Anteil an Mantelwellen. Die Mantelwellen können in ihrer absoluten Intensität auch dann zunehmen, wenn der Transceiver mit mehr Leistung arbeitet. Aus diesem Grunde können beispielsweise 3% als Mantelwelle eingekoppelte Leistung im QRP-Fall kein Problem sein, jedoch im QRO-Fall zum Problem werden.

Strombalun oder Spannungsbalun?

Um Mantelwellen und die damit einhergehenden Effekte zu vermeiden oder zu reduzieren, können Baluns eingesetzt werden. Diese teilen sich in zwei Gruppen, sogenannte „Spannungsbaluns“ und „Strombaluns“.

Bei gegen Erde symmetrischen Potentialen an den beiden Antennenanschlüssen eines Spannungsbaluns befindet sich der Schirm des Koaxialkabels auf Erdpotential.

Spannungsbaluns versuchen mittels eines Transformators oder anderen Anordnungen, wie einer 1/2-Lambda Leitung, das Potential des Außenleiters im Falle einer symmetrisch gespeisten Antenne auf 0 Volt (gegen Erde) zu bringen. Dies funktioniert genau dann (und nur dann), wenn sich die Antenne auch tatsächlich symmetrisch verhält.

Nebeneffekt von Spannungsbaluns ist – je nach Ausführung – eine ggf. vorhandene Impedanztransformation. So benötigt ein 1:4-Balun bei Speisung mit 50 Ohm eine Antenne mit 200 Ohm Speisewiderstand.

Bei asymmetrischen Strömen in die (eigentlich symmetrische) Antenne können Mantelwellen trotz Spannungsbalun entstehen. Bei Spannungsbaluns handelt es sich also nicht im engeren Sinne um Mantelwellensperren, sondern um Bauteile, die versuchen die Ursache der Mantelwelle zu entfernen. Im Modell klappt dies z.B. bei einem senkrecht von unten gespeisten Horizontaldipol zu 100%; in der Praxis kommt es darauf an, ob die Antenne beidseitig perfekt abgestimmt ist und ob Umgebungseinflüsse ausgeschlossen werden können.

Während dies bei symmetrischen Antennen im Ultrakurzwellenbereich oder auf noch höheren Frequenzen mehr oder weniger realisierbar ist, ist es im Kurzwellenbetrieb schwieriger, da die Umgebung aufgrund der längeren Wellenlänge in einem größeren Maßstab Einfluss auf die Antenne ausübt. Hier sollten eher Strombaluns eingesetzt werden.

Spannungsbaluns z.B. in Form eines Spartransformators haben überdies den Nachteil, dass sie die gesamte Sendeleistung übertragen müssen. Werden hier Ferrite eingesetzt, die aufgrund zu hoher Leistungen in die Sättigung gehen, können Oberwellen entstehen, für deren Vermeidung wir als Funkamateure selber Verantwortung tragen.

Strombalun als Mantelwellensperre

Eine einfache und ebenso effektive Form der Mantelwellensperre ist eine Drossel in Form eines „Strombaluns“ (Common-Mode Choke). Diese kann z.B. als Aufwicklung des Speisekabels um einen Ferritkern erfolgen, oder durch Aufziehen von mehreren Ferritkernen auf das Kabel. Beide Varianten haben den Vorteil, dass die durch das Innere des Kabels laufenden Wellen nicht von der Mantelwellensperre beeinflusst werden, denn die Ströme von Innen- und Außenleiter heben sich in diesem Falle auf und können entsprechend auch kein Feld in den Ferritkern induzieren. Alternativ lassen sich aber auch zwei Einzeldrähte (davon einer mit dem Schirm und der andere mit dem Innenleiter kontaktiert) in geeigneter Weise um den Kern wickeln, um Platz zu sparen und ggf. einen kleineren Kern verwenden zu können.

Strombalun durch Aufwicklung eines Koaxialkabels auf einen Ferritkern. Der Wickelsinn ist egal, muss jedoch einheitlich sein bzw. bei einem Seitenwechsel, der auch mit einem Richtungswechsel einhergeht, ebenfalls gewechselt werden (siehe Darstellung im Bild).

Mantelwellensperren in Form von Gleichtaktdrosseln (Strombalun) stellen eine Impedanz für den außen auf dem Mantel fließenden Strom dar. Diese Impedanz kann, wie bei einer idealen, verlustfreien Spule, ein Blindwiderstand (Reaktanz) sein, aber auch Verlustanteile aufweisen. Wie groß die Impedanz einer Mantelwellensperre sein muss, hängt im Falle von Mantelwellen des Typs A davon ab, wie stark die Kopplung ist und wo die Mantelwellensperre eingebracht wird. Im Strombauch ist diese grundsätzlich am effektivsten. Bei Mantelwellen des Typs B kommt es darauf an, dass der Mantel des Koaxialkabels unattraktiver als der Gegenpol der Antenne ist. Bei einem mittig gespeisten Dipol ist die Impedanz jedes Astes etwa 36 Ohm. Hier reichen also wenige hundert Ohm Sperrwirkung einer Mantelwellensperre am Speisepunkt aus (der sich ebenfalls im Strombauch befindet), damit der Großteil der Leistung auch tatsächlich in der Antenne landet – und nicht als Mantelwelle auf dem Koaxialkabel. Bei höheren Leistungen oder bei durch Mantelströme verursachten Empfangsstörungen ist ein noch besseres Verhältnis von abgestrahlter Leistung zu Mantelwelle nötig, weshalb zum Blocken dann doch Impedanzen von 1000 Ohm oder mehr nötig sein können. Für eine quantitative Betrachtung kann die Stromteilerregel hilfreich sein.

Die Mantelwellensperre sollte am Speisepunkt der Antenne vorgesehen werden. Diese erzwingt, dass die Antenne überwiegend symmetrisch gespeist wird, und reduziert so Mantelwellen des Typs B.

Bei Mantelwellen des Typs A reicht eine Sperre am Speisepunkt der Antenne ggf. nicht aus, denn die Welle könnte (je nach Antennenform und Umgebungsbedingungen) trotzdem in das Kabel eingekoppelt werden. Eine zusätzliche Mantelwellensperre deutlich vor dem Einspeisepunkt (in Richtung Transceiver) könnte hier Abhilfe schaffen. Wenn eine solche Mantelwellensperre ein Viertel der Wellenlänge von der Mantelwellensperre am Einspeisepunkt entfernt angebracht wird, befindet sich diese im theoretisch möglichen Strombauch und sollte hier die maximale Wirkung entfalten können (sofern eine Kopplung in Antennennähe und eine bereits existierende Mantelwellensperre am Speisepunkt angenommen wird). Zur Berechnung der tatsächlichen Wellenlänge ist nicht der Verkürzungsfaktor für die innen durch das Koaxialkabel geleitete Welle (oft 0,66) anzuwenden, sondern ein Verkürzungsfaktor, der der Welle auf dem Mantel und dessen Umgebung entspricht (ca. 0,90). Die Viertelwellenlängen-Regel gilt allerdings nur dann, wenn die Mantelwellensperren tatsächlich verlustbehaftet sind. Handelt es sich hingegen um reine Induktivitäten (wie z.B. bei einer Luftspule), dann kann die Reaktanz der einen Mantelwellensperre zu einer Kapazität transformiert werden, die dann von der anderen Mantelwellensperre wieder teilweise aufgehoben wird.

Verlustbehaftete magnetische Werkstoffe

Damit sich die Impedanz einer Mantelwellensperre nicht mit einer vorhandenen Kapazität aufheben kann, haben Ferrite zur Funkentstörung einen Verlustanteil (entsprechend eines hinreichend großen Realteils der komplexwertigen Impedanz bzw. eines hinreichend großen Imaginärteils der komplexwertigen Permeabilität). Die Spule um den Ferritkern wirkt dann zum Teil wie ein Widerstand, und nicht vollständig wie eine Spule. Dies sorgt dafür, dass auch im Falle der Reihenresonanz immer noch ein erheblicher Widerstand vorhanden bleibt. Es ist also – auch wenn es paradox klingt – besser wenn der Teil der Mantelwellensperre, der die Mantelwellen unterdrücken soll, verlustbehaftet ist, also einen möglichst großen Realteil der komplexen Impedanz aufweist. Genau hierfür gibt es Ferrite, die bei bestimmten Frequenzen für EMI-Suppression (Unterdrückung elektromagnetischer Störungen) besonders geeignet sind. Man sollte sich von dem Wort „verlustbehaftet“ nicht in die Irre leiten lassen und annehmen, dass deshalb ein Großteil der Leistung verloren geht. Das Gegenteil ist der Fall, denn durch einen sich ergebenden hohen Widerstand fließt kaum Strom, entsprechend gering ist der Verlust. Entscheidend ist jedoch, dass dieser Widerstand groß genug ist. Unterschiedliche Materialien sind hier für unterschiedliche Frequenzen verschieden gut geeignet.

Von Luftspulen sollte man eher absehen, da diese fast ausschließlich eine reine Induktivität ohne Verlustanteile aufweisen. Solche Induktivitäten können sich gemeinsam mit einer möglicherweise vorhandenen kapazitiven Impedanz des übrigen Kabels aufheben. Im ungünstigsten Falle sorgt eine Luftspule also zu einer Verstärkung der Mantelwellen.

Je mehr desto besser?

Vor Kapazitäten muss man sich auch beim Wickeln von Spulen in Acht nehmen, denn der Grundsatz „je mehr desto besser“ stimmt hier nicht! Liegen die Wicklungen zu eng, dann können neben der entstehenden Induktivität auch parasitäte Kapazitäten zwischen den Wicklungen entstehen. Dies wird insbesondere dann zum Problem, wenn zuviele Wicklungen auf einen Kern aufgebracht werden. Wieviele Wicklungen notwendig und sinnvoll sind, ist schwer zu messen. Auf der Webseite von G3TXQ, der leider mittlerweile verstorben ist, findet sich eine kleine Übersicht. Seine Arbeit und seine Texte zum Thema haben mir sehr geholfen.

Weitere Formen der Symmetrierung

In der Literatur (z.B. Rothammels Antennenbuch) finden sich noch viele weitere Ansätze zur Symmetrierung von Antennen. Hierbei handelt es sich teilweise um Spannungsbaluns und teilweise um Strombaluns.

Sperrtopf als Mantelwellensperre

Eine erwähnenswerte Alternative zu Mantelwellensperren mit Ferriten stellt der sogenannte Sperrtopf dar. Hierbei wird ein 1/4-Lamda langes Rohr über das Koaxialkabel gestülpt und an einem Ende mit dem Schirm verbunden. Die Sperrwirkung tritt am nicht-verbundenen Ende des Rohrs ein, da die Verbindung am anderen Ende (Kurzschluss) durch eine 1/4-Lambda-Transformation hochohmig wird. Es handelt sich also um einen Strombalun.

Damit der Sperrtopf am Einspeisepunkt wirksam Mantelwellen des Typs B unterdrücken kann, muss die Sperrwirkung (also die nicht mit dem Koaxialmantel verbundene Seite des Sperrtopfes) am Speisepunkt (oder zumindest in dessen Nähe) lokalisiert sein. Dies ist bei bestimmten Sperrtopfantennen nicht der Fall. Mehr dazu später.

Umgestülpter Koaxmantel als Sperrtopf?

Im Bereich der Dezimeterwellen (UHF) beträgt 1/4 der Wellenlänge nur wenige Zentimeter. Hier könnte man auf die Idee kommen, das leitfähige Abschirmgeflecht eines Koaxialkabels umzustülpen, so dass ein Sperrtopf entsteht (offenes Ende am Einspeisepunkt). Ein Test unter Berücksichtigung des Verkürzungsfaktors der äußeren Isolierung (die dann zwischen den beiden Lagen Abschirmgeflecht liegt) hat jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse offenbart. Ursache ist vermutlich der zu geringe Abstand zwischen umgestülptem und innen liegendem Schirm.

Sperrtöpfe scheinen normalerweise mehrere Millimeter oder gar Zentimeter Abstand zum innen durchgeführten Koaxialkabel zu haben, also einen Durchmesser zu haben, welcher im Vergleich zum Kabel groß ist. Dies ist beim Umstülpen des Abschirmgeflechts nicht der Fall. Außerdem wirkt die dann zwischen den beiden Lagen des Geflechts befindliche äußere Isolierung des Kabels als Dielektrikum, was aus elektrischer Sicht einer weiteren Verringerung des Abstands entspricht.

Im Gegensatz zu einer innen geleiteten Welle, weist eine Mantelwelle ein außen liegendes, mit dem Abstand vom Kabel abnehmendes elektromagnetisches Feld auf. Befindet sich, bei einer vom Kabel auf das offene Ende des Sperrtopfes zulaufenden Welle, der Sperrtopf zu nah am Kabel, dann erfasst das offene Ende des Sperrtopfes nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtenergie der Mantelwelle. Die Sperrwirkung kann somit nicht wie gewünscht eintreten. Dies gilt aufgrund der Reziprozität auch in umgekehrter Laufrichtung der Mantelwelle.

Die Methode, den Koaxschirm als Sperrtopf zu verwenden, scheint daher in der Praxis völlig ungeeignet zu sein.

Die Groundplane

Eine große leitfähige Fläche (Groundplane) könnte ebenfalls Mantelwellen verhindern. Denn diese besitzt auch im Hochfrequenzberech einen Widerstand von nahezu 0 Ohm. Verbinden wir den Schirm des Koaxialkabels mit dieser Groundplane, dann wird der Strom gleichmäßig in die Groundplane fließen, anstelle den widerstandsbehafteteren Weg durch den Mantel des Koaxialkabels zu nehmen. Näherungsweise können wir uns diesem Effekt mit einer großen Menge von Radialen annähern (auch oft als Groundplane-Antenne bezeichnet). Dies funktioniert aber, je nach Anzahl, Abstimmung und Ausrichtung der Radiale, nicht immer vollständig, weshalb eine zusätzliche Mantelwellensperre auch in diesem Falle Sinn machen kann.

Bei einer VHF-Groundplane-Antenne, die über vier um 135° nach unten geklappte Radiale verfügte, veränderte sich im Test bei Entfernen bzw. Hinzufügen einer Mantelwellensperre der SWR-Verlauf und die Resonanzfrequenz merklich. Es ist also davon auszugehen, dass es in meinem Testszenario beim Weglassen der Mantelwellensperre zu Mantelwellen gekommen ist, obwohl es sich bei der Antenne mit 4 Radials nicht um eine symmetrische Antennenform handelt.

Sonderfall Mantelwellenantenne

Wie bereits erwähnt, wirkt ein mit Mantelwellen gespeistes Koaxialkabel auch als Antenne. Dieser Effekt lässt sich zum Prinzip erheben: So ist es möglich, das zur Speisung genutzte Koaxialkabel als Teil der Antenne zu verwenden. Hierzu wird am Ende des Koaxialkabels ein 1/4-Lambda-Draht an den Innenleiter angeschlossen (alternativ werden 1/4-Lambda der Abschirmung entfernt, was den selben Effekt hat). Der einzelne Leiter wird vom Einspeisepunkt z.B. nach oben weggeführt und das speisende Koaxialkabel nach unten. 1/4-Lambda vor dem Einspeisepunkt (also im Beispiel 1/4-Lambda unter dem Übergang von Koaxialkabel auf Einzelleiter) wird eine Mantelwellensperre in das Koaxialkabel eingefügt (z.B. durch Aufwickeln auf einen geeigneten Ferritkern). Eine solche Antenne funktioniert wie folgt: Die Welle im Inneren des Koaxialkabels kann die Mantelwellensperre passieren (da es sich um ein Gegentaktsignal handelt) und läuft bis zum Übergang zwischen Koaxialkabel und Einzelleiter. Dort wird dann (im Idealfalle symmetrisch) der Einzeldraht auf der einen und eine Mantelwelle auf der anderen Seite gespeist. Der Draht endet nach einer Entfernung von 1/4-Lambda. Die Mantelwelle auf dem Koaxschirm kann ebenfalls nur 1/4-Lambda weit laufen, denn die Mantelwellensperre verhält sich – im Idealfall – für das Gleichtaktsignal der Mantelwelle wie ein Ende des Kabels. Insgesamt liegt ein resonanter 1/2-Lambda-Dipol vor, der, trotz Kabelführung von unten, aus Sicht des Dipols betrachtet, in der Mitte gespeist wird.

In diesem Falle treten hohe Spannungen an der Mantelwellensperre auf, denn diese befindet sich nun in einem Spannungsbauch und Stromknoten. In einem solchen Falle muss eine Mantelwellensperre unbedingt eine Impedanz von mehreren tausend Ohm aufweisen, auch im Falle niedriger Leistungen, denn sonst wird die gewünschte Richtcharakteristik der Antenne nicht erreicht bzw. die Richtcharakteristik kann sich wie auch das Stehwellenverhältnis (SWR) mit Länge und Lage des weiteren Anschlusskabels verändern.

Sperrtopfantenne

Anstelle der Mantelwellensperre kann auch ein Sperrtopf verwendet werden. Hierzu wird das Speisekabel in einem 1/4-Lambda langen Rohr geführt und am Ende der Schirm des Koaxialkabels mit dem Rohr verbunden. Der Innenleiter des Koaxialkabels wird an einen 1/4-Lambda-Strahler angeschlossen.

Auch hier befindet sich die Sperrwirkung leider in einem Spannungsbauch und Stromknoten, nämlich am offenen Ende des Sperrtopfes. Der Impedanz der durch den Sperrtopf realisierten Mantelwellensperre steht also eine hohe Spannung entgegen, was die Wirksamkeit der Sperre herabsetzen kann.

J-Pole- / Zeppelinantenne

Gerade bei hohen Leistungen sind vermutlich andere Konstruktionen vorzuziehen, die „von Haus aus“ eine niederohmige Speisung an einem Ende ermöglichen, wie beispielsweise die J-Pole-Antenne (auch Zeppelinantenne genannt). Zwar sollte auch hier eine Symmetrierung mittels Mantelwellensperre vorgenommen werden, um Ströme auf dem Mantel der Speiseleitung zu unterbinden, diese ist mit dem Speisepunkt dann jedoch in einem Spannungsknoten bzw. Strombauch, so dass bereits Mantelwellensperren mit geringerer Impedanz einen wesentlichen Teil der Mantelwellen sicher unterdrücken können und Mantelwellensperren mit größerer Impedanz auch für hohe Leistungen geeignet sind. Auch ließe sich die J-Pole Antenne mit einem Sperrtopf kombinieren: Die J-Pole Antenne sorgt – trotz Endspeisung – für eine niedrige Speiseimpedanz, und der Sperrtopf erzeugt dort, wo die Einspeisung niederohmig stattfindet, eine hohe Impedanz für Mantelwellen. Somit wäre eine Endspeisung mit sehr guter Mantelwellensperrwirkung ganz ohne Ferritkern realisiert. Nachteil ist die deutliche mechanische Verlängerung.

Fazit

Mantelwellensperren sind für einen zuverlässigen Betrieb vieler Antennenformen erforderlich. Selbst bei einer Groundplane-Antenne mit Radials können Mantelwellen entstehen. Je nach Antenne und Leistung reicht unter Umständen eine Mantelwellensperre mit geringer Impedanz.

Ist die Antenne symmetrisch und können Einflüsse der Umgebung weitgehend ausgbeschlossen werden, so kann ein Spannungsbalun zum Einsatz kommen. Dieser kann z.B. in Form eines Spartransformators aber auch in Form einer 1/2-Lambda-Leitung oder der Gamma-Einspeisung vorkommen. Spannungsbaluns gehen oft mit einer gleichzeitigen Impedanztransformation einher, so dass bei der Verwendung eines entsprechenden Spannungsbaluns die Antenne ggf. eine von 50 Ohm abweichende Speiseimpedanz aufweisen muss.

Im Kurzwellenbereich ist in jedem Fall der Strombalun (stromkompensierte Drossel) dem Spannungsbalun vorzuziehen. Die einfachste Variante eines Strombaluns ist, das Koaxkabel um einen geeigneten Ferritkern, z.B. FT 240-43 zu wickeln (bei mehreren separaten Wicklungsgruppen auf die Wicklungsrichtung achten). Bei niedrigeren Frequenzen sollten mehr Wicklungen, bei hohen Frequenzen weniger Wicklungen verwendet werden (Überblick hier).

Auch das Aufziehen von Ferritkernen direkt auf das Kabel ergibt einen Strombalun. Unterschiedliche Ferrite wirken unterschiedlich gut bei verschiedenen Frequenzen.

Im Bereich niedriger Leistungen kann im Portabelbetrieb auf Mantelwellensperren verzichtet werden; jedoch besteht hier dann trotzdem das Risiko einer veränderten Richtcharakteristik und – je nach Kabelführung – von Bodenverlusten. Bei einem Betrieb des Transceivers in der Wohnung hilft eine Mantelwellensperre, HF von der übrigen Hauselektronik fernzuhalten (und zwar in beiden Richtungen).

Bei bestimmten Antennenformen (zum Beispiel solche, bei denen ein Teil des Koaxialkabels absichtlich strahlt) wirken Mantelwellensperren nur dann, wenn diese eine hohe Impedanz aufweisen. Hier kommt es z.B. bei Mantelwellensperren mit Ferritkernen in besonderem Maße auf die richtige Windungszahl und die Wahl des richtigen Materials an.

Luftspulen können funktionieren, doch ebenso kann man in diesen Fällen auch ohne Mantelwellensperre Glück haben. Besser sind verlustbehaftete Ferrite; bei richtiger Dimensionierung und Positionierung sollte der Verlust am Ende dann nur einen sehr kleinen Teil der Sendeleistung ausmachen.

Auch trotz vorhandener Mantelwellensperre am Speisepunkt einer Antenne können Mantelwellen entstehen, nämlich durch Einkoppelung durch die Luft, wenn das Speisekabel nicht senkrecht zu den elektrischen Feldlinien steht. Hier kann eine zusätzliche, zweite Mantelwellensperre Abhilfe schaffen.

Die in diesem Artikel beschriebenen Überlegungen sollen einen Anreiz zum Diskutieren und Nachdenken bieten. Ich freue mich über Feedback in Form von Anregungen oder Korrekturen, denn es wäre durchaus möglich, dass ich bei dem einen oder anderen Punkt einen Fehler gemacht habe, oder die Praxis den hier dargelegten theoretischen Überlegungen widerspricht. Dennoch hoffe ich mit diesem Artikel zumindest ein wenig Klarheit in das überaus komplexe Thema der Mantelwellen gebracht und nicht allzuviele neue Fragezeichen aufgeworfen zu haben.

Bedanken möchte ich mich bei Werner Schmittner, DJ4WG, dessen Veröffentlichung „Den Mantelwellen auf der Spur“ mir beim Verständnis geholfen hat, sowie bei Steve Hunt, G3TXQ (mittlerweile verstorben) und seiner Frau Betsy Hunt, deren Webseite mir ebenfalls sehr geholfen hat und mir darüberhinaus Ansatzpunkte zur Wahl der richtigen Windungszahl auf Ferritkernen gegeben hat.

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