mantelwellen messen

Hallo Hans,
wenn Du die Wirkungsweise einer Mantelwellensperre verstanden hast, kann man diese mit einer Spule auf einem Ringkern plus Gleichrichtung nachweisen. Z.B. 20 Wdg auf einen Ringkern und das dann Gleichrichten und und abblocken. Mit einem Multimeter kann man dann eine Spannung messen, wenn Mantelwellen vorhanden sind. Wenn Du das in ein Gehäuse einbaust, darf die Masse der Gleichrichtung nicht mir dem Gehäuse verbunden werden, sondern mit dem Messanschluss. Der Ringkern mit Wicklung wird auf das Koaxkabel montiert.

Hallo Hans

Ergänzend zu dem Vorschlag von Gerhard: Mit Hilfe eines Klappferrits, wie er zur PC-Entstörung eingesetzt wird, habe ich mir eine Stromzange aufgebaut. 1o Windungen über die eine Kernhälfte. Der Ferrit wird um das zu testende Coaxkabel geklappt und die an den Windungen anliegende HF (= Mantelwellen!) mit einer Diode gleichgerichtet. Die Spannung wird mit einem hochohmigen Voltmeter angezeigt. Meistens sind die Daten des Ferritmaterials (Bastelkiste) nicht bekannt, weshalb diese Methode nur zum Abschätzen der Mantelwellen geeinet ist. Eine Aussage - Mehr/Weniger Mantelwellen - ist aber durchaus möglich!

Damit die Stromzange die Mantelwellen breitbandig mißt, muß die Wicklung mit einem Widerstand belastet werden. Die Wahl dieses Widerstandes hat nichts mit dem Wellenwiderstand des zu messenden Kabels zu tun. Dabei muß der Blindwiderstand der Wicklung auf der tiefsten Meßfrequenz mindestens fünfmal so hoch sein wie der bedämpfende Widerstand. Die Meßumsetzung erfolgt von Kabelstrom in angezeigte Spannung. Zum Eichen kann der Kabelstrom aus der Leistung an einem Lastwiderstand bestimmt werden.

Hallo Hans und QRPForum,

ich habe Dir meine Vorschläge schon per E-Mail zukommen lassen.

Wenn ich einen Entstörr-Klappferrit mit 20 Windungen versehe, erhalten ich L=291µH, d.h. AL=727,5nH/N^2.
ZL=2.743Ohm @1,5MHz
ZL=54.852Ohm @30MHz
Für meinen Aufbau werde ich R2=180R||680R nehmen, dann ist bei f=13,342 Mhz R2'=141,5R.

In wieweit der Ferrit breitbandig nutzbar ist, zweigt dann eine Durchgangsmessung mit dem FA-NWT:
- Masse ist vom Ausgang (G) zum Eingang (log. Detektor) verbunden.
- zwischen den anderen Leitern liegt in Reihe die Drossel-Induktivität.

Was und die wie kann man nun damit Messen ?

In http://www.qrpforum.de/index.php?page=Thread&threadID=5452 habe ich etwas Theorie beschrieben, die ich hier noch mal zusammentragen möchte.

Eine mögliche Meßschaltung seht ihr im Anhang.

Die Zusammenhänge

Wichtig ist zu wissen ist; unabhängig von der Induktivität der Auskopplung über TR, gilt für das Windungsverhältnis N1 zu N2:

(1) N1 * I1 = N2 * I2

In meinem Beispiel habe ich N1=1 und N2=20 Windungen gewählt.

I1 ist der Strom durch den Leiter, also hier dem Koaxialkabel.
I2 ist der Strom durch die Windungen auf dem Ringkern.

Es folgt aus (1):
(2) I2 = I1 / 20

Schon mal gut, wir wissen also, dass wir nur 1/20 des Stroms über TR auskoppeln !

Um aus einem Strom eine Spannung zu machen gilt:

(3) U = I * R

Und es folgt aus meinem Beispiel und (2), (3):

(4) U2 = I2 * R2 = I1 / 20 * R2

D.h. die Spannung U2 über den Längswiderstand R2 ist proportional zu 1/20 Stroms durch den (Mess-)Leiter.
Also hier ein Maß für die Mantelwelle auf dem Außenleiter des Koaxialkabels.

Wie erhalten wir nun den Strom, wenn wir die Leistung und den (Abschluss-)Widerstand R kennen ?

(5) I = Wurzel(P / R) ; R ist i.A. 50 Ohm

(5.a) I1 = Wurzel(P1 / R1)

Wir kombinieren (4) und (5a) miteinander um die Spannung U2 über den Widerstand R2 zu bestimmen:

(6) U2 = Wurzel(P1 / R1) / 20 * R2 = Wurzel(P1 / 50) / 20 * R2

Schon mal ganz gut, aber eine unhandliche Formel.

*Ha-Jo, DJ1ZB* schrieb:

Zitat

Damit die Stromzange die Mantelwellen breitbandig mißt, muß die Wicklung mit einem Widerstand belastet werden. Die Wahl dieses Widerstandes hat nichts mit dem Wellenwiderstand des zu messenden Kabels zu tun. Dabei muß der Blindwiderstand der Wicklung auf der tiefsten Meßfrequenz mindestens fünfmal so hoch sein wie der bedämpfende Widerstand. Die Meßumsetzung erfolgt von Kabelstrom in angezeigte Spannung. Zum Eichen kann der Kabelstrom aus der Leistung an einem Lastwiderstand bestimmt werden.

Ich verstehe das so, dass der Messfehler klein bleibt, wenn

(7) XL > 5 * R2

ist.
Dieser 'Fehler' ist als Quotient des Widerstands R2 zu R2' zu bestimmen.

(8 ) R2' = XL R2

Für das allgemeine Verständnis ein Beispiel:

Ringkern FT114-43 mit AL=430nH/N2

Mit N=20 ergibt sich L = 0,43µH * 202 = 172µH

XL=1.621 Ohm @1,5MHz
XL=32.421 Ohm @30MHz

mit R2 = 100 Ohm folgt

(9a) R2' = XL R2 = 94,19 Ohm @1,5MHz
Hier beträgt der Fehler 6,17%

(9b) R2' = XL R2 = 99,69 Ohm @30MHz
Hier beträgt der Fehler nur noch 0,31% !

Ein praktischer Vorschlag:
Mit einem Widerstand R2'=141,5 Ohm erhalten wir aus (6):

(6) U2 = Wurzel(P1 / 50) / 20 * R2'

U2 = Wurzel( P1 / 50 ) * (141,5/20)
U2 = Wurzel( P1 / 50 * (141,5/20)^2 )
U2 = Wurzel( P1 / 50 * 50 )

(10) U2 = Wurzel(P1); R1=50Ohm, R2'=141,5 Ohm, N=20

Rechnung:
Wir verwenden Formel (10) um bei total Reflexion (s>10) mit P1=10 Watt; U2=3,1623V zu bestimmen.

Nach dem Gleichrichter mit C1, C2, D1, D2 ergibt sich für die Sinusspannung natürlich ein andere effektiver Gleichspannungswert.

(11) U_eff = 2*Us * Wurzel(2)/2 = Us * Wurzel(2)

Ich denke das sollte genug für heute sein.
Und ich hoffe ihr kommt auf die selben Ergebnisse wie ich.

Nachtrag
V1.4 Gleichrichtung von Wechselspannungen

Hallo QRPForum,

ich habe meinen Messadapter heute fertig gestellt und gleich an einer Antenne zur Bestimmung des SWR verwendet !

Mein Klappferrit mit 20 Wdg. 0,4mm Cu-Lackdraht passt genau über den Mantel eines Aircell-7 Kabels.

Mein TRX liefert 5W und ich messe eine Spannung U2=0,4V für die rücklaufenden Welle mit einem DMM 10 MOhm.

Für die Berechnungen werden die Formeln:

(10) U2 = Wurzel(P1); R1=50Ohm, R2'=141,5 Ohm, N=20 und
(11) U_eff = Us * Wurzel(2)

benötigt.

Nach Umstellung von (10), (11) und Us=U2 erhalten wir:

(12) P = U_eff^2 / 2

Wir setzen U_eff = 0,4 V ein - ohne Berücksichtigung der Flussspannung für die Germanium Diode 1N60 - und erhalten:

P_r = 0,08 W

Wir kennen bestimmt noch die Gleichung:

(13) U = Wurzel( P * R )

und berechnen damit die Größe der reflektieren Spannung U_r an 50 Ohm.

U_r = Wurzel( 0,08 W * 50 Ohm ) = 2,0 V

Die vorlaufende Leistung beträgt 5 Watt, also ist vorlaufende Spannung U_f:

U_f = Wurzel( 5,0 W * 50 Ohm ) = 15,81 V

Für die Berechnung des SWR wird diese Formel benötigt:

(14) SWR = U_max / U_min = (U_f + U_r) / (U_f - U_r)

Durch einsetzen der Werte U_f und U_r in (14) erhalten wir:

SWR = (U_f + U_r) / (U_f - U_r) = (15,81 V + 2V) / (15,81 V - 2V) = 1,290

Mit dem NWT habe ich das SWR bei der gleichen Frequenz mit SWR = 1,3117 gemessen !

Passt, sehr schön !

Hallo Uwe,
danke für die Ausführungen. Bedenke bitte, das das SWR nichts mit Mantelwellen zu tun hat. Die Vorwärtsleistung verläuft innerhalb des Koaxkabels und die Rückwärtsleistung auch (SWR). Da beide Ströme jeweils gleich sind, heben sie sich auf und können nichts in das Klappferrit induzieren. Eine Mantelwelle hat keinen Bezug zu irgend etwas, kommt auf der Außenseite der Abschirmung zurück und kann deshalb gemessen werden. Das beides ähnlich groß ist, ist eher Zufall.

Moin Gerhard,

Zitat von DC4LO

Da beide Ströme jeweils gleich sind, heben sie sich auf und können nichts in das Klappferrit induzieren.

meines Verständnisses nach heben sich die Ströme nur auf, wenn sie in Betrag und und Phase gleich (in diesem Falle mit umgekehrtem Vorzeichen, da sie in entgegengesetzte Richtungen fliessen) sind. Das sehe ich als "Anpassung", d.h. die maximal mögliche Energie wird übertragen.
Das entspricht m.E einem SWR von 1. Wenn das nicht gegeben ist, "strahlt das Kabel". Sind das dann Mantelwellen?. So ganz habe ich diese Bezeichnung auch noch nicht begriffen.

73 de Roland / DK1RM

Moin Roland,
OM Uli DK4SX hatte mal den Unterschied zwischen SWR und Mantelwellen klar gestellt. Anbei die Quelle und Zitat:

http://www.hamradioboard.de/wb…lie%C3%9Fen.html#post8278

[...] >Zitat von Uli vom Montag, 30. Mai 2005, 14:54:
Hallo,

Mantelwellen enstehen nicht durch Fehlanpassung der Antenne, sondern ausschließlich dadurch, dass der Speisestrom vom Sender von der Innenseite des Mantels an der Kontaktstelle mit der entsprechenden Dipolhälfte nicht nur auf diese, sondern auch auf die Mantel-Außenseite abfließt. Von dort führt er zum Rückfluss in die Station oder zu unkontrollierter Abstrahlung bzw. Einstrahlung.

Selbst wenn am Antennenspeisepunkt eine Mantelwellensperre z. B. in Form eines Koaxwickels angebracht ist, kann die Antenne, wenn sie - was üblicherweise immer der Fall ist - von ihrer Umgebung nicht extrem symmetrisch "belastet" wird, zusätzlich auf den Außenmantel einstrahlen und zu entsprechender Abstrahlung oder Rückfluss ins shack führen. Daher habe ich an meiner FD-4 einen Koaxwickel am Speisepunkt und eine Ferritsperre am Tx angebracht. So strahlt nichts unkontrolliert und TVI gibt's ebenfalls keins.

73 Uli, DK4SX

<--- Zitat Ende.

Ich hoffe, das der Unterschied jetzt aufgeklärt wurde.
Nachtrag: wie Mantelwelle messen, sollte doch jetzt das Ergebnis sein und Dank an Uwe für die Mühe.

Hallo Gerhard,

Zitat von DC4LO

Hallo Uwe,
danke für die Ausführungen. Bedenke bitte, das das SWR nichts mit Mantelwellen zu tun hat. Die Vorwärtsleistung verläuft innerhalb des Koaxkabels und die Rückwärtsleistung auch (SWR). Da beide Ströme jeweils gleich sind, heben sie sich auf und können nichts in das Klappferrit induzieren. Eine Mantelwelle hat keinen Bezug zu irgend etwas, kommt auf der Außenseite der Abschirmung zurück und kann deshalb gemessen werden. Das beides ähnlich groß ist, ist eher Zufall.

Darüber werde ich noch nachdenken, da ich auch einen 50 Ohm 1:1 Current-Balun am Dipol betreibe, sollten keine Mantelwellen stehen.

Meine Messungen erfolgten direkt hinter dem PL-Stecker der Antennenkabels.

Hallo an alle,

so wie ich die Sache sehe, können Mantelwellen auch dann entstehen, wenn das Kabel nicht weit genug mit 90° von der Antenne weggeführt wird, sozusagen auch etwas parallel zum Dipoldraht liegt und dann direkt die eigene Sendeenergie in den Koaxmantel induziert wird.
Oder??

Zitat von DB1BKA

Hallo an alle,

so wie ich die Sache sehe, können Mantelwellen auch dann entstehen, wenn das Kabel nicht weit genug mit 90° von der Antenne weggeführt wird, sozusagen auch etwas parallel zum Dipoldraht liegt und dann direkt die eigene Sendeenergie in den Koaxmantel induziert wird.
Oder??

Hallo Bernd,
ja, die diese Einstrahlung fließt als Mantelwelle in das Shack.

Hallo QRPForum,

wer hat den schon die Schaltung 02-schaltplan.pdf aufgebaut und mal ausprobiert ?

Evtl. habt ihr auch eine weitere Art der Leistungs- und Strommessung realisiert, gebt uns doch mal einen Rückmeldung !

Mich würde auch interessieren, ober die SWR Messung/ Bestimmung nur ein Zufall war ?
Die Theorie der Mantelwellen ist mir dank DC4LO wieder in Erinnerung gerufen worden. Danke.

Hallo Uwe,
so was ähnliches hab ich mal gebaut und damit "geschätzt".
Ich habe einen Ferrit-Ringkern halbiert (angeritzt und im Schraubstock durchgebrochen! - geht hervorragend) und auf jede Hälfte 10 Wdg. aufgebracht. Beide Spulen sind mit 200 Ohm Bürde belastet und mit GA104 Einweg-gleichgerichtet. Die halben Kerne sind in eine große Wäscheklammer eingeklebt und ein Drehspulinstrument angebaut. Kalibriert ist das nie worden, zeigt aber bis mindestens 30MHz was an. Die Konstruktion ist nicht ideal, aber die Klammer hat viel Kraft, dadurch ist der Luftspalt ziemlich konstant klein.

Hallo Bernd,

ich habe noch ein Verständnis Problem, 2x 10 Wdg. und wie sind die dann verschaltet ?

In Reihe dann wären es ja auch 20 Wdg.

Aus meinen Formeln und durch Messung der Induktivität L deines Adapters, kannst Du auch eine geschlossene Formel herleiten.

Tip:
N = 20
R2 = 200 Ohm
XL = ? @ 3.5MHz
R2' = R2 XL

(6) U2 = Wurzel(P1 / 50) / 20 * R2'

Und für den Einweggleichrichter müsste, ohne Korrektur der GA104, dies gelten:

(11.a) U_eff = Us * Wurzel(2)/2 = Us / Wurzel(2)

Aus (6), (11.a) und mit Us = U2 erhalte ich nach Umstellungen:

(11.b) U_eff = Wurzel(P1) * R2' / 200; P1 ist die Eingangsleistung und U_eff die Spannung bei Total Reflexion

Hallo Uwe,

da ich das Gerät nie zum genauen Messen, sondern eher zur Abschätzung der Intensität schädlicher Ströme gebaut habe (man kann allerdings auch damit messen, aber ich habe den Frequenzgang noch nie untersucht), habe ich die gleichgerichteten Spannungen in Reihe geschaltet und wahlweise eine oder beide Spulen zur Anzeige verwendet.

Ein Schaltbild habe ich angehängt.

Hallo Forum,

einige sehr informative und theoretisch gut durchdrungene Artikel zum Thema Messbrücken etc. findet man unter
From Transmitter to Antenna.
Ich hatte mal angefangen, einiges zu übersetzen, aber das erschlägt einen einzelnen, zumal David ständig daran arbeitet.

Viel Spaß beim Schmökern.

Danke für den Link, denn kannte ich noch nicht.