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Mantelwellensperre - Current Balun

Projekt: Mantelwellensperre - Current Balun

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Einleitende Worte

Eine Mantelwellensperre, auch Gleichtaktdrossel oder Common-Mode Choke, ist ein Bauteil in der Hochfrequenztechnik, das unerwünschte Gleichtaktströme auf der Außenseite von Kabeln unterdrückt, ohne das eigentliche Nutzsignal im Inneren des Kabels zu behindern.
Sie soll verhindern, dass HF-Strom auf dem Außenleiter der Speiseleitung zurück zum TRX fließt. Je höher die Impedanz der Mantelwellensperre im betrachteten Frequenzbereich ist, desto besser ist sie. Eine Faustregel sagt, dass im Kurzwellenbereich die Gleichtaktimpedanz mindestens so hoch sein soll, dass die Dämpfung etwa 25 dB oder größer beträgt. Bei einer Mantelwellensperre kommt es hauptsächlich auf die Drosselwirkung für Gleichtaktströme über den definierten Frequenzbereich an.
Günter, DL4ZAO veröffentlichte eine

lesenswerte Zusammenfassung mit Beispielmessungen zu diesem Thema.

Wie entstehen Mantelwellen? Mit einfachen Worten kurz erklärt.

Energie fließt als Strom I1 auf dem Innenleiter und als Strom I2 auf der Innenseite des Koaxaschirms zur Antenne. Dabei sind I1 und I2 im Idealfall betragsmäßig gleich und entgegengesetzt gerichtet.

Der Außenmantel des Schirms wirkt nun als separater Leiter zwischen dem zweiten Dipolstrahler und Erde.
Eine Unsymmetrie der Antenne führt aber zu einem Potentialunterschied gegen Erde. Als Folge fließt hochfrequenter Gleichtaktstrom I3 über den Außenmantel des Koaxkabels zur Erde. I2 hat sich aufgeteilte in I3 und (I2 minus I3). I3 stellt die unerwünschte Mantelwelle dar. Nun strahlt die Leitung und wirkt als Antenne!

Gleichtakt- bzw. Mantelwellenströme sind Ausgleichsströme die durch unterschiedliche Potentiale zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Systemen provoziert werden.

Gleichtaktströmen sind unerwünscht, da der Schirm ungewollt als Teil der Antenne wirkt. Schirm und Dipolarm wirken wie eine zusätzliche Antenne - mit allen störenden Effekten beim Senden und Empfangen.

Der magnetische Fluss addiert sich und behindert somit Gleichtaktströme.

Gegentaktströme sind gewünscht und für den Energietransport in der Leitung verantwortlich. Beide Ströme sind phasenverschoben, um 180° gedreht, haben eine sehr geringe Impedanz und sind quasi unsichtbar.

Der magnetische Fluss hebt sich auf und lässt Gegentaktströme passieren.

Man braucht also ein Bauteil, das Gegentaktströme ungehindert fließen lässt und Gleichtaktströme wirksam reduzieren kann. Es muss dafür sorgen, dass an symmetrisch/unsymmetrischen Übergängen symmetrische Ströme fließen.

Bewickeln einer Mantelwellensperre nach W1JR

Bei der Wicklung des Ringkerns nach W1JR ist darauf zu achten, dass der Wickelsinn bei der mittigen Umkehr beibehalten wird. Die falsche Bewicklung führt zu einem nicht brauchbaren Ergebnis.
Bei einer Mantelwellensperre interessiert in erster Linie, wie stark die Mantelwellen unterdrückt werden. Dabei soll sie natürlich das Sende- / Empfangssignal als Nutzsignal geringstmöglich abschwächen. Da Mantelwellensperren als Balun (balanced / unbalanced) arbeiten, also von der unsymmetrischen Koaxialleitung auf einen symmetrischen Antennenausgang transformieren, ist ebenfalls von Interesse, inwieweit dies symmetrisch geschieht. Unsymmetrie würde wieder zur Mantelwellenbildung beitragen. Energie fließt als Strom

Umsetzung

Ich habe einen FT140-43 Ringkern genommen. Die 43ger Materiealmischung hat sich als gut befunden und kann im Kurzwellenband eingesetzt werden. Auf diesen Kern wurden 17 Windungen [8+1+8] RG 316 U Koaxkabel [ca. 85 cm] nach W1JR gewickelt wurden.
Das 43er Material ist gut für den Kurzwellenbereich geeignet. Nur im unteren KW Bereich hat es eine etwas geringere Sperrdämpfung. Da helfen auch nicht mehr Windungen, denn auf den höheren Bändern macht sich dann die kapazitive Kopplung negativ bemerkbar.
Nimm den Ringkern in die Hand und beginne mit dem RG316-Kabel, das ca. 5 cm auf der oberen Ringkernseite überstehen sollte und befestige es mit einem kleinen Kabelbinder. Dann mit einen weiteren Kabelbinder das Koaxkabel überkreuzen.
Nun 8 mal durch den Kern wickeln. Dann durch die Ringkernmitte zur anderen Seite nochmals 8 mal in gleicher Wickelrichtung durch den Kern. Wieder das Kabelende ca. 5 cm überstehen lassen und das Kabelende mit zwei Kabelbindern überkreuz arretieren. Siehe Foto unten.
Mehr Windungen bringt nicht viel, da für diesen hohen Frequenzbereich das Ferritmaterial an seine Grenze kommt. Auch würden in diesem Frequenzbereich die dann enger anliegenden Windungen zu stark aufeinander koppeln.
Noch eine Anmerkung zu parasitäre Kapazitäten. Jede Drosselspule besitzt Wicklungskapazitäten. Bei sehr hohen Frequenzen wirkt die Drosselspule irgendwann nicht mehr rein induktiv, sondern nähert sich ihrer Eigenresonanz.

Der bewickelte Ringkern wurde anschließend vermessen. Die folgenden Abbildungen und die Tabellenwerte zeigen die positiven Ergebnisse.
Die Dämpfung von Mantelwellen ist im Kurzwellenbereich insgesamt groß und Durchgangsdämpfung sowie Symmetrie sind stimmig. Die Durchgangsdämpfung steigt zum oberen Frequenzbereich an, was durchaus durch das dünne Kabel begünstigt wird. Der Aufbau ist für 100 Watt Sendeleistung geeignet.

Messen und Testen der Mantelwellensperre

Wir befinden uns in einer 50 Ω Umgebung und messen die Sperrdämpfung und Durchgangsdämpfung einer Mantelwellensperre. Das Messergebnis der Übertragung soll eine hohe Drosseldämpfung für Gleichtaktsignale sein.
Der S21-Streuparameter ist der Vorwärtstransmissionsfaktor. Er entspricht dem Anteil des Eingangssignals an Port 1, der zu Port 2 durchgelassen wird. Dieser Parameter gibt daher die Effizienz der Signalübertragung vom Eingang zum Ausgang an.

Messung bzw. Testen der Sperrdämpfung

Sperrdämpfung
Die Sperrdämpfung kann mit einer S21 Messung ermittelt werden. Dazu habe ich die Abschirmung der BNC Buchse von der Mantelwellensperre jeweils mit dem Innenleiter von Port1 [Generatorausgang] und dem Innenleiter von Port2 [Messeingang] des NanoVNA verbunden. Man kann statt der Abschirmung auch den Innenleiter der BNC Buchse nehmen. Als Ergebnis erhält man die Sperrwirkung der Mantelwellensperre.
Die resultierende Sperrdämpfung der Mantelwellensperre sollte etwa wie in der unteren Abbildung aussehen.
Bei 3,6 MHz und 29 MHz beträgt die Sperrdämpfung [S21] gegenüber Gleichtaktströmen ca. 33 dB. Das entspricht einem induktiven Blindwiderstand XL von ca. 4,5 kΩ und bei 14 MHz sind es sogar ca. 40 dB mit XL von ca. 11 kΩ.
Die Sperrdämpfung beträgt über das betrachtete Frequenzband im Durchschnitt 36 dB bei einer durchschnittlichen Durchgangsdämpfung von 0,13 dB. Das sind sehr gute Werte.

Lediglich die Sperrdämpfung sagt etwas über die Qualität der Mantelwellensperre aus. Für eine wirksame Unterdrückung von Gleichtaktströmen soll der induktive Widerstand XL der Wicklung ca. 10 mal so groß sein, wie die zu verdrosselnde Last-Impedanz. [> 20 dB].
Gewobbelt wurde über einen Frequenzbereich von 2,5 bis 31 MHz. In diesem großen Frequenzbereich sollte die Mantelwellensperre eine Sperrtiefe von 25 dB und größer haben.
Die gemessene Sperrdämpfung mit einer guten Balance von ca. 35 dB entspricht den Erwartungen.

Frequenz	Dämpfung in dB	XL

3,6 MHz	32,8 dB	≙ ca. 4,3 kΩ

12 MHz	41,5 dB	≙ ca. 11,9 kΩ

20 MHz	37,4 dB	≙ ca. 7,3 kΩ

29 MHz	33,4 dB	≙ ca. 4,6 kΩ

Messung bzw. Testen der Durchgangsdämpfung

Durchgangsdämpfung
Zur Messung der Durchgangdämpfung habe ich Port1 und Port2 des NanoVNA jeweils über ein Koaxkabel mit dem Ein- und Ausgang der Mantelwellensperre verbunden.
Zur besseren Ablesegenauigkeit sollte die vertikale Skalierung auf 0,5 dB oder 0,25 dB eingestellt werden.
In dem hier angeführten Frequenzbereich sollte die Durchgangsdämpfung deutlich unter 0,5 dB liegen. Beachte auch, dass Adapter und Leitungen zur geringen Dämpfung mit beitragen.

Auch hier entspricht die gemessene Einfügedämpfung von ca. 0,15 dB den Erwartungen.

Mantelwellensperre wo einschleifen?

Die Mantelwellensperre sollte in der Regel direkt am Speisepunkt der Antenne eingeschleift werden. Das ist der Standardfall und der effektivste Ort, um zu verhindern, dass hochfrequente Ströme auf die Außenseite des Koaxialkabels gelangen und das Kabel selbst ungewollt als Antenne strahlt.
Die Mantelwellensperre zeigt dort die größte Wirkung, wo der Antennenstrom am größten ist.

Hier ein paar Anregungen:
Wie bereits gesagt, direkt am Speisepunkt. Schalte die Mantelwellensperre in das Koaxkabel, und zwar so nah wie möglich an dem Punkt, an dem das Kabel an den Strahler und das Radial-/Gegengewichtssystem angeschlossen wird.

Bei Groundplane- Vertikalantennen sollte direkt am Fußpunkt eingschleift werden, um zu verhindern, dass die HF über das Kabel statt über die Radiale abfließt.

Bei Endfed/Fuchs-Kreis Antennen, platziere die Mantelwellensperre in einem Abstand von etwa 0,05 λ bzw. etwas mehr vom Transformationsglied entfernt in den Kabelweg. Das Kabelstück dazwischen arbeitet dann als notwendiges Gegengewicht.

Häufig ist es extrem sinnvoll, eine zweite Mantelwellensperre direkt vor dem Funkgerät oder dem Antenentuner in der Station einzuschleifen.

Ein Erklärungsversuch zum Thema Mantelwellensperre

Was ist Gleichtaktstrom, was ist Gegentaktstrom und warum braucht man eine Mantelwellensperre?.