Strombalun, Spannungsbalun und Mantelwellensperren

Zwei Bauteile mit demselben Namen

Am Speisepunkt deines 20-m-Dipols soll ein 1:1-Balun sitzen. Welcher, ist nicht egal.

Unter der Bezeichnung 1:1-Balun gibt es zwei verschiedene Bauteile^[1]. An einem Dipol, der nicht ganz symmetrisch hängt, verhalten sie sich verschieden, denn der eine hält die Spannungen an seinen Ausgängen gleich, der andere die Ströme.

Der Spannungsbalun ist ein Übertrager, dessen Wicklungen das Sendesignal über den Ferritkern weitergeben. Er legt an seine Ausgänge gleich große, entgegengesetzte Spannungen gegen den Schirm des Koax, gleich welche Last daran hängt^[2]. Weil die ganze Sendeleistung durch seinen Kern läuft, braucht er für hohe Leistung einen großen, verlustarmen Kern, sonst wird er heiß oder gerät in Sättigung und erzeugt Oberwellen^[1].

Der Strombalun ist die Mantelwellensperre am Speisepunkt aus Modul 2, Lektion 3. Er drängt die Ströme an seinen Ausgängen zu gleicher Größe, die Spannungen gegen den Schirm stellen sich dafür frei ein^[3]. An den Klemmen sind die Ströme entgegengesetzt, entlang des Drahts fließen sie in beiden Armen in dieselbe Richtung (Modul 4, Lektion 5).

Aus Koax gewickelt, sieht sein Kern nur das Feld des Mantelstroms, das Feld des Sendesignals bleibt im Kabel. Aus zwei parallelen Drähten auf einem verlustreichen Kern setzt er dagegen viel Sendeleistung in Wärme um^[1].

Am Dipol, der nicht symmetrisch hängt

Hängt ein Arm dichter an Metall, Baum oder Boden als der andere, ist der Dipol trotz gleich langer Arme nicht symmetrisch (Modul 2, Lektion 3), und seine Arme zeigen dem Balun verschiedene Impedanzen^[2].

Der Spannungsbalun legt an beide trotzdem gleich große Spannungen, also fließen verschieden große Ströme. Was ein Arm mehr führt als der andere, fließt über die Außenseite des Schirms, und das Kabel strahlt mit. Mantelstrom verhindert ein Spannungsbalun deshalb nur an einer vollkommen symmetrischen Antenne^[2], und die gibt es kaum^[3].

Der Strombalun hält die Ströme gleich, dafür stellen sich an den verschiedenen Impedanzen der Arme verschiedene Spannungen ein. Für das Feld der Antenne zählen die Ströme in den Armen, nicht die Spannungen am Speisepunkt^[2]. An der Umgebung ändert der Balun nichts, sie verstimmt den nahen Arm weiter.

Wie stark die Sperre sperren muss

Wie gut ein Strombalun die Ströme angleicht, hängt davon ab, wie stark er sperrt^[1]. Der Strom am Speisepunkt teilt sich auf Arm und Mantel im umgekehrten Verhältnis ihrer Impedanzen auf (Modul 2, Lektion 3). Eine Mantelwellensperre legt ihre Sperrimpedanz in Reihe mit diesem Mantelweg. Sie wirkt auf einem Band, wenn ihre Sperrimpedanz dort groß ist gegen die Impedanz, die dieser Weg ohne sie hätte. Die hängt von der elektrischen Länge des Mantels ab, ist auf jedem Band anders, mal induktiv, mal kapazitiv^[4].

Wie jede Impedanz hat die Sperrimpedanz einen Wirk- und einen Blindanteil. Das wird zur Falle, wenn der Mantelweg selbst einen Blindanteil hat.

Ein Beispiel dafür^[5], nachgerechnet in einer 12db-Simulation mit NEC-2: Ein 20-m-Dipol hängt in 9 m Höhe, sein Koax fällt senkrecht ab und ist unten über 20 Ω geerdet, der Boden ist ideal leitend gerechnet. Der Mantelweg hat dort rund 18 Ω Wirk- und 190 Ω kapazitiven Blindanteil. Von 1 A am Speisepunkt fließen ohne Sperre rund 0,16 A über den Mantel. Eine Sperre mit 200 Ω induktivem Blindwiderstand hebt diesen Blindanteil fast auf, der Mantelstrom steigt auf rund 0,6 A. Eine mit 200 Ω Wirkwiderstand senkt ihn auf rund 0,1 A. Ein anders langes oder anders geführtes Kabel und ein anderer Boden ergeben einen anderen Mantelweg und andere Zahlen.

Der Wirkanteil einer Sperre bremst den Mantelstrom immer, ihr Blindanteil kann ihn je nach Kabel und Band auch verstärken^[4], nämlich wo er den Blindanteil des Mantelwegs ganz oder teilweise aufhebt. In derselben 12db-Simulation senkt dagegen eine Sperre mit 750 Ω reinem Blindwiderstand den Mantelstrom auf gut 0,05 A, ihr Blindanteil überwiegt den des Mantelwegs deutlich. Mit mehreren Kiloohm kann auch eine Sperre mit überwiegendem Blindanteil gut sperren^[5].

Mit Blick auf Störungen beim Empfang und die Belastung der Sperre werden rund 5 kΩ Wirkanteil als Ausgangswert empfohlen, am Speisepunkt einer einigermaßen symmetrischen, gut angepassten Antenne bis etwa 600 W^[4].

Das Sendesignal dämpft in einer Koaxwicklung kaum der Ferrit (oben), sondern das Kabel selbst, bei den empfohlenen Bauvorschlägen auf ihren Bändern höchstens rund 0,1 dB, gerechnet vom Verfasser der Bauvorschläge, nicht gemessen^[4].

Die Sperrimpedanz hängt von der Frequenz ab

Vereinfacht ist jede Sperre ein Parallelschwingkreis aus der Induktivität der Windungen, den Verlusten im Kern und der kleinen Kapazität zwischen Windungen und Enden. Unterhalb ihrer Resonanz ist sie induktiv, oberhalb kapazitiv, in der Resonanz ohne Blindanteil und mit der größten Sperrimpedanz^[4]. Mehr Windungen senken die Resonanz, weil Induktivität und Kapazität mit ihnen wachsen^[4]. Wo und über welche Breite die Sperrimpedanz groß ist, hängt von der Bauart ab:

• Luftspule aus Koax, ohne Kern gewickelt: kaum Verluste, die Impedanz ist außer in einem schmalen Bereich um die Resonanz fast ganz Blindanteil^[5]. Große Luftspulen bringen typisch 500 bis 1500 Ω^[1], nahe der Resonanz weit mehr.
• Ferritkern aus verlustarmem Material: auf Kurzwelle fast ganz induktiv wie die Luftspule^[1].
• Ferritkern aus verlustreichem Material, etwa Material 31: Die Kernverluste geben der Sperre über einen weiten Bereich einen großen Wirkanteil. Eine einzelne Sperre sperrt auf Material 31 gut über einen Frequenzbereich von etwa 8:1, die obere Frequenz also etwa achtmal so hoch wie die untere, auf Material 43 von etwa 4:1^[1].
• Ferritperlen auf dem geraden Kabel: Ihre Impedanzen addieren sich, es braucht sehr viele, und auf Kurzwelle sind die meisten induktiv^[1].

Die Grafik zeigt Messungen von G3TXQ^[5]: eine Luftspule aus 11 Windungen RG-213 mit 10,8 cm Durchmesser (2012) und eine Ferritsperre aus 12 Windungen RG-58 auf einem Ringkern aus Material 31 mit 61 mm Außendurchmesser (2017). Die Luftspule erreicht nahe ihrer Resonanz bei 17 bis 19 MHz über 8 kΩ, auf 40 m aber höchstens rund 1 kΩ, auf 80 m unter 0,5 kΩ. Die Ferritsperre erreicht 8 kΩ in der Messung nicht, liegt aber von 3,5 bis 19 MHz über 4 kΩ, ihr Wirkanteil überwiegt von 3,5 bis gut 23 MHz.

2012 lag dieselbe Bauart von 2,6 bis 11,3 MHz über 4 kΩ, Messungen können also deutlich streuen. Über 2 kΩ reicht der Bereich der Luftspulen von 2012, soweit er ganz in der Messung liegt, höchstens bis etwa zum Dreifachen seiner unteren Grenze, bei der Ferritsperre der Grafik von 1,3 bis über 30 MHz (12db-Auswertung^[5]).

Eine Sperre beurteilen

1. Lies die Sperrimpedanz auf jedem Band ab, auf dem du sendest. Ein hoher Höchstwert zeigt, wie gut die Sperre nahe ihrer Resonanz sperrt, nicht auf deinen Bändern.
2. Prüfe, ob dort der Wirkanteil überwiegt, eine vollständige Messung nennt beide Anteile getrennt^[4].
3. Reicht eine Sperre nicht für alle Bänder, setze zwei in Reihe. Ihre Wirkanteile addieren sich, die Blindanteile mit Vorzeichen^[4].
4. Führe das Kabel beiderseits der Sperre nicht eng an Metall entlang, etwa am Boom, dem metallenen Träger eines Beams. Die Kapazität zum Metall liegt parallel zur Sperre, senkt ihre Resonanz und kann sie unwirksam machen^[4].

Wo die Sperre sitzt, zeigt Modul 4, Lektion 5, wie du den Mantelstrom misst, Modul 9.