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Der 50-Ohm-Standard und das Problem der Anpassung
Im Amateurfunk sind Transceiver und Koaxialkabel üblicherweise auf eine Impedanz von 50 Ohm ausgelegt. In der Praxis weist eine Antenne jedoch selten exakt diesen Wert auf. Um diese Fehlanpassung auszugleichen, kommt ein Antennentuner zum Einsatz.
Stimmt die Impedanz von Antenne und Speisekabel nicht überein, entsteht eine Reflexion. Das bedeutet: Ein Teil der vom Funkgerät gesendeten Leistung wird an der Antenne abgewiesen und wandert als reflektierte Leistung zurück in Richtung Endstufe.
Vorlaufende und rücklaufende Spannung (Uv und Ur)
Um das Stehwellenverhältnis (SWR) zu verstehen, betrachtet man zwei Spannungen:
- Uv: Die Spannung der Leistung, die zur Antenne hin fließt (Vorlauf).
- Ur: Die Spannung der Leistung, die zurückkommt (Rücklauf).
Im Idealfall gibt es keine Reflexion. Das bedeutet $U_r = 0\text{ V}$, was ein SWR von 1,0 ergibt.
Im schlimmsten Fall – beispielsweise wenn gar keine Antenne angeschlossen ist oder ein Kurzschluss vorliegt – wird die komplette Sendeleistung reflektiert. Dann entspricht die zurückkommende Spannung exakt der gesendeten ($U_v = U_r$). Setzt man dies in die SWR-Formel ein, ergibt das ein unendliches SWR. Man sieht also: Das SWR kann sich nur auf einer Skala zwischen 1 und unendlich bewegen.
Der Mythos vom «1:2» SWR
Manchmal hört man auf den Bändern Aussagen wie: «Mein SWR beträgt 1:2». Rechnerisch würde das ein SWR von 0,5 bedeuten – was physikalisch unmöglich ist. In diesem Fall hat der OM versehentlich Zähler und Nenner vertauscht; er meint natürlich ein SWR von 2 (also 2:1).
Widerstände und das SWR
Das SWR lässt sich auch über die beteiligten Widerstände (Impedanzen) von Funkgerät ($R_1$) und Antenne ($R_2$) betrachten. Bei der Berechnung steht der höhere Widerstand immer im Zähler.
Gehen wir von unserem 50-Ohm-Funkgerät aus, so gibt es genau zwei Fälle, bei denen sich ein SWR von 2 ergibt – nämlich bei einer Antennenimpedanz von 25 Ohm oder 100 Ohm:
SWR = 50 / 25 = 2 oder SWR = 100 / 50 = 2
Was bedeutet das für meine Sendeleistung?
Den Funkamateur interessiert in der Praxis am ehesten eine ganz konkrete Frage: Wie viel Leistung kommt bei welchem SWR tatsächlich an der Antenne an, und wie viel wird reflektiert? Genau das zeigt unser interaktiver Simulator:
Tuner Leistungs-Simulator
Finde heraus, wie viel Leistung bei einer Fehlanpassung reflektiert wird.
Die Illusion am Funkgerät: Warum das Kabel das SWR schönt
Will man das tatsächliche SWR einer Antenne überprüfen, müsste das SWR-Meter eigentlich direkt oben am Einspeisepunkt der Antenne hängen. Warum das so ist? Nehmen wir eine typische Situation aus dem Shack – da schliesse ich mich übrigens selbst mit ein.
Das SWR-Meter sitzt meist über ein kurzes Patchkabel direkt hinter dem Funkgerät, danach folgen etliche Meter Koaxialkabel bis zur Antenne. Jedes Kabel hat eine Dämpfung. Gehen wir für unser Beispiel von 3 dB Dämpfung aus (was auf VHF und höheren Bändern sehr realistisch ist).
Am Funkgerät lesen wir ein SWR von 1,3 ab. Ein recht schöner Wert, der bedeutet, dass scheinbar nur 2 % der Leistung reflektiert werden. Aber hier ist der Haken:
- Das Sendesignal wird auf dem Weg zur Antenne durch das Kabel bereits um 3 dB abgeschwächt.
- Erst oben an der fehlangepassten Antenne entsteht die Reflexion.
- Diese reflektierte Leistung muss nun den exakt gleichen Weg durch das Kabel wieder zurück – und wird dabei erneut um 3 dB gedämpft.
Die Reflexion, die unten am SWR-Meter ankommt, ist also insgesamt um 6 dB geringer als das, was die Antenne tatsächlich zurückgeworfen hat. In Wirklichkeit reflektiert die Antenne 8 % der Leistung, was einem tatsächlichen SWR von 1,8 an der Antenne entspricht.
Noch einmal in Watt ausgedrückt:
Das Funkgerät sendet 100 Watt. Am Messgerät im Shack kommen 2 Watt als Rücklauf an. Da diese 2 Watt auf dem Rückweg durch das Kabel (3 dB = halbe Leistung) halbiert wurden, wurden oben an der Antenne in Wahrheit 4 Watt reflektiert.
Gleichzeitig kommen von den 100 gesendeten Watt oben an der Antenne wegen der Kabeldämpfung ohnehin nur 50 Watt an. Wenn von diesen 50 Watt ankommender Leistung 4 Watt reflektiert werden, sind das 8 %. Rechnet man diese 8 % gedanklich wieder auf eine ungedämpfte 100-Watt-Leitung um, wären das 8 Watt Rücklauf – also ein SWR von 1,8.
Ein Hoch auf den Tuner (aber mit einem kleinen Augenzwinkern)
In dem Sinne: Ein Hoch auf alle Tuner! Ich habe eben mal nachgelesen, was meine Modelle so wegarbeiten. Ein tolles Beispiel ist der mAT-1500, ein fantastischer und preisgünstiger Tuner, der bis zu sagenhaften 1000 Ohm auf die gewünschten 50 Ohm anpasst.
Das macht natürlich grosse Freude: Man kann der Endstufe vorgaukeln, alles sei perfekt, und eine eigentlich für 10m resonante Antenne auch mal auf 15m oder 17m nutzen. Das SWR am Funkgerät ist mit dem Tuner super!
Aber Achtung, lieber OM: Denkt immer daran, dass ein Tuner im Shack nur das Funkgerät schützt, damit die Endstufe nicht abregelt. Die Fehlanpassung oben an der Antenne und die damit verbundenen hohen Verluste auf dem Koaxialkabel bleiben trotzdem bestehen. Die Leistung wird dann einfach im Kabel oder im Tuner verheizt (wie unser Simulator oben zeigt). Wer also auf mehreren Bändern wirklich effizient funken will, setzt den Tuner im Idealfall direkt nach draussen unter die Antenne!