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Empfangsstörungen durch Gleichtaktströme


Diese Seite ist eine zusammenfassende Übersetzung von http://www.w8ji.com/common-mode_noise.htm.

[Ein paar Begriffsbestimmungen ist für den folgenden Text wichtig:

  • Spule bezieht sich auf das physikalische Gebilde.
  • Induktivität ist eine elektrische Eigenschaft.
  • Ein Belag ist eine verteilte Eigenschaft. So hat ein Kabel einen Kapazitätsbelag von einigen pF/m.

Wenn hier von "ich" die Rede ist, bezieht sich das auf Tom, W8JI. Nur in den [eckigen Klammern], wenn es um Verweise auf noch nicht übersetzte Texte geht, bezieht sich "ich" auf den Übersetzer.]

Das Unterdrücken von Gleichtaktstörungen

Nicht nur beim Senden ist es wichtig, die Hochfrequenz mit Mantelwellendrosseln, Baluns usw. von der Station fernzuhalten: Gleichtaktströme auf der Antennenzuleitung können Empfangsstörungen in die Antennenanlage einkoppeln und die Richtwirkung der Antenne verschlechtern. Ein kurzer Blick auf Systeme mit Gleichtaktströmen zeigt, wie gut Gleichtaktströme strahlen können. Und wo sie Energie abstrahlen, können sie auch externe Felder in die Antennenleitung einkoppeln.

Viele Antennen funktionieren nur wegen der Gleichtaktströme. Zwei bekannte Beispiele sind CFA und EH-Antenne. Wenn man die Gleichtaktströme auf der Zuleitung unterdrückt, funktionieren beide bedeutend schlechter. Noch so ein Beispiel ist ein dicker Vertikalstrahler ohne Gegengewicht. Der Untergrund eignet sich sehr häufig ausgesprochen schlecht als Gegengewicht.

Ein andersartiges Beispiel einer im Gleichtakt erregten Antenne ist die Schlangenantenne. Dieses System braucht (zufällig oder absichtlich) Gleichtaktströme auf der Abschirmung des Antennenkabels, damit sie funktioniert. Die vorgebliche Antenne ist ein Draht, der am Boden liegt. Die Abschirmung der Ableitung fängt das meiste Signal auf. Die Snake-Antenne ist also lediglich ein umgekehrt betriebener Langdraht.

Es gibt viele Beispiele, bei denen die Antennenkonstrukteure Gleichtaktströme gezielt einsetzen. So kann man das Koaxkabel zum Gegengewicht eines λ/4-Strahlers machen, indem man im entsprechenden Abstand vom Speisepunkt eine Mantelwellensperre auf das Kabel setzt.

[Im Original ist dieser Abschnitt länger und mit der Kopie einer Buchseite illustriert. Aus Gründen des Urheberrechts verzichte ich hier auf die Wiedergabe. Für das Verständnis des Artikels ist das aber auch nicht entscheidend.]

Gleichtaktströme in Empfangsantennen

Beim Untersuchen von Antennen vergessen wir oft, dass die Erdungsverhältnisse häufig alles andere als ideal sind. Wir halten ein Gegengewicht aus vier, oder gar nur zwei, Radials für eine ideale Erdungsebene. Selbst wenn so eine Groundplane-Antenne viele Wellenlängen über der Erde steht, führen vier Radials immer noch zu beträchtlichen Gleichtaktströmen.

Simulation einer Groundplane-Antenne

EZNEC ver. 3.0
Groundplane 12/14/02 6:20:40 PM
--------------- CURRENT DATA ---------------
Frequency =                 29.95 MHz.
Wire No. 1 Main Element     100
Radial wires                19.71
Feedline shield  at GP      69.96
1/4 wl from GP              2.12
1/2 wl from GP              71.3
3/4 wl from GP              .70557
At ground end of feedline   71

Ein Blick auf die Stromverteilung dieser Antenne zeigt, dass der größte Teil des Strombelags nicht auf der Antenne liegt, sondern auf der Ableitung. Hier strahlt also in erster Linie nicht die Antenne, sondern die Ableitung!

Trotzdem behaupten viele Antennenentwickler, vier, oder gar nur zwei, Radials seien völlig ausreichend. [DL4NO: Meist betrachten die Entwickler wohl die Antenne ohne Ableitung und stellen die Fragen, ab welcher Radialzahl sich die Verluste der Antenne in Grenzen halten und ab wann sich das Strahlungsdiagramm nicht mehr nennenswert verformt.]

Warum verlassen wir uns also auf einen einzelnen Bodenspieß mit 50 Ω HF-Impedanz oder mehr, um den Außenleiter des Koakkabels auf Masse zu legen?

Empfangssysteme

Zugegeben: Die Antenne oben benutzt die schlechtest mögliche Kombinantion aus Ableitungslänge und Erdverhältnissen. Aber Probleme sind in jedem Fall vorprogrammiert. Für das Senden mag so eine Antenne unter guten Verhältnissen fast perfekt sein. Aber empfangsseitig kann sie völlig unbrauchbar sein, sobald auch nur geringe Störströme im Erdungssystem der Station unterwegs sind.

Stromschleifen, über die Störungen eingekoppelt werden können, bilden sich leicht in der Stationsverkabelung. Nur die Verbindungen zur Masse und die Serienwiderstände verhindern, dass noch mehr Störungen eingekoppelt werden.

Wenn eine lange Antennenableitung in die Erde eingegraben ist, können die Erdungsverluste die >Gleichtaktstörungen dämpfen. Leider lässt sich kaum messen, wie sehr sich das Kabel Gleichtaktstörungen einfängt.

Gleichtaktstörungen messen

Manchmal wird vorgeschlagen, die Antenne einfach durch einen Abschlusswiderstand zu ersetzen und den Unterschied zu bestimmen. Leider hat das keinerlei theoretische Berechtigung: Der Abschlusswiderstand verändert das System beträchtlich.

Ein sinnvoller Test wäre das lediglich, wenn der Abschlusswiderstand die gleichen Verbindungen und Impedanzen (im Gleichtakt als auch differenziell) hätte wie die Antenne selber. Der Abschlusswiderstand kann also nur die Antenne sein!

Am besten ergreifen wir also von vorne herein einige Vorsichtsmaßnahmen. Oft genug macht das nur einige Prozent der Gesamtkosten aus.

Systemanalyse

Die folgende Schaltung zeigt vereinfacht die Gleichtakt-Pfade [oder "Brummschleifen"] einer Beverage-Antenne oder ähnlich.

Die Masseschleifen einer typischen Beverage-Antenne
  • R_Station_gnd ist der Erdwiderstand des Empfängers.
  • R_source und V1 sind die Ersatzschaltung für die Spannungsquelle über R_Station_gnd.
  • Feedline_R ist der Gleichtaktwiderstand der Antennenableitung.
  • R_ANT_GND ist der gesamte Erdwiderstand am Antennenfußpunkt – einschließlich differentieller Eingangsimpedanz des Kabels und dem Antennen-Innenwiderstand.
  • R_ANT und V2 sind die Ersatzschaltung für die gewünschte Antennen-Ausgangsleistung.

Bestimmen wir die Dämpfung an einem Beispiel:

  • R_source = 90 Ω
  • R_station = 10 Ω
  • R_station_gnd = 10 Ω
  • R_Feedline = R3 = 500 Ω (Abschirmung der Antennenableitung)
  • R_ANT = R5 = 1000 Ω
  • R_ANT_GND = 100 Ω (Erdwiderstand des Erdankers)

Das führt zu folgenden Ergebnissen:

Die Widerstandsverhältnisse im Erdungssystem

Wenn wir von 1 V Gleichtaktspannung an der Station ausgehen, wirkt sich das aus wie 152 mV Nutzsignal am Antennenfußpunkt. Die Gleichtaktspannung an der Stationserdung wird also um rund 16 dB gedämpft.

Wenn wir den Erdwiderstand an der Antenne auf 10 Ω reduzieren, wirkt die Gleichtaktspannung aus der Station wie 19 mV Antennensignal. Wir bekommen also eine Dämppfung von 34 dB.

Offensichtlich reicht das aber noch nicht. Wir müssen also entweder den Erdungswiderstand an der Antenne noch deutlich weiter senken, was nicht mehr so einfach ist, oder wir müssen den Längswiderstand zwischen Antenne und Station erhöhen.

Das passt zu der Beobachtung, dass allein ein größeres Erdungssystem den Rauschpegel einer Vertikalantenne stark reduziert. Auch eine Stromdrossel (Mantelwellensperre) kann da helfen.

Lösungen

EIne typische Lösung wäre, das Antennenkabel mit einem Trenntransformator aufzutrennen und die Ableitung in einiger Entfernung von der Antenne zu erden. Das würde sowohl den Längswiderstand auf ein paar 1000 Ω erhöhen als auch die Brummschleife von der Antenne weg verlegen.

Falls sich die Ableitung aus irgendwelchen Gründen nicht auftrennen lässt, könnte man auch mit mehreren Erdankern und Mantelwellensperren dazwischen arbeiten. So käme man zu einem mehrstufigen π-Glied, das bei begrenzten Drosselimpedanzen eine beträchtliche Dämpfung haben kann. Ganz nebenbei wäre das auch ein recht wirkungsvoller Blitzschutz.

Zusammenfassung

Die lokale Störungseinkopplung kann sich über die Zeit stark ändern: Die Erdfeuchtigkeit beeinflusst den Erdwiderstand der Antenne, Störungen kommen und gehen. Mit all diesen Einflüssen ändert sich der Störungseintrag in das Empfangssystem. Wir können die Einflüsse auch mit Abschlusswiderständen nicht bestimmen. Reale Systeme sind zudem noch bedeutend komplexer als hier dargestellt.

Wir können die Störquellen also nicht vernünftig messen und sollten deshalb die nötigen Vorsichtsmaßnahmen ergreifen. Wir sollten nicht darauf hoffen, dass die unerwünschten Signale (aus der falschen Antennenrichtung, Störungen) schon nicht stören werden.

Niemand garantiert, dass die beschriebenen Maßnahmen die Störungen reduzieren. Das Auftrennen ist aber fast kostenlos und ganz einfach möglich. Also wäre es unsinnig, auf diese Maßnahmen zu verzichten.

Die wichtigsten Regeln

  1. Kleine magnetische Antennen sollten sauber symmetriert werden.
  2. Antennenableitungen sollten am Boden liegen oder vergraben werden. Das reduziert die Mantelströme.
  3. Die Abschirmungen der Koaxkabel sollten sorgfältig angeschlossen werden.
  4. Wenn die Störpegel hoch sind oder die Antenne sehr unempfindlich ist, sollte die Antenne von der Ableitung isoliert werden, beispielsweise mit Stromdrosseln.
  5. Die Ableitung sollte einige Meter von der Antenne entfernt geerdet werden.
  6. Spartransformatoren sollten vermieden werden. Getrennte Wicklungen für Antenne und Ableitungen sorgen für eine bessere bessere Entkopplung.
  7. Die Antenne sollte ihre eigene Erdung haben und nicht mit der Abschirmung des Kaoxkabels verbunden sein.

[DL4NO: Siehe auch meinen Beitrag zum Thema.]

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Alexander von Obert * http://www.techwriter.de/beispiel/empfangs.htm
Letzte Änderung: 26.02.10 (Erstfassung)


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