SDR Stehwellenmessbrücke      

(Aus dem SDR-Praxisbuch Kap. 7.7) Ein Koaxkabel zwischen Antenne und Empfänger oder Sender hat meist einen Wellenwiderstand von 50 Ω. Wenn dann am Ende des Kabels ein ohmscher Widerstand mit 50 Ω angeschlossen wird, gibt es keine Reflexion, die gesamte in das Kabel eingespeiste Leistung läuft also nur in eine Richtung. Wird das Kabelende dagegen offen gelassen oder kurzgeschlossen, kommt es zu einer totalen Reflexion. Die zurücklaufende Welle überlagert sich mit der hinlaufenden Welle, sodass stehende Wellen entstehen. Das Kabel verhält sich dann eher wie ein Schwingkreis, in dem Energie hin und her schwingt und vollständig als ohmsche Kabelverluste in Wärme umgewandelt wird.

Eine ideale Dipolantenne hat bei ihrer Eigenfrequenz einen Widerstand von rund 50 Ω. Damit hat man optimale Verhältnisse und geringste Verluste. Bei einer weniger idealen Antenne gibt es eine Abweichung vom Sollwiderstand und zusätzlich meist noch einen kapazitiven oder induktiven Blindwiderstand. Dadurch entsteht eine Teilreflexion mit stehenden Wellen und größeren Kabelverlusten. Das ist für einen Empfänger kein Problem, weil die Empfindlichkeit praktisch immer größer ist als benötigt. Aber viele Sender sind auf eine korrekte Anschlussimpedanz angewiesen. Deshalb misst man das Stehwellenverhältnis und hat damit eine Aussage über die Abweichung von Wellenwiderstand 50 Ohm.

Eine einfache Messbrücke (Bild 7.15, Bild 7.16) löst die Aufgabe. Wenn das Messobjekt genau 50 Ohm hat,  gibt es keine Brückenspannung. Der kleine Breitband-Trafo in der Brücke überträgt eine Differenz zwischen den Brückenzweigen, die bei jeder Abweichung von der reellen Impedanz von 50 Ohm auftritt. Bei einem Kurzschluss oder einem offenen Anschluss sollte dieselbe hohe Spannung gemessen werden, die für ein unendlich hohes Stehwellenverhältnis steht. Allerdings sorgt der Innenwiderstand des Generators für ein Ungleichgewicht, das durch kleinere Widerstände im oberen Teil der Spannungsteiler teilweise kompensiert werden kann. Der verwendete Ringkernübertrager war übrigens ein Zufallsfund in der Bastelkiste und ursprünglich nicht für diesen Frequenzbereich vorgesehen, funktionierte aber trotzdem sehr gut.

Bild 7.16: Messbrücke mit Ringkern-Übertrager

Eine Messung an einem 50-Ω-Widerstand sollte durchgehend Null zeigen, was einem Stehwellenverhältnis von 1.0 entspricht. Mit 100 Ω oder 25 Ω sollte man entsprechend ein Stehwellenverhältnis von 2 finden. Messungen an reellen Widerständen mit kurzen Leitungslängen können zeigen, wie genau die Messbrücke ist. Kleine Fehler können durch den verwendeten Übertrager und durch Leitungslängen in der Brücke entstehen. Aber damit kann man leben, weil meist nur interessant ist, bei welcher Frequenz das beste Stehwellenverhältnis auf die Resonanz der Antenne hinweist, und wie breitbandig die Antenne ist. Im Prinzip kann auch eine einfache Impedanzmessung diese Fragen beantworten, allerdings erkennt die Stehwellenmessbrücke besser die unerwünschten Blindwiderstände. Die Software (Listing. 7.4) unterscheidet sich kaum von der der einfachen Frequenzgang-Messung.

void uac(void)
{
  long uac =0;
    for (int i=0; i <= 200; i++){
       uac = uac+ analogRead(A2);
    }
    snr = uac/50;
    if (snr > 400) snr = 400;
    Serial.println (snr);
}

 Listing. 7.4: Auswertung des Stehwellenverhältnisses.  ((RFplotSWR))

Bild 7.17: Stehwellenmessung an einem offenen Antennenkabel.

Die Messung in Bild 7.17 zeigt die Ergebnisse für ein offenes Antennenkabel. An den Punkten mit geringem SWR hat man zwar reelle Widerstände. Allerdings befindet sich das Kabel hier in einer Resonanz bei einem ungeraden Vielfachen einer Viertel-Wellenlänge. Die gesamte eingespeiste Energie wird im Kabel in Wärme umgewandelt. Dass bei höheren Frequenzen scheinbar bessere Stehwellenverhältnisse bis etwa 2.0 erreicht werden, liegt allein an der höheren Dämpfung des Kabels bei höheren Frequenzen. Das muss man beachten, um eine angeschlossene Antenne richtig zu beurteilen.

Bild 7.18: Resonanz bei 14 MHz. 

Das Bild 7.18 zeigt eine Dipolantenne mit 2 x 7,5 m zusammen mit ihrem Antennenkabel. Am Fußpunkt der Antenne wurde ein Symmetrierübertrager mit wählbarem Übersetzungsverhältnis (Bild 7.19, Bild 7.20) eingesetzt, um die Antenne außerhalb ihrer eigentlichen Resonanz von 10 MHz zu betreiben. Mit dem passenden Übersetzungsverhältnis wurde tatsächlich ein Betrieb bei 14 MHz mit SWR 1,2 möglich. Und auch bei 7 MHz wurde noch ein Stehwellenverhältnis von rund 2,3 erreicht. So konnten das 40m-Band und das 20m-Band mit der gleichen Antenne für Amateurfunk-Aussendungen genutzt werden.

Bild 7.19: Symmetrierung und Impedanz-Anpassung

Bild 7.20: Anpassung mit einem Eisenpulverkern-Übertrager.

Empfänger sind übrigens weit weniger kritisch, sodass auch eine fehlangepasste Antenne immer noch als Empfangsantenne taugt. Allerdings stellt man oft fest, dass nur im Resonanzpunkt eine ausreichend geringe Antennenimpedanz herrscht, bei der auch eine Mantelwellensperre gut funktioniert. Deshalb erreicht man im Resonanzpunkt die besseren Störabstände.

Viele der hier gezeigten einfachen Messgeräte sind noch verbesserungswürdig, besonders was die verwendete Aufbautechnik und die Steckverbindungen betrifft. Aber sie zeigen, dass man auch schon mit wenig Aufwand zu brauchbaren Messergebnissen kommen kann. Das SDR-Shield wird so zum vielseitigen Helfer im HF-Labor.