Wir bauen ein Stehwellenmessgerät



Wie gut eine Antenne an die Zuleitung oder die Zuleitung an den Senderausgang angepasst ist, kann man mit dem Stehwellenverhältnis (SWR) beschreiben. Ein gutes Stehwellenverhältnis ist für eine Antennenanlage sehr wichtig, denn nur dann wird die volle zur Verfügung stehende Senderleistung auch an die Antenne abgegeben.

Der Richtkoppler

Das Stehwellenverhältnis misst man mit einem Stehwellenmessgerät, SWR-Meter. Ein SWR-Meter besteht aus einem Richtkoppler und einer Anzeige. Der Bau eines solchen Richtkoppler soll hier gezeigt werden.

Der Richtkoppler (Schaltung)


Der Richtkoppler besteht aus einer 50-Ohm-Leitung (Koaxkabel), wobei in den Innenraum dieses Leiters noch zwei weitere isolierte Drähte eingezogen werden. Die Länge der Leitung ist unwichtig. Für Kurzwelle sollte man ein längeres Stück verwenden, da die entstehende Spannung von dem Verhältnis zur Wellenlänge abhängig ist. Für 2 m und 70 cm reichen 8 bis 12 Zentimeter. Bei Kurzwelle könnte man einen halben Meter Kabel verwenden, wenn man diesen isoliert aufrollen kann.

Jeweils an den gegenüberliegenden Enden dieser Koppelleitungen schließt man einen Abschlusswiderstand an. An der anderen Seite wird die hochfrequente Wechselspannung mittels Einweggleichrichter und Ladekondensator in Gleichspannung umgewandelt und angezeigt. Mit einem Richtkoppler kann man die Spannung messen, die durch Induktion beim Stromfluss in beiden Richtungen entsteht.

Die Messung geht nun folgendermaßen vor sich. Man schickt die zu messende Hochfrequenz durch das innere Koaxkabel zur Antenne. Dann misst man die Spannung an einem Ende, schaltet um und misst die Spannung am anderen Ende der anderen Stegleitung. Aus diesen Spannungswerten kann man gemäß Formel 2 das Stehwellenverhältnis (SWR) berechnen.

Schaltung Richtkoppler
Bild 1: Der Richtkoppler

Versuchsaufbau

Den Aufbau haben wir am 17.11.99 in der Amateurfunk-AG bei DL0BAC folgendermaßen gemacht. Wir haben ein kleines Stück (ca. 10 cm) Koaxkabel von der äußeren Isolierung befreit. Dann wurde der Kupfermantel etwas gestaucht und zwei isolierte Drähte eingezogen (Bild 2).

Bild 2: Herstellung des Richtkopplers
Bild 2: Herstellung des Richtkopplers


Für die Anzeige benötigt man ein empfindliches Anzeigeinstrument. Am besten eignen sich kleine, analoge Messgeräte mit zirka 100 µA Vollausschlag. Um die Spannung an beiden Seiten zu messen, kann man einen Umschalter verwenden und sich die Spannungen abwechselnd anzeigen lassen. Am einfachsten kann man den SWR-Wert ausrechnen oder sich sogar nach Bild 5 eine eigene Skala beschriften. Allerdings muss hierzu bei Messung der Spannung in Vorwärtsrichtung immer 100 Prozent eingestellt werden. Dies macht man am einfachsten mit Hilfe eines Potentiometers (siehe Bild 1).


Bild 3: Der Versuchsaufbau des SWR-Meters
Bild 3: Der Versuchsaufbau des SWR-Meters


Die Widerstände und die Kondensatoren lötet mandirekt am Ende des Abschirmgeflechts des Koaxkabels an. Die Minusleitung für die Messspannung lötet ihr genau in der Mitte der Leitung an das Abschirmgeflecht an. Als Dioden kann man im Kurzwellenbereich jede Universaldiode verwenden. Bei sehr hohen Frequenzen im 2-m-Band und erst recht im 70-cm-Band sollte es eine Schottkydiode sein, die für Hochfrequenz besser geeignet ist, als eine normale Siliziumdiode.

Schaltung und Aufbau von DG1GS

Georg Schwöppe hat nach meinem Schaltbild aus dem Buch ein SWR-Meter mechanisch aufgebaut. Er schreibt dazu:
Die bisher größte Schwierigkeit war, die flexiblen Koppelleitungen unter die doppelte Abschirmung der RG214-Leitung zu bekommen. Beim kurzen Richtkoppler habe ich es mit einiger Mühe nach mehrmaligen Versuchen geschafft, diese durch das Geflecht durchgefädelt zu bekommen.
Beim 50 cm langen KW-Richtkoppler war mir das Durchfädeln durch die Abschirmgeflechte nicht möglich. Ich habe mich nach mehrmaligem Versuch mit Kurzschlussresultaten (Friktion war zu hoch - Isolierung riss in Längsrichtung auf) entschieden, die Koppelleitungen nicht durch das Geflecht zu führen und innerhalb der N-Steckerverschraubung zwischen dem Abschirmgeflecht und dem Steckergehäuse nach Aussen zu führen. Die Mühe hat sich dann letztendlich gelohnt. Die gemessene Rückflussdämpfung im KW-Bereich beträgt sowohl an der TX-N-Buchse als auch an der ANT-N-Buchse stolze 40 dB @ 7 MHz und immerhin noch 30 dB @ 30 MHz). Beim Richtkoppler für 2 m und 70 cm liegen die Rückflussdämpfungswerte bei beachtlichen 28 dB bzw. 25 dB.
Das Gehäuse ist ein Zink-Druckgussgehäuse eines alten Hausanschlussverstärkers aus dem Kabelfernsehbereich.
Schaltbild von DG1GS

SWR-Meter von DG1GS

SWR-Meter von DG1GS

SWR-Meter von DG1GS

SWR-Meter von DG1GS



SWR-Meter von DG1GS

Durch Messungen mit einem 50-Ohm-Widerstand als Abschluss hat Georg festgestellt, dass der Richtkoppler für Kurzwelle super funktioniert, aber im VHF-/UHF-Bereich nur im VHF-Bereich (144 MHz) genau genug anzeigt.


Die Funktionsweise des SWR-Meters

Schickt man hochfrequente Leistung auf ein Kabel und wird wegen einer Fehlanpassung der Antenne an das Kabel nicht alle Energie abgenommen, wird dieser Teil reflektiert und wandert wieder zurück in Richtung Sender. Dabei überlagert sich diese rücklaufende Welle mit der hinlaufenden Welle. Dadurch entstehen in regelmäßigen Abständen von λ /2 vom Leitungsende aus gerechnet Wellenberge aus Uhin plus Urück (uh+ur) und Wellentäler (uh - ur).

Bild 4: Maxima und Minima durch stehende Wellen
Bild 4: Maxima und Minima durch stehende Wellen

Das Verhältnis von maximaler Spannung (Umax) zu minimaler Spannung (Umin) nennt man Stehwellenverhältnis SWR oder auch VSWR (voltage standing wave ratio).

       (1) 

Das Stehwellenverhältnis lässt sich mit sogenannten Richtkopplern oder SWR-Brücken messen. Solch ein Stehwellenmessgerät misst die Spannung der hinlaufenden Welle uh im Verhältnis zur rücklaufenden Welle ur. Es soll nun eine Formel abgeleitet werden, mit der man das Stehwellenverhältnis aus uh und ur berechnen kann.

Aus Bild 4 erkennt man:

Umax = uh + ur und Umin = uh - ur

Setzt man diese Gleichungen in die Formel für das SWR ein, erhält man

       Formel   (2)

Beispiel

Mit einem Richtkoppler (Stehwellenmessbrücke) wurde die hinlaufende Welle mit 1 V gemessen und die rücklaufende Welle mit 0,5 V. Wie groß ist das Stehwellenverhältnis?

Lösung:    

Wenn die Hälfte der Spannung reflektiert wird, ergibt sich ein Stehwellenverhältnis von 3.

Für den Sonderfall, dass keine Hochfrequenz reflektiert wird, ergibt sich folgendes Verhältnis.

Bei einem Stehwellenverhältnis von 1 liegt optimale Anpassung vor.


Die Skala des SWR-Messgerätes


Ein Messgerät wird bei der Vorwärtsmessung immer auf einen Anzeigewert von 100 µA eingestellt. Wie groß ist das SWR, wenn der Zeigerausschlag bei Rückwärtsmessung bei a) 10, b) 20, c) 33, d) 50 e) 66 (µA) steht?

Lösungen: a) 1,22, b) 1,5, c) 2, d) 3, e) 4,9

Trägt man für alle möglichen Verhältnisse das SWR in eine Skala eines Messgerätes ein, kann man ohne weitere Rechnung das SWR direkt ablesen. Allerdings muss bei Vorwärtsmessung immer 100 Prozent des Spannungswertes eingestellt werden.

Bild 5: Selbst gemachte Skala eines Stehwellenmessgerätes
Bild 5: Selbst gemachte Skala eines Stehwellenmessgerätes


Einsatz des SWR-Meters


Das Stehwellenmessgerät wird an der Stelle einer Antennenanlage eingeschleift, wo das SWR bestimmt werden soll. Möchte man die Antenne selbst überprüfen, setzt man das SWR-Meter zwischen Antennenkabel und Antenneneingang (SWR2 im Bild 6). Möchte man mit einem Universalanpassgerät (Matchbox) eine Antennenanlage inklusive Kabel anpassen, schleift man das SWR-Meter direkt hinter dem Sender ein (SWR1).

Bild 6: Einsatz des SWR-Meters

Bild 6: Einsatz des SWR-Meters