Das Stehwellenverhältnis – Mythen und die Wirklichkeit

Wenn’s um Antennen geht, kommt die Rede unweigerlich auf das Stehwellenverhältnis (SWR, korrekt eigentlich VSWR = Voltage Standing Wave Ratio). Und natürlich auf den Antennentuner (oder die Matchbox, wie das Teil auch genannt wird). Und allzuoft wird man dann in der geselligen OM-Runde Allerhand erzählt bekommen – leider sind darunter oft viele Mythen, die mit der Wirklichkeit wenig zu tun haben. Daher gleich ein paar Statements vorneweg, die ganz im Widerspruch zu manchen dieser Mythen stehen (wenn hier von einem hohen VSWR die Rede ist, so nehme ich an dass es irgendwo zwischen 1:2 und 1:10 liegt):

• Bei hohem VSWR wird NICHT ein Teil der Leistung reflektiert und verbleibt dann im Sender. Es wird zwar ein Teil der Leistung an der Antenne reflektiert, dieser wird aber beim Sender wieder zur Gänze zurück Richtung Antenne reflektiert. (“Zur Gänze” stimmt nicht ganz: ein kleiner Teil der Leistung wird durch Verluste in der Speiseleitung in Wärme umgewandelt). Dort wird wieder ein Teil davon abgestrahlt, der Rest zurück zum Sender reflektiert, und so weiter, bis nichts mehr übrig ist 🙂
• Ein hohes VSWR führt NICHT zum Tod der Endstufe, weil diese nun auch die reflektierte Leistung aufnehmen muss. Moderne Endstufen vertragen üblicherweise ein beliebig hohes VSWR, also auch Leerlauf und Kurzschluss – allerdings regeln sie ihre Ausgangsleistung drastisch herunter, wenn keine Last da ist, die die Leistung aufnehmen könnte. Die meisten modernen Endstufen beginnen bei einem VSWR von 1:3 die Ausgangsleistung zu reduzieren. Das ist so ziemlich der einzige Grund, warum man die Antenne soweit an die Endstufe anpassen sollte, dass das VSWR nicht größer als 1:3 ist! 
• Ein hohes VSWR führt NICHT zu drastisch höheren Verlusten auf der Speiseleitung. Jede Speiseleitung hat Verluste, auch im Idealfall des VSWR von 1:1 (darum verwendet man ja bei längeren Strecken auch besseres = teureres Koaxkabel), aber diese Verluste steigen nur geringfügig bei höherem VSWR. Interessanterweise spielt das VSWR eine immer geringere Rolle, je größer die Kabeldämpfung schon bei idealer Anpassung ist… Ob ein VSWR nun 1:1,2 oder 1:2,5 ist, ist also in den meisten Fällen schnurzegal (außer vielleicht bei EME und anderen Betriebsarten im Grenzbereich, wo es um jedes zehntel dB geht). Zur Illustration: Hat das Kabel bei VSWR 1:1 eine Dämpfung von 1 dB, dann führt eine Fehlanpassung mit einem VSWR von 1:5 zu einer zusätzliche  Kabeldämpfung von nur 1 dB, dh. die Kabeldämpfung erhöht sich von 1 dB auf 2 dB – in den meisten Fällen dürfte das völlig egal und bei der Gegenstation nicht einmal messbar, geschweige denn hörbar sein (zur Erinnerung: eine S-Stufe sind 6 dB).

Es muss hier natürlich gesagt werden, dass damit keine Aussagen über den Wirkungsgrad einer Antenne gemacht werden. Es gibt Antennen, die aufgrund ihrer Konstruktion sehr schmalbandig sind, d.h. nur in einem kleinen Frequenzbereich eine wirksame Abstrahlung haben (z.B. Magnetic Loops oder auch Yagi-Antennen). Es hilft mir wenig, wenn die Speiseleitung wenig Dämpfung aufweist, aber die Antenne, weil sie nicht für die gewünschte Frequenz dimensioniert ist, kaum was abstrahlt (bzw. es nicht in die gewünschte Richtung abstrahlt)! Der Wirkungsgrad von Antennen ist also ein ganz eigenes Kapitel …

Aber hier gleich noch ein paar Mythen zum Stehwellenverhältnis:

• Eine resonant abgestimmte Antenne zeigt ein VSWR von 1:1. Das ist FALSCH! Eine Antenne ist dann richtig abgestimmt, wenn sie auf dieser bestimmten Frequenz keine (kapazitive oder induktive) Reaktanz zeigt, sondern eine rein reelle Impedanz. Diese Impedanz hängt aber von der Bauart der Antenne und der verwendeten Einspeisung ab: bei einem Dipol sind das um die 60 oder 70 Ω, bei einer Groundplane um die 35 Ω, bei einem Faltdipol etwa 250 Ω. Falls ich solche Antennen mit einem Sender speise, der eine Ausgangsimpedanz von 50 Ω hat, werde ich kein VSWR von 1:1 erreichen, obwohl die Antenne richtig abgestimmt ist! Will ich das erreichen, brauche ich zusätzlich eine Impedanztransformation. Bei Groundplane, Dipol oder Ganzwellenschleife (um die 100 Ω)  zahlt sich das in der Regel nicht aus, da die Verluste durch die Impedanztransformation unter Umständen höher sind als die vernachlässigbare zusätzliche Kabeldämpfung durch die (geringe) Fehlanpassung. Hat man jedoch sehr hochohmige Antennen (Faltdipol, endgespeiste Antennen …) kommt man um eine Impedanztransformation nicht umhin, weil sonst der Sender seine Ausgangsleistung zurückdreht (siehe oben). Diese Impedanztransformation kann man sowohl am Speisepunkt der Antenne durchführen (das machen Dinge wie Gammamatch,  Betamatch, oder auch Baluns – zB. 1:4 Baluns – etc.), oder zwischen Transceiver und Speiseleitung. Ist die Speiseleitung ein Koaxkabel und sehr lang (oder geht es um zehntel dB), empfiehlt sich die Impedanztransformation am Speisepunkt, da sonst die zusätzliche Kabeldämpfung ins Spiel kommt.
• Ein Antennentuner stimmt nicht die Antenne ab, sondern passt nur die Impedanz an. Das ist so NICHT richtig. Wenn ich in den Speisepunkt einer Antenne eine Reaktanz einfüge (induktiv oder kapazitiv), so verändert diese Reaktanz die Resonanzfrequenz der Antenne. Es spielt dabei keine Rolle, ob diese Reaktanz direkt am Speisepunkt in Form eines Kondensators, einer Spule oder eines offenen oder geschlossenen Stubs eingefügt wird, oder ob diese Reaktanz über ein kurzes oder längeres Stück Speiseleitung eingefügt wird (wobei die Speiseleitung allerdings die Reaktanz auf andere Werte transformieren wird – die Speiseleitung ist dann so etwas wie ein Stub, der am Ende nicht offen oder kurzgeschlossen ist, sondern dort eine Reaktanz hat). Da Antennentuner aus einer Kombination von Kondensatoren und Spulen bestehen, bilden sie für Hochfrequenz einen komplexen Widerstand, der natürlich eine induktive oder kapazitive Reaktanz aufweisen kann, die dann selbstverständlich die Resonanzfrequenz der Antenne verändert. Ein gutes Beispiel ist eine Antenne, die heute nicht so oft verwendet wird, obwohl sie eigentlich ein sehr brauchbarer Strahler ist, nämlich die Doppelzepp Antenne. Es handelt sich dabei um einen Dipol, der auf keiner der gewünschten Frequenzen resonant ist, und eine Zweidrahtspeiseleitung beliebiger Länge, an deren Ende ein symmetrischer Antennentuner hängt. Mit diesem Tuner stimmt man das Gebilde so ab, dass einerseits die Antenne auf der gewünschten Frequenz resonant wird, und andererseits die notwendige Impedanztransformation erreicht wird (am Ende der Speiseleitung können im Resonanzfall, abhängig von der Gesamtlänge von Speiseleitung und Antennendraht, sehr hohe aber auch sehr niedrige Impedanzen vorhanden sein). Es wird also die Antenne abgestimmt UND die Impedanz transformiert!  In der Regel ist das VSWR auf der Speiseleitung sehr hoch, mitunter sogar extrem hoch – das macht aber nichts, weil symmetrische Zweidrahtleitungen eine extrem niedrige Dämpfung aufweisen, und daher auch die zusätzliche Dämpfung durch das hohe VSWR sehr niedrig ist und vernachlässigt werden kann (Zur Illustration: Offene 600 Ohm Zweidrahtleitung hat bei 28 MHz und 100 m Länge nur etwa 0.34 dB Dämpfung bei VSWR 1:1, und ca 3 dB bei VSWR 1:25. Im Vergleich dazu RG58 mit 6.2 dB bei 1:1 und 14.4 dB bei 1:25)!

Hier ein paar Quellen zum Nachlesen:

• “The Real SWR Page”, ein Beitrag von WC7I
• “Understanding SWR by Example” von K5DVW (erschienen in QST November 2006). Dieser Aufsatz erklärt auch, wie man die mysteriösen “Smitch-Charts” liest!
• Auf dieser Website gibt es einen nützlichen Online-Rechner zur Berechnung von Koaxkabel-Dämpfung (sowohl abhängig von Länge und Typ des Kabels, als auch zur Berechnung der zusätzlichen Dämpfung durch Fehlanpassung).