Ein Koaxkabel über leitender Erde ist ein 3 Leiter System auf dem elektromagnetische Wellen auch entlang der Außenoberfläche des Kabels gegen Erde auftreten können. Diese Mantelwellen umfassen elektrische und magnetische Felder, die unerwünschte Effekte verursachen. Die Mantelwellen-Sperre – MWS – soll nun diese Wellen und ihre Wechselwirkungen verringern.
Mantelwellen entstehen immer dann, wenn ein Koaxialkabel nicht vollständig asymmetrisch betrieben wird, der Mantel nicht geerdet oder eine ungleichmäßige Leistungsverteilung am Ende des Kabels vorhanden ist und bestehen aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld.
Das elektrische Feld liegt parallel zum Kabelmantel und bewirkt eine Kopplung mit externen Systemen und Geräten, während das magnetische Feld um das Kabel zirkuliert und mit anderen leitenden Objekten in der Nähe des Kabels koppelt. Die MWS soll nun die elektromagnetischen Wellen und die durch diese Wellen verursachten Ströme gegen Erde reduzieren. Dazu werden Ferrite mit hoher magnetischer Permeabilität auf dem Kabelmantel angebracht und die Energie durch magnetische Absorption und Wirbelstromverluste in Wärme umgesetzt.
Als Materialen eignen sich NiZn-Ferrite für hohe Frequenzen f >10 MHz und MnZn-Ferrite für niedrigere Frequenzen f < 10 MHz. Entscheidend ist die Positionierung der Ferrite, die in der Nähe von Ein- und Austrittspunkten des Kabels verankert werden sollten und durch den Reflexionskoeffizient beschrieben wird, der besagt wie viel Energie durch Impedanz Fehlanpassungen zurück auf dem Außenmantel gegen Erde reflektiert wird. Dieser Reflexionskoeffizient ist nicht identisch dem auf dem Kabel.
Die Energieabsorption im Ferrit lässt sich durch die magnetische Verlustleistung berechnen, ist vom Material, der Frequenz und dem Quadrat der magnetischen Feldstärke H abhängig. Die Anzahl der Windungen des Kabels durch den Ferritkern erhöht die Dämpfung mit zunehmender Windungszahl, weil sich die Impedanz gegen Masse erhöht, verändert aber auch die Impedanz Verhältnisse zum Nachteil der Funktion.
Der Ferrit der MWS absorbiert die Energie der Mantelwellen durch zwei Hauptmechanismen. Das magnetische Feld der Mantelwellen bewirkt zyklische Magnetisierungsprozesse im Ferrit und erzeugt Wärmeverluste, die proportional zur magnetischen Feldstärke H Quadrat sind, sowie Wirbelstromverluste, die zirkulierende Ströme im Ferrit bewirken.
Die absorbierte Energie dieser Wirbelströme wird ebenfalls in Wärme gewandelt und ist proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke E.
Die effektive Impedanz des Kabelmantels gegen Erde wird durch die MWS erheblich vergrößert, weil die höhere Impedanz zu einer Verringerung der Stromamplitude gegen Masse führt. Die Dämpfung ist abhängig von der Frequenz, wobei bei tiefen Frequenzen der kapazitive Effekt dominiert und die Sperre weniger Wirkung hat, während bei der Resonanzfrequenz des Ferrit Materials die Dämpfung maximal wird. Bei tiefen Frequenzen sind die magnetischen Verluste bestimmend und die Sperre optimal.
Die effektive Permeabilität des Ferrits hängt von der Frequenz ab und kann Tabellen der Hersteller entnommen werden, ebenso die Resonanzfrequenz des Materials. Die Dämpfungskonstante des Ferrit ist alpha = Wurzel aus (R/L) und die Dämpfung der Mantelwellenleistung proportional zur Dämpfungskonstanten des Ferrits.
Die Kopplung des magnetischen Feldes der Mantelwellen im Ferrit bewirkt, dass das magnetische Feld innerhalb des Kerns verstärkt wird und erhöht somit die induktive Reaktanz und blockiert den Energiefluss.
Das elektrische Feld der Mantelwelle beeinflusst sekundär die Oberflächeneffekte auf dem Kabel unter Berücksichtigung des Skin Effektes und führt zur Erwärmung des Außenleiters des Kabels und ist daher weniger dominant als das magnetische Feld, weil hier Wärme leichter an die Umgebung abgegeben werden kann.
Wir rechnen noch ein Beispiel um etwas Licht in das Dunkel um die MWS zu bringe:
f = 10 MHz, Kabel RG 213 mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm und berechnen die Impedanz des Kabels gegen Erde für eine Länge von 15 m. Dazu benötigen wir die spezifischen Parameter des Kabels. Der Außendurchmesser des Mantels ist 10,3 mm, die Kapazität pro Meter C' = 101 pF/m, die Induktivität pro Meter ist L' = 0,25 mH/m, der ohmsche Widerstand des Mantels R' = 0,017 Ohm/m für Kupfer. Die Gesamtkapazität des Kabels gegen Erde ergibt sich aus der Kapazität pro Meter multipliziert mit der Länge des Kabels, ebenso die Gesamtinduktivität und der gesamt wirksame ohmsche Widerstand.
Die Impedanz des Kabels gegen Erde ist frequenzabhängig und berechnet sich aus o.g. Werten zu Z = R + jX – j 1 durch Omega C zu: Z = (0,255 + j 235,5 – j 1049,3) Ohm oder auch Z = (0,255 – j 813,8) Ohm – kapazitiv. Aus o.g. Werten berechnet sich Resonanzfrequenz des Kabels gegen Erde zu f = 665 kHz. Daraus die Kapazität gegen Erde C = 1,515nF, Induktivität gegen Erde L = 3,75mH und Z ungefähr 813,8 Ohm – kapazitiv, verteilt über die Länge der Leitung.
Die MWS muss nun die Werte der Leitung gegen Erden nicht nur kompensieren, sondern so weit vergrößern, dass der HF- Strom möglichst stark verringert wird. Null wird der Strom niemals. Ein beliebiger Kern aus der Bastelkiste mit unbekannten Werten sollte dort auch bleiben. Man kann eine MWS sehr leicht berechnen und nicht nach dem Motto Versuch und Irrtum auswählen.
Auch Messungen mit dem VNA – nur am Kabel – sind völliger Unsinn, wie dem o.g. Beispiel entnommen werden kann. Die Dämpfungsvorgänge spielen sich zwischen Kabel und Erde ab.
Auch kann man durch Messung der Erhöhung der Temperatur des Kernmaterials Rückschlüsse auf die richtige Positionierung der MWS finden.
Wer mehr über die richtige Wahl der Magnet-Kerne wissen will, sei auf meine Beiträge zu diesem Thema verwiesen.
Dr. Walter Schau, DL3LH
Mantelwellen Sperre
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