Mantelstrom | Mantelwellensperren
Beim Anschluss von Antennen möchten wir erreichen, dass nur die Antenne Signale abstahlt bzw. aufnimmt, nicht jedoch die Speiseleitung selbst, die im Haus verlegt sein könnte. Hierzu eigenen sich geschirmte Leitungen, z. B. Koaxialkabel, da diese im Idealfall selbst keine elektromagnetischen Wellen abstrahlen oder aufnehmen, sondern das Signal abgeschirmt von der Außenwelt (also z. B. der Hauselektrik) durch das Kabel leiten.
Schließt man jedoch eine symmetrische Antenne, z. B. einen Halbwellendipol, an ein Koaxialkabel an, so kann es dennoch dazu kommen, dass das Koaxkabel trotz Abschirmung strahlt! Dies liegt daran, dass auf der Oberfläche der Außenseite des metallischen Außenleiters hochfrequente Ströme fließen können, die von einem elektromagnetischen Feld um die äußere Isolierung herum begleitet werden. Diesen Effekt bezeichnen wir als Mantelwellen, welche sowohl beim Senden andere Geräte im Haus stören können, als auch zu Empfangsstörungen führen können, da das Koaxialkabel gewissermaßen zum Teil der Antenne wird und damit störende Einflüsse im Haus leichter vom Funkgerät aufgenommen werden können. Die zusätzlichen Mantelströme „fehlen“ dann auf einem der beiden Dipolschenkel, wodurch es außerdem zu einer Verformung der Richtcharakteristik kommt.
Idealerweise sind die Ströme durch den Innen- und Außenleiter eines Koaxialkabels genau gleich groß und in der Richtung entgegengesetzt. Deren Summe ist also Null und man spricht dann von einem reinen Gegentaktsignal. Genau dann treten keine Mantelwellen auf.
Ist die Summe des Signals hingegen ungleich Null, dann ist ein sogenanntes Gleichtaktsignal vorhanden. Der Gleichtaktanteil eines Stroms im Koaxialkabel fließt stets auf der Außenseite des Außenleiters und ist damit ein Mantelstrom mit zugehöriger Mantelwelle um das Koaxialkabel herum.
Eine Mantelwelle ist eine Form einer elektromagnetischen Welle auf Leitungen. Auf einem Leiter verläuft sie zum Beispiel entlang des Außenmantels einer Koaxialleitung. Den Rückleiter bildet das den Außenleiter umgebende Massesystem. Dieses kann z. B. aus einem räumlich nahen oder fernen Erdpotential bestehen.
Mantelwellen können auch durch Induktion des eigentlichen Sendesignals auf der Außenseite des Koaxschirms entstehen. Hier muss die Mantelwellensperre allerdings nicht am Anfang oder am Ende der Leitung angebracht werden, sondern im Strombauch der Mantelwelle. Diese Sperre ist frequenzabhängig und deshalb bei Mehrbandantennen sehr problematisch, besonders dann, wenn die Antennenzuleitung parallel zum Strahler geführt wird.
Mantelwellen können bei Sendeanlagen den Wirkungsgrad senken und wegen der mit der Mantelwelle verknüpften ungewollten Aussendung elektromagnetischer Funkwellen elektronische Geräte in der Nähe stören. Außerdem führen Mantelwellen, die durch Unterschiede im Massepotential an den Enden eines Koaxialkabels entstehen, zu Gleichtaktsignalen, die dem Nutzsignal als Störspannung überlagert werden (siehe Gleichtaktstörung). Mantelwellen können Ursache von Brummschleifen sein.
Mantelwellen als I bezeichnet.
Maßnahmen zur Verringerung
Hochfrequente Mantelwellen lassen sich mittels eines Mantelwellenfilters (auch Mantelwellenabsorber oder -sperre genannt) bedämpfen oder verhindern, der im oder nahe dem Gerät auf eine Koaxialleitung aufgebracht wird. Im einfachsten Fall ist das ein Ferritkern; er umfasst beim Koaxialkabel Innen- und Außenleiter und wirkt als stromkompensierte Drossel oder Gleichtaktdrossel. Gleichzeitig wirkt ein Ferritkern transformatorisch, sodass ein Nutzsignal als Gegentaktsignal gestützt wird. Zur Erhöhung der Induktivität gegenüber dem ungewollten Gleichtaktsignalanteil kann das Kabel auch mehrmals durch den Kern geführt werden.
Außerdem werden oft kapazitive Mantelstromfilter eingesetzt.
Mit einem Balun können sich Mantelwellen vermeiden lassen, wenn eine symmetrische Leitung an eine unsymmetrische Leitung, z. B. ein Koaxialkabel, angeschlossen wird; ohne Einsatz des Baluns entstünden auf der unsymmetrischen Leitung Mantelwellen. Ein Anwendungsfall hierfür ist die Verbindung einer symmetrischen Dipolantenne mit einer Koaxialleitung.
Dass ein um einen Ferritkern gewickeltes Koaxialkabel zur Unterdrückung von Mantelwellen geeignet sind, haben wir bereits gelernt. Dies ist eine Form der sogenannten stromkompensierten Drossel.
Eine Drossel ist eine Spule, die hochfrequente Ströme blockieren soll. Die stromkompensierte Drossel ist eine Bauform der Drosselspule, bei der zwei getrennte Wicklungen auf den selben Magnetkern gewickelt werden. Hierbei wird die stromkompensierte Drossel so beschaltet, dass Gegentaktsignale, d. h. Signale bei denen der Strom in der einen Wicklung genau entgegengesetzt der anderen Wicklung sind und ansonsten die gleiche Größe aufweisen, kein Magnetfeld in den Kern induzieren. Die stromkompensierte Drossel lässt also Gegentaktsignale ungehindert hindurch. Gleichtaktanteile jedoch, also z. B. Ströme die nur auf dem Außenleiter und damit nur in einer Wicklung fließen, werden durch die Induktivität blockiert.
Mantelwellensperren im Amateurfunk
Koaxialkabelgespeiste Antennen oder eine schlechte Erdung hochfrequenter Ströme führen oft zu Mantelwellen. Eine einfache Lösung zur Unterdrückung dieser Wellen sind etwa 10 Windungen Koaxialkabel um einen Eisen-Ring mit möglichst hoher Permeabilität.