Stehwellenverhältnis (SWR)

Wie wir zuvor gelernt haben, verwenden Amateurfunkgeräte und im Amateurfunk gebräuchliche Übertragungsleitungen meist einen Wellenwiderstand von 50 Ω. Wir haben auch gelernt, dass es an Verbindungsstellen von Übertragungsleitungen zu unerwünschten Reflexionen kommt, wenn der Wellenwiderstand nicht übereinstimmt.

Auch Antennen haben eine dem Wellenwiderstand ähnliche Eigenschaft, die von der genauen Anordnung der Antennenelemente abhängt. Diese Eigenschaft wird als Speise- oder Fußpunktwiderstand bezeichnet. Wie bei der Verbindung von zwei Übertragungsleitungen mit unterschiedlichem Wellenwiderstand gilt auch hier: Wenn der Speisewiderstand der Antennen nicht zum Wellenwiderstand der Zuleitung passt, dann kommt es zu unerwünschten Reflexionen. Ein Teil der Sendeleistung wird zum Funkgerät zurück reflektiert und kann nicht von der Antenne abgestrahlt werden.

Wenn hingegen der Speisewiderstand der Antenne und der Wellenwiderstand der Speiseleitung übereinstimmen und somit eine optimale Übertragung der Sendeleistung in die Antenne gewährleistet ist, spricht man davon, dass Anpassung vorliegt.

1) Kurzbeschreibung: SWR- und Leistungsmessgerät „SWR-30“ von Albrecht in schwarzem Gehäuse mit analogem Zeigerinstrument und mehreren Bedienelementen an der Frontseite.

2) Ausführliche Beschreibung: Das Foto zeigt ein SWR- und Leistungsmessgerät mit der Bezeichnung „SWR-30“ von Albrecht. An der Frontseite eines schwarzen Gehäuses befindet sich in der Mitte ein helles Sichtfenster mit einem roten analogen Messzeiger. Das Fenster zeigt oben „WATT“, darunter eine bogenförmige Skala mit einer Beschriftung von „0“ bis „10“ oberhalb des Kreisausschnittes und „1“ über „3“ bis „SET“ unterhalb des Kreisausschnittes. Dieser Teil der Skala ist mit „SWR“ beschriftet. Der Bereich zwischen „3“ und „SET“ ist in Rot markiert. Unten im Display gibt es eine horizontale Skala mit Markierungen von „1“ bis „10“ und links der Erklärung „F.S.“. Links des Sichtfensters steht „TX“. Rechts befinden sich zwei Schiebeschalter übereinander zur Umschaltung zwischen „10W FWD“ und „100W REF“ sowie zwischen „PWR“ und „SWR“. Am rechten Rand des Gehäuses steht „ANT“. Unterhalb der Schiebeschalter befindet sich ein Drehknopf mit weißer Markierung und der Beschriftung „CAL“, umgeben von einer gebogenen Skalenlinie.
Abbildung NE-19.26.1: Ein einfaches SWR-Meter zum Bestimmen des Stehwellenverhältnisses

Wie gut die Antennenanpassung ist, lässt sich messen. Vereinfacht gesagt wird dafür ermittelt, wieviel Sendeleistung von der Antenne reflektiert wird. Der vom Messgerät angezeigte Messwert nennt sich Stehwellenverhältnis. Meist wird die vom englischen Begriff „standing wave ratio“ abgeleitete Abkürzung SWR verwendet. Zur Bestimmung des SWR benutzt man ein Stehwellenmessgerät, kurz SWR-Meter genannt.

Ein SWR-Meter misst gleichzeitig die vorlaufende Sendeleistung, die der Sender zur Antenne schickt, und die rücklaufende Leistung, die reflektiert wurde. Dies lässt sich gut am SWR-Meter in Abbildung NE-19.26.2 erkennen, das vor- und rücklaufende Leistung getrennt anzeigt. Das SWR gibt allerdings nicht direkt das Verhältnis dieser beiden Messwerte an, sondern wird etwas komplizierter als $\text{SWR} = \frac {\sqrt{P_\text{V}}+\sqrt{P_\text{R}}} { \sqrt{P_\text{V}}-\sqrt{P_\text{R}}}$ ermittelt, wobei $P_\text{V}$ die vorlaufende und $P_\text{R}$ die rücklaufende Leistung ist. Für die Prüfung der Klasse N muss man diese Formel nicht kennen.

1) Kurzbeschreibung: Analoges Messinstrument mit Kreuzzeiger zur Anzeige des SWR mit Skalen für die vorlaufende und die rücklaufende Leistung und das Stehwellenverhältnis.

2) Ausführliche Beschreibung: Das Foto zeigt ein analoges Messinstrument mit Kreuzzeiger zur Anzeige des SWR. Links gibt es einen Zeiger für die vorlaufende Leistung („P_vor“) und rechts einen Zeiger für die rücklaufende Leistung („P_rück“). Unterhalb der beiden sich kreuzenden Skalen befindet sich eine horizontale Linie mit grünen Markierungen bei 1,3, 1,5, 1,6, 1,8, 2, 2,5, 3 und 4. Von jeder dieser Markierungen gehen grüne Linien nach oben, die im linken Teil nach links oben, im rechten Teil nach rechts oben geneigt sind. Die Ablesung erfolgt vom Kreuzungspunkt der beiden Zeiger aus entlang der jeweiligen grünen Linie zur Markierung auf der horizontalen Linie. Unten auf dem Messinstrument steht die Formel S = Umax / Umin.
Abbildung NE-19.26.2: SWR-Meter mit Kreuzzeiger, linker Zeiger für die vorlaufende und rechter Zeiger für die rücklaufende Leistung; um das SWR abzulesen, wird der grünen Linie am Schnittpunkt beider Zeiger nach unten gefolgt

NI201: Mit welchem Messgerät lässt sich die Antennenanpassung bestimmen?

1) Kurzbeschreibung: Display eines Funkgerätes mit Frequenzanzeige „144.315.00“, darunter eine SWR-Anzeige; Spektrums- und Wasserfalldarstellung eines starken Signals in der Mitte.

2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt das Display eines Funkgerätes auf schwarzem Untergrund. Neben weiteren Beschriftungen steht in der Mitte in großen, weißen Ziffern die Frequenz „144.315.00“. Darunter befindet sich eine SWR-Anzeige. Unter der SWR-Anzeige ist in blauer Farbe die Anzeige des Spektrums um die eingestellte Frequenz zu sehen, die von den Angaben „–50k“ (links) und „+50k“ (rechts) begrenzt wird. In der Mitte gibt es einen schmalen, hohen Peak mit kleineren Flanken. Darunter befindet sich ein Wasserfalldiagramm auf dunkelblauem Hintergrund mit einer hellblau-weißen vertikalen Spur unterhalb des Peaks.
Abbildung NE-19.26.3: Display eines Transceivers

Moderne Transceiver haben bereits ein SWR-Meter eingebaut. Die Anzeige ist meistens im Display zu finden, siehe NE-19.26.3.

SWR-Meter und S-Meter klingen ähnlich, sind aber verschieden: Das SWR-Meter misst das Stehwellenverhältnis beim Senden und das S-Meter misst die Signalstärke beim Empfang.

NF101: Die Darstellung zeigt das Display eines Transceivers im Sendebetrieb. Wie wird die Anzeige 1 bezeichnet?
1) Kurzbeschreibung: Bedien- und Anzeigefeld eines Funkgeräts mit großer Frequenzanzeige „144.315.0“, mehreren Balkenanzeigen mit Skalen sowie einer Spektrums- und Wasserfall-Darstellung; Elemente sind mit ① bis ④ markiert.

2) Ausführliche Beschreibung: Oben links stehen große Sieben-Segment-Ziffern „144.315.0“, rechts daneben „USB“ und darunter „TX“. Oben rechts ist ein Lautsprechersymbol über einem horizontalen Balken mit der Beschriftung „0“ links und „100“ rechts; der Balken ist zu etwa vier Fünfteln dunkelgrau gefüllt. Links darunter befindet sich ein langer horizontaler Balken mit Skala. Oberhalb stehen die Werte „1 3 5 7 9 +20 +40“, unterhalb des Balkens steht eine zweite Skala „1 5 10 15 20“. Der Balken ist von links bis zur Markierung „9“ dunkelgrau gefüllt, der Rest ist weiß. Links am unteren Skalenbalken zeigt ein Pfeil mit der runden Kennzeichnung „②“ auf den Balken. Rechts daneben ist ein weiterer horizontaler Balken mit den Markierungen „1 2 3 ∞“. Dieser Balken ist von links bis zu einem Wert von ca. 1,3 dunkelgrau gefüllt, der Rest ist weiß. Ein Pfeil mit der runden Kennzeichnung „①“ zeigt auf den Balken. Durch die Mitte der Abbildung führt eine horizontale Trennlinie. Im Feld darunter ist in der Mitte ein grau unterlegtes Spektrum mit schwarzer Kurve zu sehen: links der Mitte steigt die Kurve steil zu einem Spitzenwert an und fällt danach unruhig ab. Rechts im mittleren Feld steht die runde Kennzeichnung „③“. Im unteren Feld erscheint eine Wasserfall-Darstellung: dunkler Hintergrund, in der Mitte ein sehr heller, schmaler vertikaler Streifen; links davon eine schmale, vertikal gestrichelte Linie; rechts davon ein vertikal angeordnetes Linienmuster. Links unten steht die runde Kennzeichnung „④“.

Wenn im Transceiver kein SWR-Meter eingebaut ist, kann man auch ein externes SWR-Meter verwenden. Es wird dazu wie in Abbildung NE-19.26.4 zwischen Funkgerät und Antenne angeschlossen. Man sagt auch: „Das SWR-Meter wird zwischen Transceiver und Antenne eingeschleift“.

NI202: Wenn das SWR-Meter auf der einen Seite mit der Antenne verbunden ist, was muss dann auf der anderen Seite angeschlossen werden, um Reflexionen zu messen?

Ist eine Antenne perfekt an die Zuleitung (z. B. das Koaxialkabel) angepasst, so zeigt das SWR-Meter einen Wert von 1 an. Dies ist der beste erreichbare Wert. Dann wird die gesamte Leistung von der Antenne aufgenommen. Es wird keine Leistung zurück in den Sender reflektiert.

1) Kurzbeschreibung: Blockschaltbild mit Signalfluss von links nach rechts: Transceiver, SWR-Meter, Antenne; zwischen SWR-Meter und Antenne Beschriftung „Vorlaufend“ mit Pfeil nach rechts und „Reflektiert“ mit Pfeilrichtung nach links.

2) Ausführliche Beschreibung: Gezeigt ist ein Blockschaltbild aus drei mit einer horizontalen Linie verbundenen Baugruppen. Ganz links befindet sich ein rechteckiges Gerät mit Frontplatte, beschriftet mit „Transceiver“. Rechts davon gibt es einen Block, der mit „SWR-Meter“ beschriftet ist. Nach rechts geht zunächst die horizontale Linie weiter und führt dann vertikal nach oben in ein Antennensymbol („Antenne“). Oberhalb der horizontalen Linie gibt es zwischen SWR-Meter und Antenne einen blauen, nach rechts zeigenden Pfeil, beschriftet mit „Vorlaufend“, und einen roten, nach links zeigenden Pfeil, beschriftet mit „Reflektiert“.
Abbildung NE-19.26.4: Prinzipbild SWR-Meter zwischen Transceiver und Antenne

NG301: Bei welchem Stehwellenverhältnis (SWR) ist eine Antenne am besten an die Speiseleitung angepasst?
NI203: Ein Stehwellenmessgerät wird in ein ideal angepasstes Sender-/Antennensystem eingeschleift. Das Messgerät sollte ...

Ist am Transceiver gar keine Antenne angeschlossen oder ist die Übertragungsleitung entweder unterbrochen oder kurzgeschlossen, so ist der SWR-Wert nahezu unendlich ($\infty$). Ein offenes bzw. kurzgeschlossenes Kabel reflektiert nämlich die Sendeleistung komplett. Das kann im schlimmsten Fall sogar den Sender im Funkgerät zerstören.

Neben den beiden SWR-Werten 1 und unendlich ($\infty$) sind noch die Werte 2 und 3 rechts markant. Bei einem SWR-Wert von 2 werden 11%, bei einem SWR-Wert von 3 werden 25% der Sendeleistung zurück in den Sender reflektiert. Bei modernen Transceivern wird einer Beschädigung des Senders dadurch vorgebeugt, dass die Sendeleistung im Funkgerät automatisch reduziert wird.

Ein sehr schlechtes SWR, beispielsweise nahe unendlich, kann man auch erhalten, wenn eine sehr schlechte Anpassung der Antennen vorliegt oder die Übertragungsleitung beschädigt ist.

NG302: Worauf deutet die dargestellte Anzeige des SWR-Meters hin?
1) Kurzbeschreibung: Bedien- und Anzeigefeld eines Funkgeräts mit großer Frequenzanzeige „144.315.0“, mehreren Balkenanzeigen mit Skalen sowie einer Spektrums- und Wasserfall-Darstellung.

2) Ausführliche Beschreibung: Oben links stehen große Sieben-Segment-Ziffern „144.315.0“, rechts daneben „USB“ und darunter „TX“. Oben rechts ist ein Lautsprechersymbol über einem horizontalen Balken mit der Beschriftung „0“ links und „100“ rechts; der Balken ist zu etwa vier Fünfteln dunkelgrau gefüllt. Links darunter befindet sich ein langer horizontaler Balken mit S-Skala. Oberhalb stehen die Werte „1 3 5 7 9 +20 +40“, unterhalb des Balkens steht eine P-Skala mit den Werten „1 5 10 15 20“. Der Balken ist von links bis zur Markierung „7“ dunkelgrau gefüllt, der Rest ist weiß. Rechts daneben ist ein horizontaler „SWR“-Balken mit den Markierungen „1 2 3 ∞“. Dieser Balken ist fast ganz dunkelgrau eingefärbt. Durch die Mitte der Abbildung führt eine horizontale Trennlinie. Im Feld darunter ist in der Mitte ein grau unterlegtes Spektrum mit schwarzer Kurve zu sehen: links der Mitte steigt die Kurve steil zu einem Spitzenwert an und fällt danach unruhig ab. Im unteren Feld erscheint eine Wasserfall-Darstellung: dunkler Hintergrund, in der Mitte ein sehr heller, schmaler vertikaler Streifen, der sich unterhalb des Spitzenwertes aus der Kurve darüber befindet.
NG303: Fehlanpassungen oder Beschädigungen von HF-Übertragungsleitungen führen ...

Ist an einem Funkgerät mit SWR-Meter eine Antenne mit schlechter Anpassung über ein langes Koaxialkabel angeschlossen, so kann der angezeigte SWR-Wert deutlich besser sein als es aufgrund der schlechten Anpassung zu erwarten wäre. Ursache hierfür ist eine hohe Kabeldämpfung, die nicht nur das zur Antenne laufende, sondern auch das reflektierte Signal verringert.

NG208: Das koaxiale 50 Ohm-Antennenkabel der 2 m-Amateurfunkstation wird mit einem gleichwertigen Koaxialkabel verlängert. Die Messung des SWR ergibt nach der Verlängerung einen besseren Wert. Was schließen Sie daraus? Durch die Verlängerung wird...

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