„Totalreflexion Re-Reflection“

Ein hartnäckiges Mysterium im Amateurfunk

Unter Funkamateuren gäbe es Anlass für ein Jubiläum:

♦   75 Jahre   ♦

andauernder Kontroversen über „Total Re-Reflection“ und „Totalreflexion“ auf HF-Leitungen – und eine ebenso lange Konfusion.

Dieser Weblog kommentiert einen erstaunlichen Disput. Die Affäre mutet skurril an, weil sie sich bis ins Jahr 1943 zurückverfolgen lässt [1] und insofern wohl nur selten in den Schatten gestellt wird. Der Blog vermittelt eine Chronologie mit Hintergründen aus dem Bereich des Amateurfunks.

Mr. M. Walter Maxwell – und seine „Total Re-Reflection“ These

M. Walter Maxwell (1919–2012) war Amerikaner und wurde lizenzierter Radioamateur bereits im Alter von 14 Jahren. Später studierte er Mathematik und Physik und schloss als Bachelor of Science (BS) ab. Von 1960 bis zu seiner Pensionierung (1980) arbeitete Walter Maxwell am Astro Space Center Antenna Lab and Test Range, Princeton. Dort war er mit dem Design und Testen von Antennen für Raumfahrtanwendungen befasst.

Walter Maxwell
M. Walter Maxwell [2]
(1919 - 2012)
Es ist April 1973, als Walter 54-jährig in einem amerikanischen Magazin für Funkamateure (QST) der American Radio Relay League (ARRL) seinen ersten Artikel publiziert – und dieser sollte es gleich so richtig in sich haben! Der Titel: „Too Low and SWR Can Kill You“. Man glaubt es kaum, aber dieser eine Artikel mit reißerischem Aufmacher war der Auslöser für bis heute andauernde Konfusion und Kontroversen im Amateurfunk-Bereich um ein sogenanntes „Total Re-Reflection“ auf Hochfrequenz-Leitungen.

Der QST-Artikel wurde von der Leserschaft (nicht von einer eingesetzten Fachkommission) zum besten Beitrag des Monats gewählt; Walter Maxwell erhielt den ARRL QST Cover Plaque Award. Viele Leser waren in erster Linie wohl von der Eloquenz des Artikels beeindruckt. Der Beitrag [3, Part 1] ist zwar sehr wortreich; allerdings basiert er auf einer entscheidenden Grundannahme der sogenannten „konjugiert-komplexen Anpassung“, ohne dass diese einschränkende Bedingung besonders hervorgehoben wird. Stattdessen vermittelt der Artikel den Eindruck einer Allgemeingültigkeit, sodass – wie sich zeigen sollte – der Grundstein für die nachfolgende Konfusion über Jahrzehnte gelegt war.
Die Verwirrung wird dadurch komplett, dass Walter Maxwell später die „konjugiert-komplexe Anpassung“ mit seiner höchstpersönlichen These des „Total Re-Reflection“ verknüpft – die inhaltlich unsubstanziiert und mit der etablierten Theorie der Hochfrequenzleitungen unvereinbar ist.

Nach der positiven Resonanz auf seinen ersten Artikel vom April 1973 fühlte Walter sich motiviert, im selben Stil noch weitere Artikel zu verfassen (bis August 1976); daraus entstand eine 7-teilige Serie „Another Look at Reflections“ [3], wo bereits der Titel gewissermaßen Programm ist und eine nicht ganz ernst gemeinte Intention des Walter Maxwell vermuten ließe. Es muss erwähnt werden, dass im Amateurbereich die eingereichten Manuskripte vor deren Publikation im Allgemeinen keinem Peer-Review Verfahren unterzogen werden.

Walter Maxwells selbstbewusstes Auftreten, seine berufliche Tätigkeit in Raumfahrttechnik, der ARRL QST Cover Plaque Award und vielleicht sein in der Elektrotechnik wohlklingender Nachname verhalfen, dass er von der ARRL zu einem Technical Advisor (TA) für Antennen und Hochfrequenzleitungen berufen wurde. Damit hatte er Einfluss auf die Inhalte der jährlich von der ARRL publizierten technischen Handbücher („Handbooks“) für Radioamateure. Über Jahrzehnte insistierte und verteidigte Walter Maxwell vehement die vermeintliche Korrektheit seiner „Total Re-Reflection“-These gegen jeden vorgetragenen Zweifel [4].
Es ist also keine Überraschung, dass seine ganz eigene Theorie auch in den ARRL Handbooks im jährlichen 'Copy & Paste'–Verfahren von einem Jahr ins nächste durchgereicht wurde und sich verfestigte. Über die lange Zeit verdichtete sich eine handfeste Verunsicherung unter Radioamateuren – und so besteht die These der „Totalreflexion“ auch in deutschsprachiger Funkamateur-Literatur bis heute fort.

Pseudoscience

„Pseudoscientific concepts tend to be shaped by individual egos and personalities ... Evidence, observations or data that are not consistent with beliefs tend to be ignored or are actively suppressed.“ (How to recognize Pseudoscience)

„Totalreflexion“

Es war nur eine Frage der Zeit, bis das „Total Re-Reflection“ nach Europa durchdrang und auch in Deutschland zwei publizierende Funkamateure infizierte. Sie waren offenbar empfänglich für die wortgewaltige aber dennoch unbegründete Theorie des Walter Maxwell.

Prof. Dipl.-Ing. L. Borucki erkannte eine Gelegenheit, sich mit der These der „Totalreflexion“ publizistisch zu engagieren. Prof. Boruckis Lehrgebiet war die Digitaltechnik an der Hochschule Niederrhein in Krefeld, NRW. Man darf annehmen, dass er an die Theorie der „Totalreflexion“ auf Hochfrequenzleitungen glaubt. Immerhin steht es doch so ähnlich auch in ARRL-Handbooks in Amerika; dann sollte doch wohl etwas dran sein an der Sache, oder etwa nicht ?

Prof. Borucki veröffentlichte im Magazin FUNKAMATEUR in der Weihnachtsausgabe vom Dezember 2007 seinen ersten Artikel über die „Totalreflexion“; der Beitrag bewirkte unter anderem in Foren erbitterte Kontroversen [5] mit gelegentlich kommunikativer Eskalation.
In den Jahren 2009, 2011 und 2012 legte Prof. Borucki nochmals nach mit weiteren Beiträgen auch im FUNKAMATEUR, um der vermeintlichen „Totalreflexion“ zum Durchbruch zu verhelfen.
So bemühen sich Prof. Borucki und sein Ko-Autor Dr. R. Kalocsay auch in [6, S. 17] ihren Lesern folgendes darzulegen:



In der Leitung bleibt also bei senderseitiger Anpassung (Ri=Zw) die hinlaufende Spannung vom Einschaltzeitpunkt des Generators erhalten, obwohl sich ihre Eingangsspannung verändert hat. Dies ist nur so zu erklären, dass eine totale Reflexion der rücklaufenden Spannng am Eingang stattfindet. Entsprechendes gilt auch für die reflektierten Ströme und Leistungen! Auch sie werden bei vorhandener Generatorspannung am Eingang nochmals als Ganzes reflektiert und negiert. Für alle gilt also derselbe Totalreflexionsfaktor rT=-1. Dieser Vorgang wird Totalreflexion oder Re-Reflexion genannt.“

Ob es die von Prof. Borucki vertretene „Totalreflexion“ auf Hochfrequenzleitungen wirklich gibt? Um die Antwort hier vorwegzunehmen: Es gibt sie nicht. Es handelt sich um groben Unfug und ein Mysterium, dass sich auf den Bereich des Amateurfunks beschränkt und in der professionellen Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik nicht anzutreffen ist – auch nicht in Lehrbüchern im Hochschul- und Universitätsbereich. Dennoch ist diese vermeintliche „Totalreflexion“ der Grund für bemerkenswerte Konfusion, die seit Jahrzehnten ihr Unwesen treibt und in unverantwortlicher Weise auch Studenten der Hochfrequenztechnik in einen fundamentalen Irrtum verführen kann.

Theorem
©Tayfun Akgül

   Das hartnäckige Mysterium der „Totalreflexion“ auf HF-Leitungen

Das hier zum Download verfügbare Manuskript kann beitragen, eine jahrelange Konfusion und „Gretchenfrage“ um die angebliche Totalreflexion auf HF-Leitungen aufzulösen.

  • ZUSAMMENFASSUNG :

    In Amateurfunk-Publikationen gibt es einen gravierenden unaufgelösten Konflikt. Er führt seit vielen Jahren zu kontroversen Debatten. Der Streit gilt mitunter als „die Gretchenfrage“; man scheint ihrer mittlerweile überdrüssig zu sein und möchte sie beiseite schieben, obwohl diese Gretchenfrage fundamental ist.
    Es kursiert das Phänomen der sogenannten „Totalreflexion“ (engl. Total Re-Reflection) auf HF-Leitungen. Solange die Verwirrungen nicht einer eindeutigen und publizierten Klärung zugeführt werden, sollte es nicht überraschen, dass immer wieder Konfusion und insbesondere auch eklatante Widersprüche in Verlust- und Effizienzberechnungen für HF-Leitungen auftauchen.
    Es ist bemerkenswert, dass der Konflikt sich auf das Gebiet des Amateurfunks beschränkt; er existiert nicht in der professionellen Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik.
    Es ist also Zeit, der Verwirrung entgegenzutreten und der Sache auf den Grund zu gehen. Der nachfolgende Beitrag sorgt für eine Klärung der tatsächlichen Sachverhalte.

Download:
Das hartnäckige Mysterium der „Totalreflexion“ auf HF-Leitungen

  • Revision Log:
  •   Issue 1, Rev 2, Mai 2021
  •   Issue 1, Rev 1, Juli 2020
  •   Issue 1, Rev 0, Mai 2018

RF-Feedline System Loss Calculator (Transducer Power Loss)

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Als Ergänzung zum Artikel „Das hartnäckige Mysterium der „Totalreflexion“ auf HF-Leitungen“ wurde zur Berechnung von Leistungsverlusten in HF-Leitungssystemen mit reellem oder komplexem Wellenwiderstand ein Spreadsheet entwickelt, das für Funkamateure, Ingenieure und Studenten der HF-Technik nützlich ist.

RF-Feedline System Loss Calculator
Verlustbehaftetes Leitungssystem mit komplexem Wellenwiderstand.

Der RF-Feedline System Loss Calculator ist als Microsoft Excel® Workbook (Excel .xlsm-Datei, 873kB) verfügbar (download). (Calculator Screenshot.pdf)
Die Excel-Datei ist kompatibel mit Excel 2016, oder höher. Sie nutzt VBA-Makros und ist deshalb inkompatibel mit Macintosh Systemen.

Download:  TLine_Loss_Calc_R150.xlsm

  • Revision:
  •   Rev. 1.5.0 ; 08. Mai 2021

Literaturhinweise, Links und Korrespondenzen

  1. Frederick E. Terman, Radio Engineers' Handbook 1943, McGraw-Hill, Seite 187.
  2. M. W. 'Walt' Maxwell, W2DU - July 3, 2012.
  3. M. Walter Maxwell, „Another Look at Reflections“, QST Magazine, ARRL, Part 1, April 1973, pp. 35-41; Part 2, June 1973, pp. 20-27; Part 3, Aug. 1973, pp. 36-43; Part 4, Oct. 1973, pp. 22-29; Part 5, April 1974, pp. 26-29, 160-165; Part 6, Dec. 1974, pp. 11-14, 158-166; Part 7, Aug. 1976, pp. 15-20.
    „Technical Correspondence - Corrections to Another Look at Reflections,“ QST, Aug. 1991, p. 42.
    (More References and Links are included in downloadable Spreadsheet Tool Transmission Line Loss Calculator TLine_Loss_Calc_R###.xlsm.)
  4. M. Walter Maxwell, „Reflections III, Transmission Lines and Antennas,“ CQ Communications Inc., Hicksville, 2010.
  5. „Einfluss der Fehlanpassung“, Forum der DL-QRP-AG, Januar 2008.
  6. Lorenz Borucki - DL8EAW, Rudolf Kalocsay - DL3FF, „Reflexionen und stehende Wellen auf HF-Leitungen“, beam-Verlag, 2012; (erhältlich beim FUNKAMATEUR Verlag).

     ... und schließlich noch eine professorale Episode ...

Gemäß einer Ankündigung vom 10. Dezember 2017 wurde das Manuskript Das hartnäckige Mysterium der „Totalreflexion“ auf HF-Leitungen der Chef-Redaktion des FUNKAMATEUR-Verlags, Berlin, Majakowskiring, am 20. Februar 2018 angeboten. Es dauerte nicht einmal 24 Stunden, als der Autor eine Reaktion erhielt – nicht etwa von der FA-Redaktion, sondern von DL1JWD als Berater des FA-Verlags. Seine E-Mail ist nachfolgend vollständig und ohne jegliche Änderung wiedergegeben.



Tnx, dr Werner,

dass Du mich bei der Diskussion mit Herrn Popken immer auf dem neuesten Stand hältst :-)

Ich beneide Dich, denn mir als habilitierten HF-Techniker und Universitätsprofessor i.R. ist diese “Ehre“ noch nicht zuteil geworden, von solch einem ausgewiesenen Experten (nicht promoviert, dafür aber “Senior Member, IEEE“ und “Member, ARRL“) zumindest eine Empfangsbestätigung auf meine freundlich formulierte Mails zu erhalten, wenn er schon die Fragen nicht beantworten kann!

Das Ignorieren unangenehmer Fragen seitens bestimmter “Fachkollegen“, offenbar aus verletzter Eitelkeit heraus, ist mir in meiner langen Laufzeit zwar schon öfters begegnet - ist aber eines wahren Akademikers unwürdig!

Trotzdem - vieles zur Geschichte dieser eklatanten ARRL-Fehldeutung der SWR-bedingten Zusatzverluste liest sich sehr unterhaltsam, und es verdient allen Respekt, dass Herr Popken endlich die “Wahrheit“ ans Licht bringen will! Leider aber nur die Halbwahrheit.

Natürlich ist der von Borucki verwendete Begriff der “Totalreflexion“ unsinnig, aber ebensolch wissenschaftlicher Unfug sind die von Popken apostrophierten “hin- und rücklaufenden Leistungen“. Jeder E-Technik-Student im Grundkurs weiß, dass in einer Leitung im stationären Zustand keine Leistungen, sondern nur Ströme “fließen“ können, die durch Betrag und Phase benennbar sind.
[Anmerkung: Bereits promoviert und habilitiert, dennoch möge DL1JWD einmal die Grundlagen konsultieren, z.B. F. Strauß, Grundkurs Hochfrequenztechnik, Eine Einführung, 3. Auflage, Kapitel 4, S. 131 ff, Springer Verlag, 2017.]

Ausgiebig bemüht Herr Popken Binsenweisheiten - dass eine reale Spannungsquelle in eine bezüglich ihres Klemmenverhaltens völlig identische Stromquelle transformierbar ist, das tut hier überhaupt nichts zur Sache und ist außerdem Grundlagenwissen E-Technik und somit auch den meisten Funkamateuren geläufig.

Auch eine Leitung (im eingeschwungenen Zustand und darum geht es ja) ist nichts weiter als ein normales Wechselstromnetzwerk und kann mit komplexen Matrizen (wie in meinen Programmen) beschrieben werden. Im verlustbehafteten Fall ist das aber nicht mehr mit einfachen Formeln darstellbar, sondern nur mit Computerhilfe, zu bewältigen.

Herr Popken hat in seinem zeilen-, formel- und bilderreichen Pamphlet an keiner Stelle gezeigt, wie denn die SWV-bedingten Zusatzverluste bei einer ein- und/oder ausgangsseitig fehlangepassten Leitung denn nun richtig berechnet werden, obwohl ich ihn in meinen Mails höflichst dazu um eine Stellungnahme gebeten hatte.

Das von ihm in seinem Manuskript als “Beweis“ herangezogene und auch mit LSpice simulierte Rechenbeispiel ist zwar richtig, aber absolut trivial, da es sich auf den verlustfreien Fall einer Leitung bezieht - das hilft uns hier in keiner Weise weiter.

Im Abschnitt “Konsistenz und Kontinuität“ schreibt Herr Popken richtig:

Schaltungsanalysen sollten konsistent und folgerichtig bleiben, insbesondere auch in Grenzfällen.

Selbst für diesen Geistesblitz bleibt er den Beweis schuldig. In meiner Mail vom 5.2.18 (Kopie hast Du ja) hatte ich ihm anhand seines Beispiels nachgewiesen, dass seine Berechnungsmethode zwar näher an der Wahrheit liegt als die der ARRL, aber immer noch falsch ist.

Wie aber bereits erwähnt hat es Herr Popken vorgezogen, das Brett an der dünnsten Stelle zu bohren und überhaupt nicht zu antworten.

Fazit:

Herr Popken räumt zwar mit einem Irrtum auf, kann aber mangels mathematischer Ausstattung selbst keine allgemeingültige Lösung bringen, die einer mathematischen Beweisführung standhält, vergrößert demnach nur die Verwirrung bei Otto Normalamateur und wird weitere Unruhe erzeugen.

Das Manuskript ähnelt in seinem weitschweifigen Stil und mit seinen vielen kleinen Formeln und Bildchen auffällig dem zum Drama gewordenen Borucki-Artikel und wird, das vermute ich, deshalb auch Knut nicht gefallen.

Nicht nur deshalb halte ich es für eine Veröffentlichung im FA vollkommen ungeeignet.

Da die nun sperrangelweit offene “Büchse der Pandorra“ endlich geschlossen werden sollte, erlaube ich mir, demnächst dem FA ein alternatives Manuskript zum leidigen Thema vorzulegen, das garantiert keinerlei Angriffspunkte bieten wird, da es auf einer mathematisch sauberen Beweisführung beruht (Formeln werden nicht abgedruckt, Rechenweg wird nur prinzipiell erläutert, Programm “Kabelrechner“ zum kostenlosen Download mitgegeben).

Auf geht's - habe soeben mit der Arbeit begonnen!

73 de

Walter dl1jwd

Später und mit weiterer kurzer E-Mail ergänzte DL1JWD noch am selben Tag:



Sehr geehrter Herr Popken,

da habe ich in der Hitze des Gefechts doch versehentlich ein CC an die Mail gehängt, die eigentlich nur für Dr.Hegewald bestimmt war.
... inhaltlich gibt es hingegen meinerseits nichts zurückzunehmen.
... Ansonsten bin ich seit Jahren für die FA-Redaktion beratend tätig, es ist also nichts Außergewöhnliches, dass ich bei eingesandten Manuskripten um meine Meinung (das ist keine Rezension!) gebeten werde ...

Es soll hier erwähnt werden, dass nicht DL1JWD als Verfasser und Absender der E-Mails sondern der Chef-Redakteur des FUNKAMATEUR Magazins umgehend für die oben zitierten kommunikativen Inkontinenzen eine Entschuldigung an den Autor des eingereichten Manuskripts sandte.
Im Übrigen wurde die Korrespondenz an das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eingesetzte und mit Publikations- und Review-Ethik befasste Gremium Ombudsman für die Wissenschaft zur Kenntnisnahme übermittelt (27. Feb. 2018) mit der Ankündigung dieser Veröffentlichung im Internet.

PhD Comics

Und die Moral von der Geschicht ?

This story has a simple moral,
With which the wise will hardly quarrel;
Remember, Prof, it hardly ever,
Pays to be too bloody clever.

J. Maynard Smith et al. (1952)     
from an Ode with Title „The Folly of Being Too Clever“     

„Authority gone to one's head is the greatest enemy of truth.“
Albert Einstein     
in a letter to Jost Winteler, 8 July 1901.     


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Für Cartoon-Nutzung gebührt Dank den Karikaturisten Tayfun Akgül und Jorge Cham.