|
Trefwoorden |
Enige opmerkingen rond Antenne tuners (Eerder
gepubliceerd in CQ-QSO en in Electron #9, 2011) Inleiding Regelmatig krijg ik de vraag voorgelegd of ik aanbevelingen kan doen
voor een bepaald type antenne tuner of omgekeerd, welke tuner men zou moeten
toepassen bij een bepaald type antenne. Uit de omschrijving van de vraag
begrijp ik dan dat men zo'n tuner beschouwt als een (liefst zwarte)
'wonderdoos', die alle problemen tussen de zend-ontvanger
en wat daarna volgt zal gaan oplossen.
Wat deze problemen zullen zijn is vaak niet helemaal duidelijk, maar omdat
antennes toch al een moeilijk onderwerp zijn, kun je die zaken beter buiten
de deur houden met zo'n 'toverdoosje'. Meestal vraag ik daarom eerst even door over het type antenne dat men
wenst te plaatsen en de soort verbindingen die men hiermee denkt te gaan
maken. Dit soort vragen vindt men meestal een beetje lastig. In de eerste
plaats zou het toverdoosje immers elk type antenne moeten kunnen aanpassen en
in de tweede plaats begrijp ik natuurlijk dat het logisch is dat men geen tijd, moeite of ruimte kan of wil
besteden aan de antenne, die bovendien geschikt moet zijn voor zowel lokaal
als DX radio verkeer. Een gestileerde opstelling zien we in figuur 1.
Verder ziet men vaak over het hoofd dat de bedoelde antenne niet
direct met de transceiver verbonden kan worden, tenzij men in dit stadium al
begrepen heeft 'het dak op te kunnen'. De nadrukkelijke vraag naar de tuner
impliceert ook, dat men verwacht dat bij een verkeerde keuze hierin veel
vermogen verloren zal gaan. In de praktijk zal echter alleen bij een heel
slecht tuner-ontwerp hierin enig vermogen gedissipeerd worden en is het juist
de verbinding tussen de tuner en de antenne waarin vermogen wordt verloren
bij een verkeerde antenne keuze. In dat laatste geval kan de tuner nog steeds de antenne aanpassen op
de transceiver en zul je in de shack vaak niet eens merken dat je met een
inefficiënt antenne systeem werkt, soms ook niet door een extreme aanwijzing
van de SWR meter. Sterker nog, je prijst je misschien gelukkig dat je in zo'n
'rustige' stoor-omgeving zit, al is het misschien jammer dat je de verre
stations, die anderen regelmatig werken, niet of nauwelijks kunt horen.
Verder valt het je misschien op dat andere stations bij jou in de buurt vaak
betere rapporten krijgen dan jij, zelfs als ze met minder vermogen op de band
zijn. Maar ja, denk je dan, door die merkwaardige 'condities' kun je
natuurlijk alles verwachten. Laten we eerst eens kijken naar de functie van de antenne tuner. Een antenne tuner verzorgt de transformatie van een vaak
'willekeurige' impedantie (R + jX) aan het einde
van de kabel naar de antenne, naar een gewenste, meestal reële impedantie aan
de 'uitgang' van een zender. We vinden de antennetuner dan ook steeds tussen
de transceiver en de kabel naar de antenne, zoals in figuur 1. Een radiobuis in een amateur zender werkt bij een anode spanning van
enkele honderden tot duizenden volt en een anode stroom van tientallen tot
honderden milliampères. Dit spannings- / stroom-regime leidt tot een hoge
aanpassings-impedanties van de zender eindtrap, meestal in de grootte orde
van vele honderden tot duizenden Ohms. Voor een goed overdrachtsrendement
moet deze hoge afsluitimpedantie getransformeerd worden naar de
aansluitimpedantie van de antenne, die doorgaans in de orde van tientallen
tot honderden Ohm ligt en bovendien vaak complex van aard is (R + jX). In een buizen eindtrap is daarom vaak een afgestemde
transformatie opgenomen, ook wel in de vorm van een pi-filter, die deze omzetting verzorgt en
hiermee tevens de functie van 'antenne tuner' voor zijn rekening neemt, zie
ook figuur 2.
In figuur 2 zien we tevens dat het pi-filter de opbouw van een
laag-doorlaat filter heeft, waarmee het tevens ongewenste harmonischen uit de
zender kan onderdrukken. Als de aanpassing van het pi-filter op de zender niet helemaal
optimaal is, zien we dat op de meter die het uitgangsvermogen aan geeft, die
dan minder dan het maximaal mogelijke vermogen aanwijst. Verder zit er vaak
in het uitgangscircuit nog een SWR-meter, waarvan de aanwijzing een maat is
voor de misaanpassing van de antenne voedingskabel aan de zenderuitgang.
Omdat een radiobuis niet direct defect raakt bij een beetje afwijkende
anode-spanning of -stroom, hoeft deze laatste aanpassing niet helemaal
perfect te zijn om toch een 'redelijke' werking van de eindtrap mogelijk te
maken. Op langere termijn zal een voortdurende en substantiële misaanpassing
wel invloed hebben op de levensduur van de buis(zen), maar op korte termijn
is de eindtrap redelijk tolerant tegen een beetje misaanpassing. Bij de ontvanger bemerken we een misaanpassing van de antenne op de
set in de vorm van een verminderde signaal overdracht vanaf de antenne. Omdat
ook de storing en de atmosferische ruis te maken hebben met deze verminderde
overdracht, zal de verstaanbaarheid van een verbinding niet snel lijden onder
een verkeerde aanpassing. Hoewel alle signalen worden verzwakt bij een
verkeerde aanpassing van de antenne aan de ontvanger, zal de signaal- /
ruis-verhouding nauwelijks veranderen zolang bij aansluiten van de antenne
het totale ruis en stoorniveau met tenminste een S-punt toeneemt t.o.v. de
eigen ruis van de ontvanger. Een juiste antenne aanpassing nemen we dan waar
door een toename van het totale signaal en atmosferische ruis niveau, maar
voor de verhouding tussen die twee, en dus de verstaanbaarheid, zal er echter
nauwelijks iets veranderen. In tegenstelling tot een buizenzender werkt een amateur
transistorzender bij een collectorspanning van enkele tientallen tot
honderden volt en een collector stroom van vele, tot tientallen ampères. Voor
een optimaal rendement dient de zend-transistor daarom belast te worden met
een weerstand in de orde van enkele Ohms, die nu moet worden aangepast op een
antenne met een veel hogere impedantie, zoals we hiervoor al zagen. Grote
impedantie-transformaties geven echter doorgaans een slecht overdracht
rendement, reden waarom men bij moderne transistorzenders zijn toevlucht
heeft genomen tot een twee-traps transformatie.
Eerst wordt een zodanige transformatie gemaakt dat de antenne aansluiting kan
worden afgesloten met een weerstand van 50 Ohm voor het maximale
uitgangsvermogen van de zender. Mede door de lage impedantie niveaus is het
hier gemakkelijker om brede-band aanpassingen te
maken en wordt de zender eindtrap zodanig geconstrueerd dat deze over een
groot frequentiegebied onafgestemd kan
blijven, zie figuur 3.
De tweede transformatie trap is aan de gebruiker, die nu met een externe
antenne tuner de weerstandswaarde van 50 Ohm kan aanpassen op de 'toevallige'
aansluitimpedantie van de antenne, of hoe deze er dan ook moge uitzien aan
het einde van de antenne voedingskabel (R + jX).
Bij een onjuiste transformatie (verkeerde aanpassing) kan de afsluitweerstand
van de transistor zender eindtrap een andere waarde aannemen dan de
voorgeschreven 50 Ohm, waardoor uiteindelijk de spanning op de eindtrap of de
stroom er doorheen waarden aan kunnen nemen die buiten het voorgeschreven werkgebied
van de transistor vallen. Ook is bij een transistor de overgang van het
normale werk gebied naar 'overbelasting' veel abrupter dan bij een toepassing
met een radio buis, hoewel de afregeling van het pi-filter bij deze laatste
ook een kritische aangelegenheid kan zijn. Een juiste aanpassing aan 'de
buitenwereld' is echter vaak bij amateur toepassingen bij een transistor
zender belangrijker dan bij een buizen zender. Voor een transistor ontvanger gelden weer dezelfde overwegingen als
bij de buizen ontvanger en krijgen we door een slechte antenne aanpassing
geen verliezen in de signaal ruisverhouding, zolang de atmosferische ruis op
de antenne ingang maar hoger is dan de eigen ruis van de ontvanger. Hierbij
dient nog te worden aangetekend, dat de meeste ontvangers een
ingangsimpedantie hebben die beduidend kan afwijken van 50 Ohm en die
bovendien frequentie-afhankelijk is. Het is verstandig om dit te onthouden
bij het ijken van de S-meter, die daardoor alleen op de afregelfrequentie de
'juiste' waarde zal aangeven en op elke andere afstemfrequentie in meer of
mindere mate zal afwijken. We kunnen nu de conclusie trekken dat een antenne tuner niets zal
veranderen aan een slechte antenne situatie, een verkeerde keuze van
transmissielijn of de verdere verliezen tussen de transceiver en de antenne.
Natuurlijk bewijst een tuner goede diensten als b.v. een antenne met een
stralingsweerstand van 300 Ohm, aangesloten op een transmissielijn van 300
Ohm (lint lijn) moet worden aangepast op de 50 Ohm van de transceiver. In dit
geval hebben juist een (antenne-) systeem met lage verliezen en dat willen we
graag zo houden door met een tuner de juiste aanpassing te maken van 50 naar
300 Ohm. Op deze wijze voorkomen we schade aan de zender door het aanbieden
van de juiste afsluit impedantie. Door een juiste aanpassing helpt een antenne tuner daarmee om
(vooral) een (transistor-) zender te beschermen tegen hogere spanningen of
stromen in de antenne aansluiting dan waarvoor deze ontworpen werd. Een tuner
doet verder niets aan verliezen die optreden door een slechte antenne
(keuze), verliezen in de antennevoedingskabel, balun of andere zaken die zich
tussen de transceiver en de antenne bevinden. Alle energie die hierin
verloren gaat, blijft hierin verloren ondanks een goede aanpassing van de
transceiver aan de voedingskabel d.m.v. zo'n tuner. Verder zorgt een antenne tuner door een goede transformatie dat er
meer spanning van de antenne aan de ingangsklemmen van de ontvanger terecht
komt, al zal dit voor de HF-banden de verstaanbaarheid van de signalen
doorgaans niet beïnvloeden. Antenne tuner en het verlies
budget Uit het voorgaande blijkt dat het verstandig is als we eerst kijken
naar het totale systeem tussen de antenne en de transceiver, voordat we
toekomen aan een tuner ontwerp. In Electron nummer 4 van dit jaar schreef ik
een verhaaltje onder de titel "Waar blijft de PEP", dat je
overigens ook hier weer kunt
terugvinden. In dit verhaaltje werd het duidelijk dat de aanpassing van de antenne
op de kabel van groot belang is voor de verliezen in deze kabel. Nemen we als
voorbeeld een heel gebruikelijke lengte van
Deze SWR 1 : 17 op 7 MHz. wordt al bereikt bij een antenne aansluit impedantie
van b.v. 400 Ohm, in serie met een capaciteit van 52 pF en dit zijn waarden
die een dipool antenne gemakkelijk zal overschrijden over een groot deel van
de afstemming tussen twee resonantie punten. Bij de tuner is deze grote SWR
al teruggelopen tot ongeveer 1 : 9, zodat je je wellicht nog geen al te grote
zorgen had gemaakt. De tuner heeft overigens geen enkele moeite om deze
waarde aan te passen en krijgt dit gemakkelijk voor elkaar met een spoel
impedantie van ongeveer 1,9 uH en een condensator
van ongeveer 712 pF. In een goede tuner zal onder deze omstandigheden ongeveer 1,5 % van
het vermogen verloren gaan en dat staat in geen enkele verhouding tot de 50 %
die we kwijt waren in de voedingskabel. Deze verhouding geeft al aan hoe
belangrijk de eerste keuze van de combinatie antenne-met-voedingskabel is en
dat de keuze van de tuner hier een beetje achteraan hinkt. Bij een symmetrische
voedingslijn van dezelfde lengte zullen deze getalletjes anders zijn,
maar dat wordt weer betaald met een meer gecompliceerde antenne tuner; ik kom
daar verderop nog op terug. Een tweede aspect van een voedingskabel is dat deze de antenne
impedanties zal transformeren. De waarden van 400 Ohm in serie met 52 pF van
de antenne zien er na transformatie door de coaxkabel bij de tuner heel
anders uit en zijn veranderd in een weerstand van 10,1 Ohm in serie met een
reactantie van 42,2 Ohm. Deze laatste zijn de uiteindelijke waarden die de
tuner zal moeten aanpassen op de eisen van de transceiver; bij transistor
zenders doorgaans een weerstand van 50 Ohm. We zagen al eerder dat de tuner
hiervoor een simpel netwerk nodig heeft met een spoel van 1,9 uH in de serie tak en een condensator van 712 pF
parallel, zie figuur 5.
Afhankelijk van de gevraagde transformatie kan de condensator ook aan
de transceiver kant terecht komen; een wat meer universele antenne tuner
houdt hier dan ook rekening mee door de variabele condensator naar beide
plaatsen te kunnen omschakelen. In plaats van een schakelaar kunnen we
natuurlijk ook twee variabele condensatoren toepassen, één aan de transceiver
en één een de antenne zijde; we herkennen hierin gemakkelijk het pi-filter
dat we al eerder tegen kwamen. Uit dit voorbeeld komt ook naar voren, dat de keuze van de
voedingskabel eigenlijk net zo belangrijk is als die van de antenne:
uiteindelijk gaat het er om, een zo laag mogelijke misaanpassing te krijgen
zodat de verliezen in de voedingskabel beperkt blijven. Het is overigens niet
nodig om hierin al te extreem te worden op de HF-banden; misaanpassingen tot
1 : 3 zijn meestal nog wel toelaatbaar zonder al te grote verliezen. Ook de meest zorgvuldige keuze van voedingslijn moet het echter
afleggen tegen een verkeerde keuze van antenne, of, wat eigenlijk hetzelfde
is, van het gebruik van een goede antenne op een verkeerde frequentie. Keuze
van de antenne impedantie We zijn nu op het punt dat we met wat meer zorgvuldigheid naar de
antenne kunnen kijken. Een eenvoudige, maar goede antenne is de dipool, die bij de juiste
antenne-hoogte zowel geschikt is voor lokaal als voor afstandsverkeer. Zo'n
dipool heeft op zijn resonantie frequentie een aansluitimpedantie van 50 - 75
Ohm, een beetje afhankelijk van de grondsoort en mits geplaatst op een hoogte
van ongeveer 1/5 golflengte boven de grond. Zo'n hoogte is goed haalbaar bij
een werkfrequentie van 7 Mhz. als in ons voorbeeld,
want komt dan uit op ongeveer
Er zijn echter meer antennes die op hun ontwerpfrequentie een 'handige'
aanpassingsimpedantie vertonen, en mijn duo band antenne is daar een
voorbeeld van. Wie dit wil nazien kan terecht in Electron # 7 uit 1999, of hier. Ook mijn vijf-band trap antenne
is ontworpen om een lage impedantie te vertonen op alle werkfrequenties en is
gepubliceerd in Electron # 12 van 2000 en # 1 van 2001, zie ook hier. Beide antennes zijn verder
ontworpen om te werken op een prettige hoogte van Het voordeel van een dergelijke antenne keuze is niet alleen dat er
weinig verliezen zullen optreden in de antenne voedingskabel, maar bovendien
dat er (vrijwel) geen tuner nodig is om deze aan te kunnen sluiten op de
meeste amateur zend-ontvangers omdat de aansluit
impedantie al in de buurt van de 50 Ohm ligt. Bij een verstandige antennekeuze is er dus helemaal geen antenne
tuner nodig! Open
voedingslijn altijd beter? Ik kom nog even terug op de keuze van coaxiale transmissielijn voor
de verbinding tussen de antenne en de transceiver. Zo'n kabel is natuurlijk
gemakkelijk te verwerken en heeft geen last van omgevingseffecten bij het
maken van bochten, bevestigingen langs de gevel en invoer in de shack.
Nadelen zijn echter de relatief lage impedanties waarvoor deze kabels
noodgedwongen gemaakt worden en de relatief hoge verliezen hiervan in
vergelijking met een open voedingskabel. Stappen we bij het gebruik van open
voedingslijn over deze bezwaren heen, dan ziet de wereld er tussen de antenne
en de tuner er toch weer wat anders uit. Gaan we even terug naar een eerder voorbeeld, waarbij de antenne een
aansluit impedantie had van 400 Ohm in serie met een capaciteit van 52 pF.
Deze antenne gaf een aanpassingsprobleem met een staande-golf verhouding van
1 : 17 bij gebruik van RG58 kabel, en bijgevolg een verlies van 50 % van het
toegevoerde vermogen hierin. Sluiten we deze antenne op dezelfde frequentie van 7 Mhz. aan, nu via een open, symmetrische voedinglijn met een impedantie van 600 Ohm, dan blijkt de
demping over dezelfde Ook de transformerende eigenschappen van deze lijn verschillen nog
al, omdat we nu bij de tuner een waarde tegen komen van 430 Ohm in serie met
een reactantie van 462 Ohm. Om deze waarden aan te passen dient de tuner nu
in de serie-tak een spoel te zien van 4,7 uH, en in
de dwarstak een condensator van 131 pF. Vooral de
condensator waarde is wat 'vriendelijker' dan wat we tegen kwamen bij de
coaxiale lijn, die toen 712 pF bedroeg.
Omdat we nu met een symmetrische voedingslijn werken, dient ook de
tuner symmetrisch te worden uitgevoerd. De spoel van 4,7 uH
wordt daarom opgesplitst in twee spoelen van 2,35 uH,
verdeeld over de beide serie takken. De condensator in de dwarstak
dient vrij van aarde te worden opgesteld, waarbij de capaciteit naar de kast
van de variabele en vaste platen ook zo gelijk mogelijk dient te zijn, zie
figuur 7.
Figuur 7. Aanpassing van (symmetrische) 50 Ohm aan de symmetrische 430
+ j 462 Ohm Denk er om dat we aan de uitgang van deze tuner nu weleenswaar een keurige waarde van 50 Ohm krijgt, maar dat
deze nog steeds symmetrisch ligt t.o.v. aarde. Er zijn verschillende manieren
om deze symmetrische 50 Ohm aan te passen op de a-symmetrische aansluiting
van de transceiver en een goede, hoog-Ohmige balun is daar één van. Aan deze
balun dient de nodige aandacht te worden besteed, omdat de common-mode
impedantie hiervan tussen één van de symmetrische antenne takken en aarde
komt. De toch nog regelmatig toegepaste,
trifilaire balun is hier beslist af te raden omdat hiermee niet meer
dan enkele honderden Ohms t.o.v. aarde te bereiken is. Meer over baluns in
het algemeen, en hoog-Ohmige baluns in het bijzonder zal verschijnen in het
komende half jaar in Electron, en is ook al enige tijd hier te vinden op mijn web-site. In het voorbeeld hebben we gerekend aan een wat ongelukkig toegepaste
dipool antenne, want buiten zijn resonantie frequentie. Voor de volledigheid
rekenen we daarom ook nog even aan een symmetrische dipool op diezelfde 7
MHz., die wordt bedreven juist op zijn resonantie-frequentie en daar een
impedantie van 50 Ohm vertoont. Deze zal een grote misaanpassing vertonen
t.o.v. de 600 Ohm voedingslijn, die nu een SWR = 1 : 12 laat zien bij de
antenne, teruglopend tot SWR = 1 : 11,7 bij de tuner. De totale lijndemping
door deze misaanpassing bedraagt nu 0,088 dB, hetgeen betekent dat ongeveer 2
% van het toegevoerde vermogen hierin achter blijft. Dat is nog steeds veel
minder dan het verlies van 50%, dat in het omgekeerde geval in de coaxiale
leiding achter bleef, maar toch al ruim vijf maal zoveel als bij vrijwel
juiste aanpassing (0,37 %). Ook de impedantie-transformatie ziet er nu anders uit. Na tien meter
transmissielijn is de antenne impedantie bij de tuner veranderd van 50 Ohm in
een weerstand van 6540 Ohm, in serie met een condensator van 12,4 pF. Voor
een juiste aanpassing aan de 50 Ohm die de transceiver vraagt, krijgt de
tuner nu in de serie tak een spoel van 13 uH en in
de parallel tak een condensator van 39 pF. Door deze hoge impedanties worden
er ook zwaardere eisen gesteld aan de doorslagspanning van deze laatste, die
bij een vermogen van 100 Watt al met een spanning van 1150 Volt wordt belast. Verder treedt er in de tuner nu een verlies op van 0,31 dB, en dat is
al 7 % van het toegevoerde vermogen. Dat is nog steeds een redelijke waarde
maar toch altijd veel meer dan de 1 % bij de coaxiale tuner en de 0,37 % bij
de symmetrische tuner met de hoog-Ohmige aanpassing. De conclusie uit het voorgaande is dan ook, dat een hoog-Ohmige
antenne het beste gevoed kan worden met een hoog-Ohmige transmissie lijn
zoals b.v. 600 Ohm open lijn en een symmetrische tuner. Aan de onderdelen
worden zwaardere eisen gesteld, vooral op spanningsgebied, en ook de balun is
niet meer zo eenvoudig. Een laag-Ohmige, doorgaans resonante
antenne, kan beter gevoed worden met een laag-Ohmige transmissielijn zoals
b.v. 50 Ohm coax, waarbij 75 Ohm net zo goed of misschien zelfs nog iets
beter kan zijn. De tuner is nu ook wat eenvoudiger en vooral aan de
condensator worden minder zware eisen gesteld t.a.v. de maximaal optredende
spanning. De buitenmantel van de coaxiale kabel hadden we natuurlijk al
ontkoppeld van de symmetrische antenne m.b.v. een goede balun, zie hier. De meest eenvoudige tuner is de L-tuner in een a-symmetrische of symmetrische uitvoering, en de S-tuner voor een symmetrische aanpassing. L-tuner Zoals we hiervoor al zagen bestaat een L-tuner uit een serie en een parallel component, welke laatste omschakelbaar moet zijn tussen de ingang en de uitgang. Doorgaans wordt hierbij gekozen voor een laag-doorlatende schakeling omdat hiermee tevens ongewenste harmonischen van de zender kunnen worden onderdrukt. In zo'n laag-doorlatende L-tuner komt de spoel in de serie-tak en de condensator in de omschakelbare parallel-tak. Met de condensator parallel aan de antennezijde zal de tuner vooral hogere antenne impedanties omlaag kunnen transformeren naar 50 Ohm. Hierbij is de tuner meer geschikt voor aansluit-impedanties met een inductief dan met een capacitief karakter. Bij schakeling van de condensator aan de transceiver zijde worden lagere antenne impedanties omhoog getransformeerd en is het bereik voor antennes met een capacitief karakter groter dan met een inductieve waarde. Wanneer de impedantie aan de transceiver zijde van de antennevoeding toevallig dicht in de buurt van een zuivere 50 Ohm ligt, heeft een L-tuner moeite om SWR=1 te bereiken. Dit hoeft geen probleem te zijn omdat in deze omstandigheden de antenne direct en zonder tussenschakeling van de tuner, aan de zender kan worden aangesloten, omdat de SWR immers al binnen 1 : 1,5 valt. Zoals we ook al zagen kan een L-tuner zowel in een a-symmetrische als symmetrische vorm worden uitgevoerd. In de symmetrische laag-doorlaat vorm bestaat zo'n tuner uit twee spoelen in de beide serie-takken en een omschakelbare capaciteit in de parallel-tak, Aan de transceiver zijde vinden we dan nog een balun om de overgang te maken van de symmetrische tuner naar de a-symmetrische transceiver. Denk er aan dat de tuner mechanisch zodanig moet worden uitgevoerd dat deze over de hele constructie elektrisch symmetrisch blijft ten opzichte van aarde. Dit stelt vooral eisen aan de bedieningsorganen voor de afstemcondensator, de schakelaars voor eventuele additionele condensatoren en de bediening van de spoelen. Denk ook aan de noodzakelijke ingangsbalun voor de overgang van de nog steeds symmetrische tuner naar de a-symmetrische transceiver, zoals hiervoor is aangegeven. S-match Een andere zeer eenvoudige antenne aanpassing is de S-tuner, die ik voor het eerst zag bij Frits, PA0FRI. Deze tuner is vooral voor gebruik bij symmetrische antennes en voedingslijnen en heeft voor die taak de meest eenvoudige uitvoering met de minste componenten. Een S-tuner bestaat uit een parallelle L-C kring, waarbij de transceiver wordt ingekoppeld door middel van een transformator. Deze transformator brengt de zender in serie met de L-C kring en zorgt tevens voor de balancering naar aarde. Het is dus een balancerende spanningstransformator met gescheiden wikkelingen. Een uitgebreide behandeling van deze S-match is verder hier te vinden Ook bij de S-tuner moet worden omgeschakeld en wel door de antenne parallel aan de spoel of aan de condensator te kunnen uitvoeren. Hierbij spelen zowel het teken van de antenne serie-reactantie een rol, als het gegeven dat omhoog of omlaag moet worden getransformeerd. Omdat beide zaken bij de S-tuner wat meer overlappen, heeft deze tuner minder moeite met antenne impedanties rondom 50 Ohm. De serie-inkoppeling van de transceiver in de L-C kring stelt extra eisen aan de inkoppel-transformator. Deze dient een zo hoog mogelijke koppelfactor te vertonen, ook al omdat slechtere koppeling zich zal manifesteren als spreiding zelfinductie in serie met de L - C kring, waardoor het afstembereik van de tuner zal worden beïnvloed. Dit effect is het duidelijkst merkbaar op de hogere banden. Voor een tuner met een groot frequentiebereik is het daarom van belang om een transformator toe te passen met een kern van hoge permeabiliteit, dus ferriet materiaal en geen ijzerpoeder / carbonyl kernen. Verder dienen de wikkelingen van de primaire en secundaire zijde tussen elkaar in gelegd te worden en niet naast elkaar, voor meest vaste koppeling. Door zijn opbouw is de S-tuner het meest geschikt voor symmetrische aansluiting aan de antenne-voedingskabel. Vergelijking tussen de symmetrische L-tuner en de S-tuner levert enig voordeel voor de laatste omdat hierin minder componenten worden toegepast. Bij de analyse van de S-tuner blijkt dat we hier ook weer een L-tuner terug vinden. Wanneer de antenne wordt aangesloten parallel aan de condensator, ontstaat effectief een laag-doorlatend filter, als bij de eerder besproken laag-doorlatende L-tuner. Deze is het meest geschikt om bij hogere, en bij voorkeur capacitieve impedantie omlaag te transformeren. Met de antenne aangesloten parallel aan de spoel ontstaat nu echter een hoog-doorlatende L-tuner, waarbij de filterende werking voor de harmonischen van de zender verloren gaat. Ook in deze configuratie is de tuner het meest geschikt om hogere aansluit-impedanties omlaag te transformeren, deze maal bij voorkeur met een inductief karakter. Ook de S-match is in principe galvanisch gescheiden van de antenne, waardoor aandacht moet worden geschonken aan het afvoeren van statische ladingen op de antenne. Wanneer we een L-tuner en een S-tuner zouden opbouwen met dezelfde spoel en condensator, en we even afzien van het feit dat de L-tuner dan automatisch van het a-symmetrische type is en de S-match van het symmetrische type, dan zien we dat de S-Match op de lagere HF banden en bij lagere en hogere antenne impedanties het grootste afstembereik vertoont. Op 10 MHz. ontlopen beide systemen elkaar niet veel, al is de L-tuner wat beter bij lagere antenne impedanties en wint de S-match in het hogere bereik. Op de hoogste HF band is de L-tuner beter in het lagere impedantie bereik en ontlopen beide systemen elkaar weinig bij de hogere impedanties. Hierbij moet worden aangetekend dat de S-match dan wel moet worden uitgevoerd als in de uitwerking op deze web-site, waarbij vooral de transformator werd geoptimaliseerd. In de oorspronkelijke uitvoering zal het impedantie bereik veel kleiner zijn en is vooral op de hogere banden het aanpassingsbereik beperkt. Het is natuurlijk
mogelijk om de extra kabelverliezen ten gevolge van een hoge SWR helemaal te
voorkomen door steeds te zorgen dat de antenne-impedantie meteen aan zijn
aansluitingen al 50 Ohm is of daarnaar wordt getransformeerd. Hierbij doel ik
op de automatische antenne-tuner, die er via een ingebouwde vergelijkingsschakeling
voor zorgt dat elke wilde antenne impedantie direct wordt getransformeerd
naar een zuivere weerstand van 50 Ohm. De voedingskabel wordt dan altijd
karakteristiek afgesloten en vertoont daarmee de laagste SWR. Een stukje RG58
van
Een alternatief voor deze wat duurdere oplossing is de voorbelaste antenne-aanpassing. Deze zorgt er voor dat door een juiste combinatie van een transformator en een enkele weerstanden de wilde variaties van de antenne impedantie over het frequentie-bereik worden beperkt tot lage waarden, waarbij verder geen antenne tuner nodig is ter bescherming van de zender en verder de kabelverliezen beperkt blijven. Ook deze voorbelaste antenne aanpassing wordt direct aangesloten aan de antenne en dient dus in een weer en water bestendige kast ondergebracht te worden, al is deze veel kleiner dan bij de automatische antenne tuner. Natuurlijk gaat er bij dit systeem enig vermogen verloren in de weerstanden, maar bij een juiste keuze van de componenten en passend bij de specifieke antenne, zijn er toch combinaties mogelijk die kunnen wedijveren met een antennetuner in de shack en bovendien verder geen voeding of aandacht van de operator vereisen. Dat laatste is vooral handig bij het contesten. Deze voorbelaste antenne aanpassing is uitgewerkt in een artikel op deze mijn web-site en is hier te vinden, als ook in het blad 'Elektron' van augustus en oktober van 2007. Zelf
een antenne tuner ontwerpen Voor diegene die zelf willen rekenen aan het hele systeem tussen de
transceiver en de antenne kan ik verder nog het volgende aanraden. - Bepaal eerst wat je met je antenne wilt bereiken en welke
mogelijkheden je hebt om antennes weg te spannen of op te stellen. Die keuze
kun je het best maken m.b.v. het gratis antenne programma Mmana,
dat tegenwoordig Mmana-Gal heet, hier te downloaden. Met
dit programma kun je onmiddellijk zien wat de opstraalhoek van je antenne zal
zijn, waarbij een hoge opstraling geschikt is voor lokale verbindingen en een
lage opstraling voor DX verkeer. Tevens vind je
hier de aansluitimpedantie van je antennekeuze. Laat de antenne uitrekenen op elk van je voorkeur frequenties, zodat
je een goed beeld krijgt wat deze zal gaan doen voor de opstraal-hoeken en
-richtingen en de aansluit impedanties die daarbij horen. - Met het programma TLW, dat sinds de 20e editie gratis wordt
geleverd bij aanschaf van het ARRL Antenne Book, reken je vervolgens uit wat de demping wordt
met jouw keuze en lengte van transmissielijn tussen de antenne en de tuner.
Je hebt hierbij de aansluit impedanties nodig, die eerder door Mmana werden geleverd. Het programma geeft je verder ook
de getransformeerde impedanties aan het einde van de antenne voedingskabel,
die je nodig hebt voor de berekening van je tuner. Een ander handig en bovendien
gratis programma is TLD,
waarmee je hetzelfde kunt. - Opnieuw met het programma TLW (niet met TLD) kun je nu de
onderdelen van je tuner berekenen, de verliezen die hierin gaan optreden en
de spanningen en stromen die in- en over de diverse onderdelen zullen gaan
ontstaan. Dit voer je uit voor elke werkfrequentie, waarvoor je met Mmana de antenne impedanties hebt berekend. Uit de hele
reeks met oplossingen bepaal je vervolgens wat de minimale en maximale
waarden zijn waaraan de tuner componenten moeten voldoen en daarmee heb je
voldoende informatie om je hele tuner te kunnen ontwerpen. - Als laatste lees je nog even het balun
verhaal door in Electron of op mijn web-site,
zodat je een indruk hebt over de eisen en uitvoeringen van de toe te passen
balun, of dat nu tussen de antenne en de voedingslijn is of tussen de
symmetrische tuner en de transceiver. Bedenk verder, dat hoe meer onderdelen er in de tuner zitten, hoe meer
vermogen hierin verloren gaat. Eenvoud is hier niet alleen het kenmerk van
het ware, maar bespaart je bovendien ongewenste bijverwarming in de shack.
Dit laatste betekent ook, dat gecompliceerde tuner ontwerpen gerust met enig
wantrouwen bekeken kunnen worden, te meer als deze worden aangeprezen om hun
wonderbaarlijke eigenschappen. Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
