Trefwoorden

 

modellering

trafo invloed

k - meting

regelbereik

optimum trafo

praktijk trafo

ultieme trafo

c - spanning

conclusies

Analyse van de s-match antennetuner

 

 

 

 

 

Voor een analyse van de s-match tuner als voorgesteld door pa0fri, werd een model opgesteld en een berekening gemaakt van het ontwerp om de invloed van de diverse componenten op het geheel te achterhalen, speciaal met het oog op ‘verborgen’ parasitaire effecten. Vooral de transformator blijkt interessant, ook al omdat deze een integraal onderdeel vormt van de afstemketen.

 

 

Model ontwikkeling

 

Voor een goed begrip van de notaties, hierbij eerst de model-ontwikkeling, waaraan de analyse is opgehangen. Figuur 1 geeft het totale schema van de s-match antenne tuner:

 

 

   Figuur 1: Het schema van de s-match tuner

 

 

 

Dit is het basis model van de tuner, die voor de berekening werd belast met een weerstand R0. Deze weerstand vertegenwoordigt de transceiver, die voor een goede werking moet worden afgesloten met zijn voorgeschreven weerstand. Omdat steeds wordt geregeld naar SWR=1, zal de tuner dus elke impedantie aan de antenneklemmen transformeren naar deze weerstand R0, doorgaans 50 Ohm.

De transformatoren staan in serie met de condensator en de spoel. Aan de impedanties binnen de schakeling verandert niets wanneer de condensator doorschuift naar de andere zijde van de transformator. Er zijn nu twee transformatoren in serie, die vervangen mogen worden door een enkele transformator, waarbij het aantal wikkelingen aan de transceiver-zijde niet veranderd, terwijl  de  andere  zijde  de  som  van  beide enkele wikkelingen krijgt; de trafo behoudt dan de wikkelverhouding 1 : 1. Het schema hiervan staat in figuur 2. 

 

 

 

   Figuur 2: Het principe schema

 

 

 

De transformator kan vervolgens worden ontleedt volgens bijgaand rekenmodel.

 

 

 

            Figuur 3: Het rekenmodel

 

 

 

In het rekenvoorbeeld staan twee spoelen in serie met een waarde van L - m, waarbij m = k * wortel (L1*L2). Hierin vertegenwoordigd de factor: ‘k’ de koppeling tussen de primaire en secundaire wikkeling, en dient zoveel mogelijk gelijk te zijn aan 1’. Verder zit in dit model nog de parasitaire capaciteit die parallel aan de transformator staat (Cp) en een weerstand (RL), die de transformator verliezen voorstelt (materiaal en frequentie afhankelijk). De serie-schakeling van R0 met L2 - m, die parallel staat aan de spoel: ‘m’, kan worden omgerekend naar een nieuwe serie schakeling van een (andere) weerstand in serie met een reactantie. In dit nieuwe model staat de nieuw berekende serie schakeling, in serie met de spoel L1 – m, en kunnen de imaginaire delen worden opgeteld. Er ontstaat dan opnieuw een serieschakeling van de omgerekende weerstand met een reactantie, die nu parallel staat aan de reactantie van de parasitaire capaciteit en de verlies weerstand. Ook deze samenstelling kan weer worden omgerekend naar een serieschakeling van (weer een andere) weerstand met (opnieuw een andere) reactantie. Na deze transformaties ontstaat figuur 4.

 

 

 

Figuur 4: Het analyse model

 

 

 

De nieuwe impedantie (Rc + Xc) staat in serie met de oorspronkelijke capaciteit en spoel van de tuner. Hoewel het model werd doorgerekend tot aan de antenne klemmen, is het voor een goed begrip van de transformator in de schakeling van belang om vooral te kijken naar de combinatie van de omgerekende waarden van  Rc en Xc. Als de transformator ideaal is, zullen alle transformator impedantie die parallel staan aan de transceiver, zo’n hoge waarde vertegenwoordigen, dat alleen de weerstand R0 de dominante factor is. In dit ideale geval geldt: Rc = R0 = 50 Ohm en Xc = 0.

 

In deze 'ideale situatie' houden we het basis concept van de tuner over, die dan in feite bestaat uit een hoog-doorlatende L-tuner. Doordat er een spoel parallel staat aan de antenne impedantie kan de tuner voornamelijk capacitieve antenne reactanties transformeren, dus antennes die korter zijn dan een on-even aantal malen van een kwart golflengte.

Wanneer de antenne wordt aangesloten over de condensator, verandert de opstelling in een laag-doorlatende L-tuner. Nu kan de tuner voornamelijk inductieve antenne reactanties transformeren, dus antennes die langer zijn dan een oneven malen van een kwart golflengte.

In beide situaties vertoont de s-match een impedantie parallel aan de antenne. Deze impedantie zorgt er voor dat de antenne impedantie omlaag wordt getransformeerd. De rest van de tuner dient dan om de overgebleven reactieve component te compenseren zodat de transceiver alleen een zuivere weerstand (50 Ohm) 'ziet'. Door deze configuratie is de s-match tuner voornamelijk geschikt voor het aanpassen van (reële) antenne impedanties die hoger zijn dan 50 Ohm. 

 

 

Invloed van de transformator

 

Van alle elementen waaruit de transformator is opgebouwd werd het effect berekend op het gedrag van Rc en Xc uit de vorige afleiding; de zelfinductie van de transformator (aantal windingen op de kern en kernsoort), de koppelfactor (k) en de parasitaire elementen RL en Cp. Voor lage frequenties ontstaat dan tabel 1:

 

3,6 MHz.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cp = 1 pF

 

 

 

Cp = 30 pF

 

 

 

k = 1

 

k = 0,95

 

k = 1

 

k = 0,95

 

 

Rc

Xc

Rc

Xc

Rc

Xc

Rc

Xc

L =17,4 uH

49,2

6,2

49,1

43,9

49,5

4,6

52,0

43,5

L =  6,5 uH

46,8

12,1

46,4

29,7

47,5

10,7

48,2

28,7

L =  4,34 uH

39,7

20,1

38,3

27,7

40,7

19,3

40,2

27,2

L =  1,56 uH

16,7

23,5

15,6

24,6

17,2

23,7

16,1

24,9

 

Tabel 1: De transformator op lage frequenties

 

 

De eerste kolom van tabel 1 vertegenwoordigt de zelfinductie van de transformator wikkelingen, waarbij: L1 = L2 = L. In de tweede en derde kolom blijkt het effect van de transformator zelfinductie op de uiteindelijk ‘kring-waarden’: Rc en Xc. Hoe lager de zelfinductie van de transformator, hoe lager de weerstand Rc wordt, die in het ideale geval 50 Ohm zou moeten zijn. Een lagere waarde van Rc betekent ook dat de afregelelementen meer ‘hun best’ moeten doen om te transformeren naar de (eventueel hogere) waarde van de antenne impedantie. Een lagere Rc beïnvloedt daarom het regelbereik.

Verder wordt bij lagere zelfinductie van de transformator ook de (omgerekende) serie impedantie Xc groter. Dit is ongewenst omdat deze in serie staat met de afregel-variabelen C en L, en beperkt daarom het bereik hiervan.

Het is duidelijk dat een hoge transformator-zelfinductie is aan te bevelen, omdat Rc dan dicht bij de oorspronkelijke R0 blijft en de serie impedantie Xc laag blijft.

 

In de vierde en vijfde kolom blijkt het effect van de koppelingfactor k. Zodra deze maar een beetje van ‘1’ afwijkt, wordt de serie-impedantie Xc snel groter. Voor een goed regelbereik wordt deze additionele serie-impedantie liefst vermeden en daarom is een zo hoog mogelijke koppeling gewenst.

 

In de zesde en zevende kolom staan nogmaals dezelfde gegevens, maar nu met een parasitaire transformator-capaciteit: Cp = 30 pF. Als hierbij de waarden voor k = 1 en k = 0,95 worden vergeleken met de eerdere waarden, dan blijkt dat de parasitaire transformator-capaciteit nauwelijks van invloed. Wordt deze capaciteit nog hoger (b.v. door twisten van de primaire en secundaire windingen, dan is deze invloed echter niet meer te verwaarlozen.

 

Ook de rol van de verliezen in de transformator (RL)werd onderzocht. Deze blijkt nog kleiner dan die van de parasitaire capaciteit, omdat de parallel weerstand van deze verliezen (bij goed ‘HF’ kernmateriaal) steeds boven 1000 Ohm blijft. Indirect staat deze weerstand parallel aan Rc en daarmee is duidelijk dat deze nauwelijks effect heeft.

 

Dezelfde effecten werden onderzocht voor de hoogste amateur band, in tabel 2:

 

28,5 MHz.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cp = 1 pF

 

 

 

Cp = 30 pF

 

 

 

 

k = 1

 

k = 0,95

 

k = 1

 

k = 0,95

 

 

Rc

Xc

Rc

Xc

Rc

Xc

Rc

Xc

L=10 (21,0 uH)

50,0

0,4

55,9

321,0

47,0

-11,9

106,0

-436,0

L=7 (10,3 uH)

50,0

1,2

52,6

154,0

47,4

-11,2

455,0

144,0

L = 5 (5,25 uH)

49,8

2,8

51,1

79,3

48,0

-9,8

123,0

79,4

L = 3 (1,89 uH)

48,6

8,2

48,8

34,8

49,6

-4,5

66,3

22,0

 

Tabel 2: De transformator op hoge frequenties

 

 

Uit de tweede en derde kolom van tabel 2 blijkt dat de transformator zich heel netjes gedraagt, ook bij lagere zelfinductie van de spoelen. Bij een minder goede koppeling tussen de windingen (k = 0,95) zijn de gevolgen nu echter veel groter, omdat dezelfde spreidingsinductie nu een hogere impedantie vertegenwoordigt.

Het effect van de parasitaire capaciteit blijkt uit de zesde tot negende kolom. Bij een goede koppeling kan deze parasitaire capaciteit zelfs een beetje in het voordeel werken, omdat het de kleine serie-zelfinductie nog iets helpt verminderen. Bij minder goede koppeling slaat dit voordeeltje echter om in een extra nadeel.

 

 

Metingen aan de transformator koppeling

 

Omdat de koppeling binnen de transformator zo’n belangrijke rol speelt, werden een paar transformatoren gemaakt en is de koppeling gemeten. De transformatoren bestonden uit kernen van vergelijkbare afmetingen, maar van verschillend kern materiaal. Trafo 1: 36 mm. ringkern van 4C65 materiaal, initiële permeabiliteit is 125. Trafo 2: 40 mm. ringkern (T157-2) van carbonyl materiaal, initiële permeabiliteit is 10. Op beide transformatoren liggen 2 x 10 windingen, bifilair gewikkeld en daarna verdeeld over de hele kernomtrek ter verbetering van de koppeling.

De koppeling is gemeten door een eerste meting van de zelfinductie bij open secundaire wikkeling en een tweede meting bij kortgesloten secundaire. Uit deze metingen kan de koppelfactor worden afgeleid. Bij 6 MHz. werd gemeten:

 

4C65 ferriet (interwinding capaciteit: 15,2 pF)

L1 (L2 open) = 15,9     uH.

L1 (L2 kort)   =   0,633 uH

k = wortel (1 - (L1 kort/L1 open)) = 0,98

 

T157-2 carbonyl (interwinding capaciteit: 17,1 pF)

L1 (L2 open) = 1,85   uH

L1 (L2 kort)   = 0,575 uH

k = 0,83

 

Het is duidelijk dat het kernmateriaal met de lage permeabiliteit een veel lagere koppeling laat zien, reden waarom het effect van de serie impedantie Zc bij k = 0,83 nog veel dramatischer zal zijn dan de berekende voorbeelden met k = 0,95. Het lijkt nu ook duidelijk waarom de 'uitvinder' een ‘compromis’ zocht en een transformator-zelfinductie van slechts 3 uH kon aanbevelen; door de grote magnetische ‘lek’ van voorgestelde lage mu materiaal is de koppeling tussen de windingen erg laag en komt er veel zelfinductie in serie met de afstemcomponenten L en C. Deze additionele zelfinductie gaat ten koste van het totale regelbereik, vooral op de hogere frequenties.

 

 

Het afregelbereik van de antenne tuner

 

Een transceiver moet worden afgesloten met zijn voorgeschreven belasting omdat deze alleen in deze belasting zijn maximale vermogen mag afgeven. Bij afwijkende impedanties is dat vermogen meestal lager en kan de eindtrap bovendien defect raken door overbelasting. Om deze redenen wordt meestal een aanpassingsnetwerk toegepast tussen de transceiver en de rest van het antennesysteem. Dit netwerk moet er voor zorgen dat afwijkende impedanties worden aangepast aan de voorgeschreven transceiver belasting, doorgaans 50 Ohm. Bij amateur gebruik wordt dit aanpassingsnetwerk doorgaans uitgevoerd met regelbare componenten om een grote variëteit aan antennebelastingen te kunnen terugbrengen naar deze 50 Ohm. Het is daarom interessant om te onderzoeken welke maximale en minimale antenne impedanties door de s-tuner kunnen worden aangepast aan deze 50 Ohm, ook weer afhankelijk van het type transformator.

Bij het berekenen van dit 'afregelbereik' wordt in deze analyse uitgegaan van een afstemspoel en condensator, die geen extreme maatregelen vereisen. Voor de afstemspoel geldt daarom:

0,5 < L < 20 microHenry. Voor de condensator wordt uitgegaan van een variabele capaciteit met een bereik van 20 - 250 pF, waarvan de waarde d.m.v. parallel geschakelde, vaste condensatoren kan worden uitgebreid tot 1500 pF. 

 

In de berekening zijn verder de belangrijkste circuitparameters meegenomen, zoals de zelfinductie van de transformator, de koppelfactor, de parasitaire capaciteit en de kernverliezen. Verschillende van deze parameters zijn frequentie-afhankelijk. Voor de toegepaste transformator is steeds een 1 : 1 overzet verhouding gekozen.

Tabel 3 geeft een indruk van het mogelijke aanpassingsbereik, waarbij Rb de (reële) antenne-impedantie voorstelt.

 

Rb bereik voor 0,5 < L < 20 uH en 20 < C < 1500 pF

 

 

 

 

ideale trafo (43 uH, Q=500)

8+4+4 (11 uH) 36 mm.

16+8+8 (3,44 uH) T157-2,

 

k=1, Cp 1 pF

4C65 k=0,98 Cp=12 pF

k=0,85, Cp=27 pF

f

Rb min

Rb max

Rb min

Rb max

Rb min

Rb max

MHz.

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

3,60

64

4070

51

> 5000

33

> 5000

7,05

51

> 5000

51

> 5000

49

> 5000

10,10

52

> 5000

53

> 5000

58

> 5000

14,18

52

> 5000

55

4925

76

2845

18,10

52

3930

59

2505

107

905

21,23

52

2850

64

1485

156

358

24,95

52

2090

72

775

geen Lmatch

C < 10 pF

28,50

52

1610

79

445

geen Lmatch

C < 10 pF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabel 3: Het transformatie bereik van de basis s-match antenne tuner

 

 

Uit de tabel blijkt dat deze s-match tuner geen (reële) waarden lager dan 50 Ohm kan aanpassen, behalve als er verliezen in het systeem aanwezig zijn (laatste serie). In deze tabel valt verder op dat het afstembereik wordt beperkt indien een transformator wordt toegepast waarin relatief hoge spreidingverliezen optreden (laatste twee kolommen).

In de hoogste amateur-banden krijgen we echt 'last' van de spreidingszelfinductie en is er geen 'match' met een reële antenne impedantie met een spoel aan de uitgang (geen Lmatch). Met een condensator aan de uitgang lukt het echter nog wel.

 

In de tuner-opzet kunnen de spoel en condensator van plaats wisselen. Met de antenne parallel aan de condensator staat de spoel in serie met de spreidingszelfinductie van de transformator. Hierdoor wordt het aanpassingbereik voor inductieve antenne belastingen beperkt omdat, na transformatie door de ingangscapaciteit, de overgebleven (capacitieve) reactantie over een kleiner bereik kan worden gecompenseerd; de spreidingszelfinductie wordt de kleinste waarde in de serietak.

Met de antenne parallel aan de spoel staat de condensator in serie met de spreidingszelfinductie. Voordat m.b.v. deze condensator de (inductieve) antenne reactantie kan worden gecompenseerd, moet eerst de spreidings- zelfinductie worden uitgestemd, hetgeen weer ten koste gaat van het afstembereik. Vooral bij grotere spreidingszelfinductie als bij transformatoren op een kern met een lage permeabiliteit (carbonyl, 'b.v. type -2 materiaal van Amidon)  is dit effect merkbaar doordat het afstembereik op de hoogste HF-band erg beperkt wordt.

 

De tabel geldt overigens uitsluitend voor aanpassingen aan reële belastingen tussen de antenneklemmen; bij complexe antenne impedanties zoals die in de praktijk voorkomen, is het afstembereik groter.

 

 

Betere transformator

 

In het voorgaande werd steeds uitgegaan van een transformator met een overzetverhouding van 1 : 1. Omdat hiermee geen reële belastingen lager dan 50 Ohm kunnen worden aangepast, werd ook onderzocht of dit wel mogelijk zou zijn met een transformator met een andere overzet verhouding. Bij dit onderzoek wordt uitgegaan van de beste transformator uit de vorige tabel met de 4C65 ferriet kern en werden overzetverhouding 1 : 0,8 , 1 : 0,75 en 1 : 0,5 onderzocht. Hierbij bleek dat een steeds grotere overzet verhouding ook een steeds groter afstembereik opleverde. Helaas gaat dit grotere afstembereik ook gepaard met een toenemend gebied waarbij geen aanpassing mogelijk is. Dit verschijnsel treedt op in het bereik van de lage stralingsweerstanden (Rs < 50 Ohm) en voornamelijk in het laagste en hoogste frequentie bereik (1,8 en 28,5 MHz).

 

De beste keuze lijkt daarom een transformator met een overzet verhouding rondom 1 : 0,75, waarbij een groot aanpassingsbereik gepaard gaat met een relatief klein 'gat' waar geen aanpassing mogelijk is. Verder blijkt het goed mogelijk om een hanteerbare spoel te maken met een minimum zelfinductie van 0,3 uH en een maximum waarde van 30 uH en voor de variabele condensator met niet te kleine plaatafstand is een bereik van 15 - 350 pF goed haalbaar met een schakelaar kunnen daar vaste condensatoren aan parallel worden geschakeld, zodat een maximum waarde van 1500 pF haalbaar wordt, hetgeen nuttig is wanneer lage antenne impedanties moeten worden aangepast bij een lage werkfrequentie.

Onder deze omstandigheden kan een s-match tuner een breed scala van antenne impedanties aanpassen. In tabel 4

is voor een aantal stralingsweerstanden van de antenne (Rs) aangegeven, welke maximale antenne reactantie (Xs) kan worden gecompenseerd door een s-match tuner, waarbij geldt 0,3 < L < 30 uH en 15 < C < 1500 pF. Voor de transformator werd een 36 mm. ringkern van 4C65 ferriet gebruikt met 8 : (3 + 3) windingen, zoals afgebeeld in figuur 5.  

 

 

 

1,85

MHz.

 

 

10

MHz.

 

 

28,5

MHz.

 

 

L -

uitgang

C -

uitgang

L -

uitgang

C -

uitgang

L -

uitgang

C -

uitgang

Rs

-Xs

Xs

-Xs

Xs

-Xs

Xs

-Xs

Xs

-Xs

Xs

-Xs

Xs

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

10

570

-33

-92

228

594

-22

-23

1076

153

-77

-48

542

20

662

-45

-105

322

841

-15

-29

1521

216

-81

-66

613

50

842

145

506

506

1329

504

283

2405

339

135

-97

750

100

1043

346

713

713

1878

1493

838

2960

474

474

-119

903

200

1320

623

998

998

2653

2653

1622

3745

655

655

-91

1109

500

1835

1138

1530

1530

4175

4175

3164

5285

961

961

736

1470

1000

2328

1630

2045

2045

5862

5862

4870

6995

1160

1160

1011

1755

2000

2765

2067

2523

2523

8170

8170

7210

9330

835

835

980

1725

0,3< L

< 30

uH

15< C

< 1500

pF

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabel 4: Het transformatiebereik met aangepaste transformator

 

De kolom -Xs geeft steeds de maximale negatieve reactie aan, dus een capacitieve waarde in serie met de stralingsweerstand. Dit type antenne reactantie ontstaat wanneer de antenne korter is dan een oneven malen van een kwart golflengte. Net zo geeft de kolom Xs een positieve reactantie, dus wanneer de antenne langer is dan een oneven malen van een kwart golflengte.

Let op: Een negatieve waarde in een negatieve kolom betekend dus dat de reactie in deze kolom positief is!  Deze situatie vinden we op elke werkfrequentie wanneer de stralingsweerstand kleiner is dan 50 Ohm. Kijken we naar de eerste rij getallen links boven bij een stralingsweerstand van 10 Ohm. Met de antenne aangesloten over de spoel (L-uitgang) heeft de tuner hier een afstembereik van -570 Ohm tot -33 Ohm. Wanneer de antenne inductief is, sluiten we deze aan parallel aan de condensator (C-uitgang), waar we een afstembereik vinden van 92 tot 228 Ohm. Bij deze lage stralingsweerstand van 10 Ohm is de tuner in staat om reactanties van - 570 tot 228 Ohm af te stemmen, waarbij binnen het gebied van -33 tot +92 Ohm geen aanpassing mogelijk is waarbij geldt SWR = 1. Een dergelijke situatie met een afstemming-'gat' vinden we terug op elke werkband bij een antenne stralingsweerstand lager dan 50 Ohm.     

Verder blijkt uit tabel 4 dat het mogelijke afstembereik van deze s-match tuner bij stralingsweerstanden groter dan 50 Ohm erg groot is. Wanneer niet de reële (Rs) en imaginaire delen (Xs) van de antenne impedantie worden uitgezet maar worden omgerekend naar staande-golf waarden, dan blijkt dat deze s-match tuner een bereik te hebben van SWR > 100 voor alle stralingsweerstanden groter dan 50 Ohm.

 

 

Praktische transformator

 

In het voorgaande werd gesproken over een transformator met een wikkelverhouding van 8 : 6 , terwijl in figuur 1 twee transformatoren getekend werden met de primaire windingen aangesloten in serie schakeling. Deze transformator kan echter gemakkelijk op een enkele ringkern worden gewikkeld, omdat het magnetisch veld in beide transformatoren in dezelfde richtingen loopt. Een voorbeeld van zo'n 8 : (3 + 3) transformator is te vinden in figuur 5.

 

 

 

Figuur 5: Een praktische transformator

 

 

De transformator in figuur 5 is gemaakt met 8 windingen aan de primaire zijde die begint en eindigt onderaan in de foto. De twee secundaire wikkelingen, die ieder bestaan uit drie windingen zijn hier tussenin gewikkeld; de aansluitingen hiervan wijzen naar links, respectievelijk naar rechts. Let op de gelijkmatige verdeling van alle windingen, vooral aan de binnenzijde. Op deze wijze ontstaat de laagste capaciteit over de windingen en tussen de primaire en secundaire wikkelingen. Omdat de wikkelingen kunnen verschuiven over de kern kunnen deze het best worden vastgezet met ty-wraps of een druppel constructie lijm.

De condensator wordt nu aangesloten tussen de bovenste twee aansluitingen en de spoel tussen de onderste twee. De plaats van de spoel en de condensator mogen natuurlijk ook verwisseld worden. De antenne wordt dan aangesloten parallel aan de spoel of parallel aan de condensator.

 

Bovenstaande transformator werd ontworpen voor een s-match antennetuner in het frequentiegebied van 3,5 - 30 MHz. Indien ook het frequentie gebied tot 1,8 MHz. wordt gewenst, kan de transformator beter worden uitgevoerd in een wikkelverhouding 10 : (4 + 4) of 11 : (4 + 4) op dezelfde 36 mm. ringkern van 4C65 ferriet materiaal. In de uitvoering op de foto, met 1 mm. geëmailleerd koperdraad, is de transformator geschikt voor vermogens van meer dan 200 Watt.

 

 

Een ultieme transformator

 

In het voorgaande werd duidelijk dat de koppeling tussen de windingen gezien kan worden als een zeer belangrijke eigenschap van de transformator. De transformator wikkelen op een Carbonyl kern (bv. Amidon type -2 materiaal, met een rode codering, permeabiliteit is ca 10) geeft dan ook relatief grote spreidingsverliezen. Deze komen tot uiting als een zelfinductie in serie met de transformator en beperken daarmee het aanpassingsbereik, vooral op hogere frequenties. Als eerder gemeld waren het dit soort klachten van amateurs, die mij er toe aanzetten om de tuner eigenschappen in een wiskundig model te zetten, om verschillende detaileigenschappen te kunnen bestuderen. Hieruit volgde al snel de rol van de transformator koppeling, en als volgende stap de transformator op 4C65 materiaal, als hierboven beschreven in de paragraaf over een praktische transformator. De koppeling tussen de windingen kon hierbij worden opgevoerd van 0,85 naar 0,98, waardoor deze spreidingszelfinductie aanmerkelijk kon worden teruggebracht.

Wat later bedacht ik dat in een transmissielijn-transformator de koppelingsfactor geheel wordt bepaald door de 'lek' van de toegepaste transmissielijn. Deze kan gemakkelijk worden beperkt tot een fractie van een procent bij toepassing van niet al te slechte materialen. Het kernmateriaal van een transmissielijn-transformator heeft daarbij als enige functie om voldoende scheiding te verzorgen tussen het begin en einde van zo'n transmissielijn, waarbij het niet uitmaakt of deze scheiding wordt veroorzaakt door de zelfinductie van de wikkelingen op dit materiaal of door de materiaalverliezen. Ferriet met een hoge permeabiliteit (en dus met een lagere ferrimagnetische resonantie frequentie) kan daarom met succes worden toegepast, zolang de totale impedantie maar hoog genoeg blijft. Een voorbeeld is het 4A11 materiaal van Ferroxcude en het '43' materiaal van Fair-Rite (o.a. verkocht door Amidon). Een spoel op dit materiaal bij een 36 mm. ringkern vertoont een impedantie van 7 Ohm op 1 MHz. voor een enkele winding, oplopend tot 65 Ohm op 30 MHz. Omdat de totale impedantie van zo'n spoel schaalt met het kwadraat van de windingen, wordt er al op relatief lage frequenties een voldoende hoge totale impedantie bereikt, zelf met een beperkt aantal windingen. Meer achtergronden over transmissielijn transformatoren is hier te vinden.

 

Een transmissielijn transformator met de juiste eigenschappen voor toepassing in een S-tuner, kan worden opgebouwd volgens bijgaande principes.

 

 

 

 

 

figuur 6: Gestileerde S-tuner transmissielijn transformator

 

 

In figuur 6 vinden we aan de generatorzijde twee transmissielijn in serie; over elke transmissielijn staat daarom de halve generatorspanning. Deze halve generatorspanning vinden we ook weer terug aan de andere zijde van de transmissielijn. Deze situatie is daarmee identiek aan de eerdere opbouw van de fluxtransformator. Ook hier wordt de condensator aangesloten in serie met deze spanningen, evenals de zelfinductie, waarmee de stroomweg weer wordt gesloten. Dit principe werkt prima, zolang de impedantie tussen de ingangen en uigangen van de transmissielijnen maar hoog blijft. Daarom worden bij dit soort transformatoren ferrietmaterialen toegepast op dezelfde wijze als in een mantelstroom smoorspoel. De buitenzijde van de transmissielijn krijgt daarmee een hoge impedantie, waarmee de uitgang van de transmissielijn op afdoende wijze wordt geïsoleerd van de ingang. In figuur 6 is dit aangegeven met de stippellijnen boven elke transmissielijn, die zo'n ferrietkern symboliseren. Een korte analyse leert verder dat de meest optimale, karakteristieke impedantie van elke transmissielijn 25 Ohm zou moeten zijn.

Een verdere analyse leert dat de stromen door de mantels van de beide transmissielijnen steeds in dezelfde richting lopen, en even groot zijn. De transformator kan dus op dezelfde ringkern worden gewikkeld, mits de wikkelingen in dezelfde richting blijven doorlopen.

De antenne wordt natuurlijk weer aangesloten parallel aan de spoel of de condensator, afhankelijk van het karakter van deze antenne; een antenne met een inductief karakter komt parallel aan de condensator, en omgekeerd met een capacitief karakter parallel aan de spoel. Denk er aan, dat dezelfde antenne beide karakters kan vertonen, afhankelijk van de specifieke werkfrequentie. Het is daarom verstandig om in beide mogelijkheden te voorzien.

 

In bijgaande foto is een mogelijke uitvoering van zo'n transformator te zien.

 

 

 

Figuur 7: Testuitvoering van een S-tuner, transmissielijn transformator

 

  

De transformator in figuur 7 werd voor de 'proef-of-concept'-test opgebouwd met 2,5 mm., 50 Ohm teflon coax, type RG316. Dit materiaal is geschikt voor een vermogen van 550 W. bij 10 MHz. en 350 W. bij 30 MHz., voornamelijk vanwege de dunne kern (lagere stromen) en dunne (maar wel teflon-) isolatie tussen de kern en de mantel. Misschien beter om voor vermogens vanaf 100 W. en t/m 50 MHz. het type RG180 (3,16 mm., teflon) toe te passen. Hieruit is tevens af te leiden dat het systeemvermogen van deze transformator voornamelijk wordt bepaald door het type transmissielijn.

Omdat het gehele elektromagnetische veld binnen de coax blijft, wordt het ferriet materiaal vrijwel niet belast. Ondermeer om deze reden kan voor het kernmateriaal een hoge permeabiliteit-type worden gekozen, waarbij de materiaalverliezen hoger zullen oplopen bij hogere frequenties. In Figuur 7 werd een 36 mm. ringkern van het materiaal 4A11 (ook: '43') toegepast, met een permeabiliteit van 700. Hierdoor vertegenwoordigen elk van de vijf windingen van hierboven een impedantie boven 1000 Ohm op 1,8 MHz., ruim voldoende voor deze functie.    

 

Aan de linker zijde zijn de transmissielijnen in serie geschakeld en worden aangesloten op de generator (transceiver). De aansluitingen van de spoel en de condensator volgen tussen de midden-ader en de mantel van de respectievelijke transmissielijnen, die op de foto dus nog los hangen.

 

Hoewel de analyse aangeeft dat voor deze transformator het beste 25 Ohm transmissielijnen kunnen worden toegepast, leverde de transformator van hierboven zeer goede resultaten vanaf 1,5 MHz. tot ruim boven 50 MHz., waarmee het doel van deze aanvulling (hogere frequenties, door minder spreidingszelfinductie) volledig werd bereikt.

      

 

Spanningen over de afstemcondensator

 

Bij een antenne tuner kunnen hoge spanningen optreden over de afstem condensator. Mede afhankelijk van het type tuner kunnen deze spanningen al bij een 'beperkt' vermogen van 100 W. gemakkelijk boven 2000 Vpiek komen en hiermee moet dus rekening worden gehouden bij de keuze van de componenten.

Waarom deze spanningen zo hoog worden is gemakkelijk in te zien. Als de s-match tuner goed is afgeregeld, is er geen spannings- / stroom-reflectie tussen de tuner en de transceiver (SWR=1) en 'ziet' de transceiver een reële belasting van doorgaans 50 Ohm. Dit staat los van wat er verder gebeurt tussen de tuner en de antenne; bij een slechte aanpassing van de antenne op de voedingskabel kunnen hier nog steeds verliezen optreden al zullen deze bij het gebruik van een symmetrische voedingslijn, waar de s-match voor bedoeld is, wel meevallen.

Bij de afgeregelde tuner loopt er een stroom in de primaire transformator wikkeling die gelijk is aan de wortel uit het toegevoerde vermogen gedeeld door deze 50 Ohm. We zagen eerder dat in een tuner met een groot afstembereik de transformator een (kleine) overzet verhouding heeft, die de stroom nog eens met deze verhouding verhoogt. Deze stroom loopt in het afstemcircuit en laat een spanning over de afstemcondensator ontstaan die evenredig is met de waarde van de reactantie (impedantie) hiervan. Hoe hoger deze reactantie, hoe hoger de spanning over de condensator.

Een klassieke afstemcondensator bestaat uit een stator en een rotor pakket, met daartussen een luchtspleet. Indien de spanning over deze luchtspleet te hoog wordt, kan overslag optreden, waardoor de impedantie van deze condensator plotseling heel laag wordt. De transceiver wordt dan belast met een veel te lage waarde waardoor er een reële kans bestaat op een defect.

 

Uit het voorafgaande is gemakkelijk een kleine formule af te leiden, die het verband aangeeft tussen het toegevoerde vermogen, de werkfrequentie en minimale waarde van de afstemcondensator ter voorkoming van zo'n overslag. Afhankelijk van de aan te passen antenne-impedantie moet de afstemcondensator wellicht een nog kleinere waarde krijgen, maar we nu zijn gewaarschuwd m.b.t. het maximaal toe te passen vermogen.

 

Cmin =  (√Pmax) / (n . p. 10-2 . f . Vmax)

 

waarin

Pmax    = maximale systeemvermogen

n         = transformatie verhouding; bij een 8 : 6 transformator als boven, dus: 0,75

f         = werkfrequentie in MHz.

Vmax   = maximaal toelaatbare spanning over de condensator in kV. Dit is afhankelijk van de plaatafstand; men

             rekent één kV / mm.  bij droge lucht

Cmin    = minimale condensator waarde in pF.

 

In de praktijk is het wat lastig om steeds deze minimale condensatorwaarde op te meten voordat het volle vermogen op de tuner wordt vrijgegeven. Bij toepassing van een variabele condensator met een cirkelvormig rotor pakket, is de capaciteit evenredig met de hoekverdraaing. Wanneer bij de rotor-as een schaal wordt aangebracht die de waarde '0' geeft bij de minimum condensatorwaarde en '10' bij de maximum capaciteit met een lineaire maatverdeling daar tussen, kan op deze schaal direct de minimale stand worden aangegeven voor een veilig gebruik van de tuner. De formule van hierboven gaat dan over in:

 

schaalwaarde = ((√Pmax) / (n . p. 10-2 . f . Vmax .(Cmax - Cmin))  -  10 . Cmin/ (Cmax - Cmin)

 

waarin alle aanduidingen als boven, plus

Cmax   = maximale waarde van de afstemcondensator (pF)

Cmin   = minimale waarde van de afstemcondensator (pF) plus de bedradingcapaciteit, te schatten op 5 - 10 pF. of te

             meten in de schakeling

 

Bij een gegeven s-match tuner liggen de waarden: n, Cmax, Cmin en Vmax vast, en kan de formule worden vereenvoudigd zodat alleen Pmax en de werkfrequentie als variabele overblijven.

 

Met of zonder 'bewaking' van de minimale condensator waarde (maximale condensator impedantie) is het zinvol om over de condensator een vonkbrug aan te brengen, die een net even lagere doorslagspanning heeft dan de condensator zelf. In geval van calamiteit vindt de vonkoverslag dan op een vooraf bepaalde positie plaats en niet 'ergens' in de tuner. Zo'n vonkbrug wordt gemaakt door twee gepunte metalen plaatjes naar elkaar te laten wijzen, waarbij de afstand tussen de puntjes net iets kleiner is dan de plaatafstand van de afstemcondensator. Zorg dat hier geen brandbaar materiaal in de buurt is.

 

 

Nawoord over de s-match antenna tuner

 

Algemeen

De s-match antenne tuner is een slimme schakeling, waarbij met een minimum aan componenten een goede symmetrische antenne tuner kan worden gerealiseerd met een groot afstembereik. Afhankelijk van de aard van de antenne impedantie (inductief of capaciteit) wordt de antenne aangesloten over de condensator of over de spoel.

Kritische componenten van de tuner zijn de transformator (spreidingszelfinductie!) en de afstemcondensator (hoge spanningen, als in elke antenne tuner).

 

De transformator

Een goede transformator voor deze tuner voldoet aan de volgende eisen:

 

-          Met een kleine transformatie naar omlaag (1 : 0,75) geeft de tuner het grootste afstembereik. .

-          Bij goed kern materiaal blijven de parasitaire effecten beperkt (parallel capaciteit en kernverliezen). Bij materiaal met een lage permeabiliteit zijn naast een kleine koppelfactor ook meer windingen nodig voor de gevraagde zelfinductie en wordt de parasitaire capaciteit hoger. Verder is een zo klein mogelijke capaciteit tussen de windingen van de transformator belangrijk voor een hoge impedantie naar aarde van elke feeder lijn. Ook dit is een reden om de windingen zo goed mogelijk over de omtrek van de kern te verdelen, waardoor de maximale afstand tussen de windingen ontstaat.

 

-          Koppeling tussen de wikkelingen is belangrijk:

·         kies een materiaal met een hoge permeabiliteit, dat hoog blijft over het hele toegepaste frequentie gebied (b.v. 4C65).

·         zorg dat alle windingen steeds het gehele magnetische veld ‘zien’ en gebruik hiervoor de hele kernomtrek.

·         Nog beter: pas het principe toe van de transmissielijn transformator, omdat hierbij een aantal van de bovenstaande eisen kunnen vervallen. Het juiste kernmateriaal is hierbij nog belangrijker vanwege de vereiste (hoge) impedantie tussen ingang en uitgang. Carbonyl materiaal is onbruikbaar, 4C65 (of '61') is marginaal (te veel windingen vereist in het lage HF bereik) en optimaal is 4A11 (of '43') materiaal.

 

 

De verdere antennetuner componenten

Voor de rest van de tuner zijn de volgende waarnemingen van belang:

-          Voor de afstemspoel is het bereik van 0,5 - 20 microHenry voldoende.

-          Voor de afstemcondensator is de laagste capaciteit erg belangrijk. Kies daarom voor een bereik van 20 - 350 pF, aan te vullen met parallel geschakelde vaste condensatoren tot ca 1500 pF).

 

Zorg voor een zo symmetrisch mogelijke opbouw, waarbij a-symmetrische componenten (b.v. afstem condensator) zo ver mogelijk van metalen kastdelen verwijderd moeten blijven.

Een tuner met een fluxtransformator in principe helemaal geïsoleerd t.o.v. aarde. Dat betekent ook dat alle elektriciteit in de lucht (onweer, statische ladingen) terecht komt tussen de windingen van de transformator. Dit kan aanleiding geven tot ‘sproei-effecten’ en daarmee ruis in de ontvanger. Het verdient daarom aanbeveling om de tuner hiertegen te beveiligen d.m.v. een hoog-Ohmige weerstand van b.v. enkele honderden kOhm ( 1 W.), vanaf een antenneklemmen naar aarde. De perfectionist brengt twee weerstanden aan, op elke antenneaansluiting een.

Een tuner met een transmissielijn transformator heeft dit probleem niet, omdat er steeds een gelijkstroomweg is tussen de antenne en de transceiver.

 

Bob J. van Donselaar

mailto:ON9CVD@AMSAT.org