Trefwoorden

 

Antenne voor 80

Balun

Voedingslijn

Tuner

Antenne gedrag

Op andere band

Hoeveel RG58

Betere TL

Betere antenne

Nog betere TL

Mix voeding

Welke TL

 

Waar blijft de PEP

(Eerder gepubliceerd in Electron # 4, 2006)

 

 

Inleiding

 

Een regelmatig terugkerende discussie op de HF-banden gaat over het verschil in waargenomen sterkte van de stations. Veel amateurs werken hier met transceivers die ca 100 Watt (kunnen) leveren terwijl de rapporten voor deze stations onderling soms meerdere S-punten kunnen verschillen. Ook luisteramateurs die beide stations kunnen ontvangen met een beetje centrale ligging constateren deze sterkte verschillen. In de discussie worden dan al snel 'de condities' verantwoordelijk gehouden, al blijken deze laatste verwonderlijk vaak alleen voor de zwakkere stations zo slecht te zijn.

 

Een tweede 'verantwoordelijke' voor de sterkte verschillen is het gebruikte antennesysteem. Over antennes is veel gepubliceerd en nog steeds verschijnen er nieuwe verhalen over nog weer meer bijzondere uitvoeringen. Natuurlijk maakt het veel uit of een antenne straalt in de richting van het ontvangende station en daar niet toevallig een 'dip' heeft. Ook een laag afstralende antenne met een 'nul' recht omhoog krijgt doorgaans een minder rapport bij lokaal verkeer op de lagere HF-banden maar is dan weer beter voor DX operaties.

 

Ook de beste antenne en de beste transceiver laten het echter afweten bij een slecht geconstrueerde stationsopbouw en over de verliezen die hier kunnen optreden wordt maar wonderlijk weinig geschreven. Het lijkt er op dat veel wordt gedaan aan deel-optimalisatie, maar dat de samenstelling van het geheel (transceiver, tuner, voedingslijn, balun, antenne) voor velen nog onbekend terrein is.

 

 

Het basis station

 

In dit verhaal gaan we de complete keten vanaf de transceiver tot aan het uitgestraalde vermogen in de antenne modelleren. We zullen voor elk onderdeel de optimale keuze bepalen en zien hoeveel vermogen er ondanks een goede keuze toch nog in de diverse componenten achter blijft. Het basis station is een transceiver die een vermogen kan leveren van 100 Watt in een weerstand van 50 Ohm. Deze (getransistoriseerde) transceiver dient beschermd te worden tegen SWR > 2 en moet daarom voorzien worden van een antennetuner die grotere misaanpassingen kan wegwerken.

We willen verder met deze transceiver graag op alle (HF) banden kunnen uitkomen.

 

 

De antenne

 

Het is bekend dat een antenne voor de laagste HF band de 'moeilijkste' component zal zijn vanwege zijn afmetingen bij resonantie-bedrijf. Laten we daarom beginnen met het ontwerp voor een eenvoudige dipoolantenne op 3.65 MHz. Hiervoor staan ons verschillende antenne-ontwerp programma's ten dienste, waaronder EZNEC-pro (ca Ä 75,-) en Mmana (gratis). Met deze programma's is een 'wens-antenne' snel ontworpen.

Met de specificaties als hiervoor vinden we dan:

antenne afmetingen:2 x 19,875 m.,

Antenne hoogte:††††††††††††††† 10 m.,

boven gemiddelde aarde ( ε= 5, geleiding = 13 mS).

 

Over de 80 m. band gedraagt deze antenne zich als tabel 1:

 

 

Dipool 2 x 19,875 m op 10 m. boven gemiddelde grond. Ontworpen voor resonantie op 3650 kHz

 

f

r

X

Z

SWR

(kHz)

Ohm

Ohm

Ohm

re 50 Ohm

3500

44,3

-74,4

87

4,3

3520

45,2

-64,3

79

3,6

3540

46,1

-54,2

71

2,9

3560

47,1

-44,2

65

2,4

3580

48

-34,2

59

2,0

3600

48,9

-24,1

55

1,6

3620

49,9

-14,1

52

1,3

3640

50,9

-4

51

1,1

3660

51,9

6,1

52

1,1

3680

53

16,1

55

1,4

3700

54,1

26,2

60

1,7

3720

55,1

36,4

66

2,0

3740

56,3

46,4

73

2,4

3760

57,4

56,5

81

2,8

3780

58,6

66,6

89

3,2

3800

59,7

76,7

97

3,7

††††††

Tabel 1: Dipool antenne voor 80 m.

 

We zien dat deze antenne inderdaad aan onze verwachtingen voldoet, met een lage SWR op de ontwerp frequentie en een bandbreedte van 140 kHz tussen de 'SWR = 2' punten; tussen deze punten kan de antenne dus bedreven worden zonder antenne-tuner.

Let op: De antenne heeft vrijwel overal een complexe impedantie en daarom moeten we voor alle verdere berekeningen (waaronder SWR) ook werken met complexe grootheden.

 

 

De balun

 

De ontworpen dipool antenne is symmetrisch van opzet en het (symmetrische) stralingspatroon willen we graag zo houden. We moeten daarom een overgang maken tussen de symmetrische antenne en de a-symmetrische transceiver; dit gebeurt met een 'balance naar un-balance' transformator, de balun.In voorgaande artikelen heb ik al verteld hoe je deze baluns ontwerpt en berekent, en daarom volsta ik nu met wat uitkomsten.

 

Om 'onzichtbaar' te zijn t.o.v. de samenstelling transceiver / antenne, dient de reactantie van de balun gelijk te zijn aan tenminste vier maal de bron impedantie:

Xl = 4 x 50 Ohm = 200 Ohm. We rekenen de balun uit op de laagste toepassingsfrequentie (3,5 MHz), waaruit volgt:

L = 200 / ω = 9,1 μH.

Een 36 mm. ringkern van 4C65 materiaal heeft een Al = 170 nH, waaruit het aantal windingen van de balun volgt:

n = √(9,1 / 0,17) = 7,3 (8).

 

Als we de balun maken als een trifilaire flux-transformator, dan dienen we dus vier trifilaire windingen op de balun te leggen, omdat de transceiver en de antenne steeds over twee wikkelingen in serie staan. Je komt soms de meest vreemde wikkelcombinaties tegen; alle wikkelaantallen hoger dan het hier berekende (op een 36 mm. 4C65 ringkern, vanaf 3,5 MHz), leveren alleen maar meer parasitaire capaciteit op en daarmee een verdere beperking van de hoogst bruikbare frequentie (meer is dus minder!).

 

Debeste 1 : 1 balun is overigens nog steeds de mantelstroom smoorspoel, waarvoor de berekening identiek verloopt en we dus acht wikkelingen moeten leggen om een 36 mm. 4C65 ringkern. Ook de balun heeft een complexe impedantie die parallel staat aan de complexe impedantie van de antenne. De berekening van deze complexe samenstelling is wat 'complex', maar goed te doen.

 

Zelfs een goed ontworpen balun is geen 'ideale' component en daarom zal hierin een (klein) deel van het toegevoerde vermogen worden opgenomen.

 

 

De antenne-voedingskabel

 

Volgens ons ontwerp hangt de antenne met de balun op 10 meter hoogte, en dienen we nog een verbindingmet de shack te maken. Omdat we al zijn overgegaan op een a-symmetrie situatie d.m.v. de balun, heb ik voor deze verbinding 10 meter RG58A coax voorzien (Belden 8259), met een demping van 2,76 dB per 100 meter op 3,5 MHz. De lengte lijkt een goede schatting wanneer we bedenken dat de coax ook binnenshuis nog via verschillende bochten bij de set moet komen. Het type coax is van een gemiddelde kwaliteit, die ieder nog wel heeft liggen en die ook veel wordt aangeboden op radiomarkten. Demping betekent dat er vermogen in de voedingskabel verloren gaat, en we zullen dit verliesvermogen moeten meenemen in het totale energiebudget.

 

 

De tuner

 

Aan het begin van de voedingslijn vinden we de tuner. Voor deze serie berekeningen heb ik steeds een L-type gekozen, met een spoel in de serie tak (Q = 200) en een condensator in de parallelle tak. Zo'n L-type gedraagt zich tevens als een laagdoorlaat filter en dat is altijd gunstig als we aan eisen tegen ongewenste uitstralingen moeten voldoen (onderdrukking van harmonischen).

 

Afhankelijk van de te transformeren impedantie staat de condensator aan de kant van de transceiver of aan de kant van de voedingslijn. Hoewel de tunerspoel een hoge kwaliteitsfactor heeft (is mogelijk mits spoel en draad van voldoende grote diameter), gaat hierin toch enig vermogen verloren en nemen we dit mee in het totale budget.

 

 

De samenstelling

 

Nu we het hele antennesysteem hebben beschreven, gaan we eens zien hoe dit totaal zich zal gaan gedragen op de frequentieband waarvoor we dit geheel hebben ontworpen. zie grafiek 1: Het samengestelde antenne systeem.

 

 

 

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††† Grafiek 1: Het samengestelde antenne systeem

 

 

 

†††††††

In grafiek 1 zien we allereerst de rode curve voor het gedrag van de dipool, zoals deze door een antenne berekeningsprogramma wordt gegeven. Het is duidelijk dat het ontwerp helemaal aan de eisen voldoet en keurig op de berekende frequentie van 3.65 kHz resoneert.

Als we echter de balun hebben aangebracht (de groene curve) zien we dat het resonantiepunt iets omlaag is geschoven samen met de'SWR = 2' punten. Nadat we de antennevoedingskabel hebben aangesloten krijgen we de blauwe curve en zien we wederom een kleine verschuiving naar van deze punten naar lagere frequenties. Als we onze antenne voor een specifieke frequentie willen ontwerpen, zullen we dus rekening moeten houden met deze verschuivingen.††††††††

 

In ons ontwerp hebben we rekening gehouden met een antenne tuner, zodat we de bovenstaande samenstelling kunnen aanpassen op de hele 80 m. band en we niet meer gebonden zijn aan de SWR = 2 punten met de beperkte bandbreedte van 140 kHz. Deze L-tuner dient dan de eigenschappen te hebben als in tabel 2: De tuner voor de 80 meter dipool.

 

 

L-serie antenne tuner

 

tuner

f

L

Cpar

verlies

kHz

μH

pF

Watt

3500

1,4

1341*

1,1

3520

1,4

1176*

0,9

3540

1,3

1008*

0,8

3560

1,2

838*

0,6

3580

1,1

662*

0,5

3600

0,96

472*

0,3

3620

0,69

238*

0,2

3640

0,74

158

0,2

3660

1,22

201

0,3

3680

1,56

175

0,4

3700

1,85

127

0,5

3720

2,1

70,2

0,5

3740

2,33

7,7

0,5

3760

3,2

357*

0,9

3780

3,42

535*

1,2

3800

3,47

689*

1,5

 

(*) C aan transceiver zijde

†††

Tabel 2: De tuner voor de 80 meter dipool.

 

 

In tabel 2 zien we dat de tuner met niet al te extreme componenten kan worden opgebouwd, hoewel de (variabele) condensatorwaarden op 3500 t/m 3560 kHz misschien niet direct voor handen zijn; parallelschakeling van een aantal vaste condensatoren kan hier natuurlijk altijd uitkomst brengen.

Let op: Met de (*) achter de condensator geef ik aan dat deze aan de transceiver zijde van de spoel geplaatst is; zonder deze aanduiding staat de condensator parallel aan de antenne voedingslijn.

 

In de berekening zien we dat er ook enig vermogen in de tuner wordt ontwikkeld, ondanks de goede componenten. Dit vermogen is in eerste benadering omgekeerd evenredig met de Q van de spoel en daarom dient hieraan enige aandacht te worden besteed. Nu alle componenten uit onze antenne-installatie bekend zijn, kunnen we eens gaan zien hoe de vermogenshuishouding gaat uitvallen in grafiek 2: Vermogensverdeling in een dipool voor 80 m.

 

 

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††††††††††††††††††††††† Grafiek 2: Vermogensverdeling in een dipool voor 80 m.

 

 

 

We constateren met genoegen dat vrijwel al het vermogen van de transceiver inderdaad door de antenne zal worden uitgestraald en dat er in de andere delen van de keten maar weinig energie'verloren' gaat. Het is opvallend, dat ondanks het gebruik van een antennevoedingskabel met een relatief geringe demping op deze frequenties, hierin toch het grootste deel van de verliezen ontstaat.

 

Verder blijkt ook uit dit plaatje dat we een goed systeem hebben ontworpen met een hoog antenne rendement. Als de antenne nu ook nog goed afstraalt, zal er niemandklagen over onze 'signaalsterkte' en kunnen we goede ontvangstrapporten verwachten (mits goede condities enz).

 

 

Andere banden

 

Nu we tevreden zijn met ons antennesysteem, willen we natuurlijk graag meer en zouden we deze antenne ook op andere banden willen toepassen. We zijn nu het punt genaderd dat aanleiding gaf tot dit artikel, vooral omdat er nogal lichtvaardig over brede-band antennes en baluns wordt geschreven zonder rekening te houden met de complexe zaken die zicht rondom de onderdelen van een antenne samenstelling kunnen voordoen.

Laten we allereerst eens gaan zien wat er gebeurt als we bovengenoemdeantenne toepassen op de 40 m. band. Tabel 3: De niet-aangepaste antenne, geeft hierop het antwoord.

 

 

 

kale dipool

samenstelling dipool

met balun

begin van de voedingskabel

tuner

ontvangst

 

 

 

SWR

uitge-

straald

 

 

SWR

balun

 

 

SWR

kabel

 

 

tuner

sterkte

f

r

X

re 50

vermogen

r

X

re 50

verlies

r

X

re 50

verlies

L

Cpar

verlies

verlies

(kHz)

Ohm

Ohm

Ohm

Watt

Ohm

Ohm

Ohm

Watt

Ohm

Ohm

Ohm

Watt

μH

pF

Watt

S-punt

3650

51,4

0

1

94,3

49

10

1

0,0

57,6

-11

1

5,5

0,96

188

0,2

0,0

7050

5530

911

114

13,3

41

466

108

0,9

4,5

31

15

84

2,08

898

1,8

1,5

 

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††† Tabel 3. De niet-aangepaste antenne

 

 

In tabel 3 zien we een vergelijking van het gedrag van onze goede antenne voor de 80 m. band met het gedrag van dezelfde antenne op de 40 m. band. De kale dipool vertoont op deze laatste band een hoge, complexe impedantie die begrijpelijk wordt als we bedenken dat de antenne hier vrijwel een hele golflengte lang is. Als gevolg van deze hoge impedantie vinden we ook een hoge staande golf verhouding (SWR) t.o.v. 50 Ohm.

De parallel schakeling van de antenne met de balun brengt het reŽle deel van de antenne impedantie weleenswaar terug tot een lage waarde, maar het grote imaginaire deel zorgt er toch voor dat de totale SWR nauwelijks is veranderd. In de balun blijkt nu ca 0,9 Watt verloren te gaan; dit ligt ruim binnen de grens van 4 Watt voor dit deze ringkern en is dus alleszins aanvaardbaar.

 

De niet-afgesloten voedingslijn transformeert de impedanties van het ene uiteinde naar het andere waardoor de SWR binnen aanvaardbare proporties lijkt te komen (SWR gaat van 108 naar 15). Hierdoor moeten we ons echter geen zand in de ogen laten strooien omdat deze lagere SWR samenhangt met grote verliezen in de voedingskabel; ca 84 Watt van het totaal beschikbare vermogen van 100 Watt gaat hierin verloren. We zijn ons hier overigens nauwelijks van bewust, want de tuner vraagt geen abnormale instelling (L = 2,08 μH, C = 898 pF). Ook de verliezen in de tuner zijn met

1,8 Watt goed aanvaardbaar.

 

Na aftrek van de verliezen in de balun, de kabel en de tuner blijft er voor de antenne nu nog maar 13,3 Watt over aan uit te stralen vermogen; het niet voor deze band ontworpen antenne systeem laat dus 86,7 % van de beschikbare energie verloren gaan tussen de transceiver en de antenne!

 

Wat merkt ons radiocontact aan de andere zijde van deze verliezen? We weten dat voor elke factor vier teruggang in vermogen, de waargenomen sterkte van het station met een S punt zal dalen; in formule: S-punt = 10/6 log(Pmax/Pactueel).††

 

Nadat we gezien hebben dat er op de 40 meter band nog maar 13,3 Watt aan antennevermogen beschikbaar is, kunnen we berekenen dat ons sterkte rapport bij het tegenstation zo'n 1,5 S-punt lager zal uitvallen dan het rapport dat we eerder ontvingen van datzelfde station op de 80 m. band. Sommigen vinden zo'n verlies misschien gering, maar de gevolgen van dit energieverlies kunnen groot zijn in een pile-up of onder moeilijke omstandigheden (QRM/N); het kan het verschil maken tussen contact of geen contact.††††

 

De verschillen in gedrag tussen de aangepaste en niet-aangepaste antenne krijgen reliŽf als we de getallen voor de

40 meter band (7050 kHz) vergelijken met die voor de 80 meter band (3650 kHz, de regel er boven). Het is duidelijk dat als we een antenne gebruiken in een onaangepaste situatie, er veel energie verloren gaat.

 

Kijken we naar het gedrag van dit antennesysteem voor de andere amateur banden, dan vinden we soortgelijke verliezen. Ik heb e.e.a. eens uitgezet in de vorm van z.g. staafdiagrammen, en dan springen de grote verliezen t.g.v. de hoge SWR onmiddellijk in het oog (zie grafiek 3).

 

 

††††† Grafiek 3.Vermogensverdeling van de 'dipool voor 80 m.' op alle HF-banden bij 100 W. ingangsvermogen

 

††††††††††††††††††††††

In grafiek 3 zien we dat onze dipool, die ontworpen was voor de 80 m. band daar ook zeer goed op presteert (veel rood). Op alle andere banden is de SWR erg hoog en daardoor blijft het beschikbare vermogen in de antenne ver achter bij het mogelijk haalbare.

Verder blijken de verliezen in de antenne voedingskabel veruit dominant zijn t.o.v. van alle andere verliezen in het antennesysteem. Ook zien we dat ons tegenstation van al deze verliezen maar weinig zal merken; t.o.v. het hoogst haalbare blijft ons signaal maar 1 tot 1,5 S-punt achter. Dit verschil kanechter significant worden in ongunstige omstandigheden en is vaak de aanleiding tot de discussies die al in de inleiding werden genoemd.

In een vorig artikel hadden we al gezien dat het maximale vermogen in de 36 mm. ferriet ring mag oplopen tot 4 Watt voor een maximale temperatuurverhoging in dit materiaal van ca 30 K. Dankzij de hoge verliezen in de kabel wordt dit maximum vermogen bij een ingangsvermogen van 100 Watt op geen enkele band overschreden en kan de ringkern balun veilig worden toegepast, zie het geringe aandeel van de kleur groen in de grafiek.

 

 

Een zijsprongetje

 

Waarom meer verliezen?

Het is wellicht wat moeilijk voor te stellen waarom een voedingskabel (RG58) die in afgesloten toestand een verlies vertoont van 2,76 dB per 100 meter, nu verliezen laat zien van vele dB's over een afstand van slechts 10 meter, en tot 84 % van het toegevoerde HF-vermogen in een 100 Watt situatie in warmte omzet.

In formule-vorm ziet dat er altijd enigszins onoverzichtelijk uit, maar het wordt wat meer inzichtelijk als we de volgende modellen bekijken, die overigens alleen bedoeld zijn om inzicht te verwerven (figuur 1).

 

 

 

 

††††††††††††††††††††††††††† a

†††††††† †††††††††††††††††††††††b

Figuur 1: De transmissielijn wordt meerdere malen doorlopen

 

 

In figuur 1a zien we een generator met een transmissielijn en een verbruiker. De verbruiker sluit de transmissielijn af met zijn karakteristieke impedantie waardoor alle aangevoerde energie hierin wordt geabsorbeerd.

 

In figuur 1b sluit de verbruiker de transmissielijn niet af met zijn karakteristieke impedantie. Een gedeelte van de aangevoerde energie wordt nu gereflecteerd, en wel des te meer naarmate de afwijking van de juiste afsluiting groter is; in formulevorm:

 

ρ = Er / Ef

 

waarin

ρ (rho) = reflectie coŽfficiŽnt (complex)

Ef†† ††††††† =†† voorwaartse spanningsgolf

Er†† ††††††† = gereflecteerde spanningsgolf

 

Als nu de generator ook een andere impedantie laat zien dan de karakteristieke impedantie van de transmissielijn, vindt hier opnieuw reflectie plaats en wordt wederom een deel van de aangevoerde energie gereflecteerd. *)

 

*) Let op: In ons geval bestaat de 'generator' uit onze zender die een uitgangsimpedantie heeft die niet gelijk is aan 50 Ohm! De fabrikant heeft een afsluitweerstand van 50 Ohm voorgeschreven omdat de eindtrap van de zender werd ontworpen om bij deze 'impedantie' zijn maximale vermogen af te geven. Omdat de eindtrap hierbij doorgaans 'op zijn tenen staat' kan deze zelfs beschadigd worden als de afsluitweerstand afwijkt van deze 50 Ohm.

De voorgeschreven afsluitweerstand heeft echter niets te maken met de uitgangsimpedantie van de zender. Ik kom daar in een ander verhaaltje nog op terug.

 

We zijn wat meer vertrouwd met het SWR-begrip en er bestaat natuurlijk ook een verband tussen SWR en ρ, en wel:

 

| ρ| = (SWR - 1) / (SWR + 1)(verticale strepen voor de absolute waarde)

 

Bij een SWR = 10, wordt ρ = 0,82 en dat betekend dat 82 % van de aanvoer wordt gereflecteerd. Hiervoor zagen we al dat in antenne-systemen gemakkelijk nog veel hogere reflectiefactoren (SWR) kunnen optreden. Het is dus duidelijk dat de transmissielijn vele malen 'doorlopen' gaat worden, waarbij we iedere maal geconfronteerd worden met de kabeldemping.

 

 

 

Een tweede voorstelling gaat uit van het begrip SWR. Een voorstelling hiervoor vinden we in figuur 2.

 

 

 

 

a

b

 

Figuur 2: Meer verliezen door grotere stromen en spanningen

 

In figuur 2a zien we opnieuw een generator, een transmissielijn en een verbruiker. Omdat de gebruiker in dit geval de karakteristieke impedantie van de transmissielijn vertoont en er dus op de lijn geen reflectie optreedt, zijn de spanning en stroom op elke plaats van de lijn gelijk en ook gelijk aan de spanning en stroom op en door de verbruiker.

 

In figuur 2b vertoont de verbruiker niet de karakteristieke impedantie van de transmissielijn en wordt een gedeelte van de spanning (en stroom) gereflecteerd, zoals we hierboven ook al zagen. Op de transmissielijn zal nu een staande golf optreden, waarvan de verhouding tussen de maximale en minimale waarde van de spanning (en stroom) direct gegeven wordt door de Standing Wave Ratio (SWR; Staande Golf Verhouding). Dat betekent dat de spanning op de transmissielijn plaatselijk veel hoger kan worden dan in de juist-afgesloten situatie, waardoor de dielectrische verliezen veel groter worden. Voor de stroom door de transmissielijn geldt hetzelfde waardoor ook de (Ohmse) verliezen plaatselijk veel groter worden. Bij grote vermogens kan daarom bij hogere SWR in de kabel overslag optreden of kan deze plaatselijk doorbranden / smelten.

 

Hoewel beide voorgaande voorstellingen alleen modellen zijn, wordt hiermee misschien toch wat meer duidelijk over de toenemende verliezen in een transmissielijn bij toenemende SWR.

 

 

Welke SWR is nog toelaatbaar?

Om een voorstelling te krijgen van de staande golf verhoudingen die we in een antenne voedingskabel kunnen toestaan, nemen we even aan dat het verlies van 0,5 S-punt aan ontvangen signaal (dus halve vermogen) nog juist toelaatbaar is.

Vervolgens berekenen we de maximaal toelaatbare SWR op elke frequentie bij toepassing van een 10 meter lange voedingskabel van het type RG58A, met 2,76 dB verlies per 100 meter op 3,5 MHz. We vinden dan grafiek 4: Maximale SWR voor 50 % vermogensverlies.

 

Van deze grote misaanpassingen vinden we overigens maar een deel terug aan de ingang van de voedingslijn; voor SWR < 50 blijkt de staande golf verhouding aan de ingang van de kabel teruggelopen tot minder dan de helft van de waarde bij de antenne. Als we dus de SWR meten aan de ingang van de antenne voedingslijn krijgen we steeds een te rooskleurig beeld over wat er verderop in de kabel gebeurt.

 

 

 

††††††††††††† ††††††††††††††††††††Grafiek 4: Maximale SWR voor 50 % vermogensverlies

 

 

 

In grafiek 4 valt op dat we tot ca 3 MHz best hoge misaanpassingen kunnen toestaan (SWR > 50), dat we tussen 3 en 20 MHz liever niet veel meer dan SWR = 10 moeten toepassen en dat we boven de 20 MHz beter zorgvuldig kunnen omgaan met elke vorm van misaanpassing als we dit type kabel gebruiken voor de gegeven lengtes.

 

 

Betere voedingskabel

 

Zoals we zagen worden de altijd aanwezige verliezen in de antenne voedingskabel als het ware 'versterkt' door de hoge SWR die ontstaat bij een niet op de kabelimpedantie aangepaste antenne. We zouden ons daarom kunnen afvragen of een voedingskabel met lagere verliezen hier niet zou kunnen helpen. Om dit te testen, heb ik hetzelfde systeem als hiervoor nu uitgerust met RG213 kabel (Belden 8267) met een verlies van 1,194 dB / 100 m. op 3,5 MHz. De tuner stemt alle reactantie weer weg en transformeert de hoge impedanties (grote SWR) keurig naar de waarde van 50 Ohm (SWR = 1), die de transceiver graag ziet. Deze laatste levert weer 100 Watt, als in onze eerdere voorbeelden. Het vermogensbudget ziet er nu uit als in tabel 4: Vermogensverdeling bij gebruik van RG213.

 

 

f

tuner verlies

kabel verlies

balun verlies

antenne vermogen

sterkte verlies

(kHz)

Watt

Watt

Watt

Watt

S-punt

3650

0,2

2,4

0,0

97,4

0,0

7050

3

69,4

1,7

25,9

1,0

10125

2,5

50,7

2,3

44,5

0,6

14175

5,4

59,4

3,1

32,1

0,8

18118

2,1

40,9

1,8

55,2

0,4

21225

4,5

59,7

5,0

30,8

0,9

24940

1,4

61,1

6,1

31,4

0,8

28850

2,4

62,3

7,7

27,6

0,9

 

†††††††††††††††††† Tabel 4: Vermogensverdeling bij gebruik van RG213 coax

 

 

Als we tabel 4 vergelijken met de 'taartpunten' grafieken, dan zien we dat de betere kabel inderdaad zijn vruchten afwerpt; we houden gemiddeld bijna twee maal zoveel vermogen over op de antenne en hebben daarmee ca 0,5 S-punt gewonnen bij ons tegenstation t.o.v. de vorige situatie met RG58A coax. Desondanks zijn we als gevolg van de niet veranderde, hoge SWR nog steeds een aanzienlijk deel van het vermogen 'kwijt' en verliezen we ongeveer 1 S-punt t.o.v. de situatie met een goed aangepaste antenne.

In tabel 4 zien we ook dat we iets moeten doen aan de balun; het hierin ontwikkelde vermogen is nu vanaf de 15 m. band (21225 kHz) te hoog geworden voor een enkele 36 mm. kern (max. 4 Watt); het kernvolume dient hier ongeveer verdubbeld te worden.

 

 

Betere aanpassing

 

Uit bovenstaande berekeningen blijkt de hoge SWR steeds de boosdoener bij het ontstaan van de grote kabelverliezen. Het is daarom aardig om eens te zien wat er gebeurt bij een antenne die speciaal ontworpen werd om op een aantal HF banden een lage SWR te vertonen t.o.v. 50 Ohm (antenne in resonantie). Ik doel hierbij op de ook op deze web-site beschreven "Multiband trap antenne". Het hierin beschreven model 9 bestaat uit een dipool van twee maal 12,6 meter lengte, hierna (aan beide zijden) een trap bestaande uit een spoel van 5,4 μH met daaraan parallel een condensator van 73,3 pF en na de trap aan iedere zijde nog een draad van 5,3 meter.

 

Ook de 'traps' nemen vermogen op en in de berekeningen heb ik de Q van de spoel gesteld op 150 omdat bij buiten gebruik een Q van 200 niet lang in stand blijft t.g.v. oppervlakte corrosie.

 

In het ontwerp wordt de antenne gevoed met een transmissielijn trafo met een (impedantie-) transformatie verhouding 1 : 2,25. De antenne werd ontworpen voor de 80, 40, 20, 15 en 10 m. band en wordt aangepast op de transceiver m.b.v. de ingebouwde (vaak automatische) tuner met een aanpassingsbereik tot max. SWR = 4. Er is geen bijzondere antenne voedingskabel voorzien dus heb ik voor het rekenmodel weer de 'standaard' RG58A kabel gebruikt met een verlies van 2,76 dB / 100 m. op 3,5 MHz.

 

Voor deze analyse heb ik de 'multiband antenne' uitgevoerd met dezelfde 1 : 1 balun als in ons eerste voorbeeld met de dipool antenne voor 80 meter. In werkelijkheid zal de 'multiband antenne' daarom nog wat beter presteren. Voor een goede vergelijking tussen de resonerende (door de toepassing van 'traps') en niet-resonerende antenne situatie, geeft de toepassing van een gelijke balun hier het meeste inzicht. De vermogensverdeling gaat er nu uit zien als in

tabel 5: Vermogensverdeling in de 'multiband trap antenne'.

 

 

 

tuner

SWR

kabel

SWR

balun

trap

antenne

sterkte

f

verliezen

re 50

verliezen

re 50

verliezen

verliezen

vermogen

verlies

(kHz)

Watt

Ohm

Watt

Ohm

Watt

Watt

Watt

S-punt

3650

0,4

1,7

9

1,8

0,04

0,8

89,8

0,1

7050

0,1

1,6

11,1

1,7

0,09

17,1

71,6

0,2

10125

2,1

14,1

79

72,7

1,48

0,4

17,0

1,3

14175

1,2

3,1

21,9

3,8

0,42

2,5

74,0

0,2

18118

1,9

9,5

82,1

57,6

1,52

0,2

14,2

1,4

21225

0,6

3,0

26,8

3,8

0,81

0,9

70,9

0,2

24940

1,4

8,3

82

48,9

3,40

0,0

13,2

1,5

28850

0,9

3,0

33,9

4,2

1,49

0,0

63,7

0,3

 

†††††††††††††††††††††††††† Tabel 5. Vermogensverdeling in de 'multiband trap antenne'.

 

 

In tabel 5 zien we dat het ontwerp inderdaad voldoet aan de eis van een hoog antenne rendement op de banden waarvoor deze is ontworpen; op de 80, 40, 20, 15 en 10 meter banden (rode getallen) blijft het ontvangststerkte rapport niet meer dan enkele tienden van een S-punt achter bij het hoogst haalbare (wordt nog beter bij toepassing van juiste transformator)! De antenne voldoet hiermee ruimschoots aan de verwachtingen.

 

Zoals te verwachten was is het rendement op de andere banden (30, 17 en 12 meter) ook bij deze antenne erg laag omdat de antenne niet in resonantie is op deze banden en een hoge SWR laat zien t.o.v. 50 Ohm. Op de banden waarvoor de antenne niet was ontworpen blijft wederom een groot deel van het toegevoerde vermogen achter in de antenne voedingskabel en merken we dat door lagere ontvangststerkte rapporten.

 

Let vooral eens op de transformerende eigenschappen van de antenne voedingskabel; op de 30 meter band lezen we bij de tuner af: SWR = 14,1 terwijl de SWR bij de antenne toch een waarde heeft van 72,7! Iets dergelijks vinden we op de andere, niet resonerende banden: 17 meter band: SWRin = 9,5 met SWRuit = 57,6en de 12 meter band:

SWRin = 8,3 met SWRuit = 48,9. Een relatief gunstige SWR aan de ingang van de antenne voedingskabel is dus geen enkele garantie voor een geringe kabeldemping!

 

Aan de balun worden geen bijzondere eisen gesteld omdat het hierin ontwikkelde vermogen steeds beneden de maximale waarde van 4 Watt voor de 36 mm. ringkern blijft.

 

Een beetje tot mijn verrassing blijkt er op de 40 meter band enig vermogen in de 'traps' ontwikkeld te worden (ca 8,5 Watt in elk), ondanks de toch hoge Q factor van 150. Dit is een indicatie dat bij het ontwerp van trap antennes aandacht moet worden besteed aan de kwaliteit van de onderdelen en dat de lage Q's, die men in sommige 'trap'-ontwerpen tegenkomt (zoals coax-traps met gedistribueerde capaciteit) beter vermeden kunnen worden!

††††††††††

 

Nog betere voedingskabel

 

Vooral vroeger werkten zendamateurs veel met symmetrische voedingslijnen. Deze helpen niet erg bij het verbeteren van de vaak 'wilde' antenne impedanties die kunnen optreden bij niet-afgestemde antennes. De demping van dit type voedingslijn is echter dermate laag (0,104 dB/100m. op 3,5 MHz), dat er ondanks de hoge staande golf verhoudingen toch maar zeer weinig verliezen zullen optreden.

 

Om e.e.a. na te rekenen heb ik de dipool uit het begin genomen en deze via 10 meter 600 Ohm open lijn aangesloten op een symmetrische tuner. We vinden dan de vermogensverdeling volgens tabel 6: Vermogensverdeling in dipool voor 80 m. met 600 Ohm lijn

 

 

 

kabel

tuner

antenne

sterkte

f

verlies

verlies

vermogen

verlies

(kHz)

Watt

Watt

Watt

S-punt

3650

1,5

5,6

92,9

0,1

7050

1,5

6

92,5

0,1

10125

2,2

4,4

93,4

0,0

14175

1,5

4,7

93,8

0,0

18118

1,7

5,3

93

0,1

21225

1,6

4,5

93,9

0,0

24940

2,4

4,9

92,7

0,1

28850

1,7

4

94,3

0,0

 

Tabel 6. Vermogensverdeling in dipool voor 80 m. met 600 Ohm lijn

 

We zien dat er ondanks de nog steeds hoge staande golf verhouding (de antenne is niet veranderd en nog steeds het ontwerp van de dipool voor 80 meter) vrijwel geen vermogen verloren gaat in de voedingskabel en dat het ontvangststerkte verlies vrijwel tot nul is gereduceerd.

 

Let op 1. Deze tabel gaat er van uit dat er geen verdere verliezen optreden dan de hier genoemde. Dat zou in de praktijk toch wel wat kunnen tegen vallen. Om echt 'verliesvrij' te kunnen zijn moet de open voedingslijn geheel vrij kunnen hangen tussen het voedingspunt aan de antenne en de symmetrische tuner. In de praktijk is dit moeilijk te verwezenlijken. Meestal moet het voedingspunt van de antenne om mechanische redenen ondersteund worden en wordt de open voedingslijn langs dit steunpunt omlaag geleid. Bij een open voedingslijn treedt het veld enigszins buiten de directe verbindingslijn tussen de geleiders en alle 'obstakels' die zich in dit veld bevinden gaan bijdragen aan de lijnverliezen, zo ook b.v. de muur waarlangs de open lijn omlaag wordt geleid. Verder bevindt de shack zich op onze breedtegraad meestal binnenshuis en is ook de doorvoer van de open lijn meestal niet geheel verliesvrij.

Niet onvermeld mag blijven dat ook de natuur zijn gang gaat met een open lijn waardoor er tussen de geleiders van alles kan gebeuren: tussengewaaid tuinafval, insecten (nesten / webben), mos en algen (spreiders!), vogelnestjes enz. Ook het weer kan enige invloed uitoefenen op de eigenschappen van deze transmissielijn (regen, sneeuw). Veel omhullingen (300 Ohm TV kabel, 450 Ohm opengewerkte lijn) kunnen verder slecht tegen UV stralen, worden op den duur minder soepel en gaan barstjes vertonen waar vocht in komt en de demping drastisch door omhoog loopt.Een open lijn dient daarom regelmatig te worden onderhouden om zijn goede, verliesvrije eigenschappen te kunnen behouden.

 

Dit geldt in veel mindere mate voor coaxkabel omdat alle eigenschappen zich hierbij binnen in de afgesloten/ volgespoten omhulling bevinden, dat doorgaans goed UV bestendig is. Als ook de aansluitpluggen goed voorzien zijn van zelfvulkaniserende tape, kan een goede coaxverbinding vele jaren meegaan zonder noemenswaardig onderhoud.

Let op 2. Een goede, symmetrische en 'verliesvrije' antennetuner die de hoge spanningen kan weerstaan zoals deze optreden in deze soms hoog-Ohmige, niet aangepaste antenne situatie is geen eenvoudig apparaat. Niet alleen vraagt de opbouw om speciale maatregelen om nabijheideffecten (handeffect) te vermijden maar ook is het vanwege de hoge impedanties niet eenvoudig om de symmetrie te handhaven tot het moment dat de tuner over gaat in de a-symmetrische transceiver. Verder treden er ook bij een betrekkelijk laag vermogen van 100 Watt al spanningen op tot meer dan 1 kV., waardoor speciale aandacht moet worden besteed aan de onderdelen en de mechanische opstelling daarvan. Als gevolg van deze speciale eisen komt men deze symmetrische tuners dan ook zelden tegen op radio markten en als ze er zijn, dan tegen forse prijzen.

 

 

Een compromis?

 

Als laatste heb ik een antennesysteem gemodelleerd, waarbij onze 80 meter dipool met een open voedingslijn van 10 meter naar de shack gaat, daar wordt aangesloten op een balun en vervolgens met een a-symmetrische tuner wordt aangepast op de transceiver. De resultaten vinden we in tabel 7: Impedanties en vermogensverdeling van de 80 m. dipool met 600 Ohm line en a-symmetrische tuner.

 

 

 

dipool voor 80m

zwaardere balun

Parallel schakeling van balun aan voedingslijn

 

 

 

 

 

 

SWR

 

 

balun

 

SWR

kabel

tuner

antenne

sterkte

f

r

X

re 600

Xr

Xl

verlies

r

X

re 600

verlies

verlies

vermogen

verlies

(kHz)

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Ohm

Watt

Ohm

Ohm

Ohm

Watt

Watt

Watt

S-punt

3650

51,4

0

11,7

0,8

493

1,1

22

282

34,0

1,5

6,2

91,2

0,1

7050

5530

911

9,5

5,3

952

0,0

63

14

9,6

1,5

0,4

98,1

0,0

10125

119

-516

8,9

21,9

1423

5,0

405

1352

9,6

2,2

6,1

86,7

0,1

14175

1828

1656

5,7

76

2299

4,4

754

1357

6,0

1,5

4,8

89,3

0,1

18118

108

-308

7,1

156

3076

1,6

94

292

7,9

1,7

2,9

93,8

0,0

21225

908

1299

5,1

390

3626

0,6

132

-109

4,7

1,6

1

96,8

0,0

24940

190

-639

6,9

755

4180

13,6

3393

236

5,7

2,4

4,8

79,2

0,2

28850

949

1209

4,6

1341

4710

12,6

1797

987

4,0

1,7

4

81,7

0,1

Tabel 7. Impedanties en vermogensverdeling van de 80 m. dipool met 600 Ohm line en a-symmetrische tuner

 

 

In tabel 7 zien we de vermogensverdeling voor de dipool uit het begin, nu gevoed met symmetrische 600 Ohm voedingslijn. Zoals we al eerder zagen en nu opnieuw uit de tabel kunnen aflezen, kunnen de impedanties aan het begin van de voedingslijn hoge waarden aannemen.Het is dus zaak daar met de balun tussen de voedingslijn en de tuner rekening mee te houden. In dit model heb ik daarom de eerder berekende balun uitgevoerd met twee 36 mm. ringkernen en het aantal windingen verder constant gehouden. Niet alleen verdubbeld daardoor het toegestane vermogen in de balun maar wordt ook de eigen impedantie van de samengestelde balun verdubbeld.

 

Nog steeds geldt dat voor een goede balancerende werking, de balun elektrisch 'onzichtbaar' moet zijn t.o.v. de impedanties waarop deze wordt aangesloten; als we in tabel 7 de impedanties van de antenne en de balun op diverse frequenties met elkaar vergelijken, dan zien we dat we hierin vanaf de '17 meter' band redelijk zijn geslaagd. Voor de 40, 30 en 20 meter band zullen we nog wat meer ons best moeten doen; meer ferriet resp. meer windingen (denk om de effecten van de toenemende parasitaire capaciteit voor de hogere banden).

Uit dit voorbeeld leren we tevens, dat we voorzichtig moeten zijn met ontwerpen van a-symmetrische antennetuners, met een vrij willekeurige balun aan de uitgang. Je komt soms ontwerpen tegen met een 36 mm. ringkern balun op ijzerpoeder basis (Al = 32) waardoor de impedanties zeer laag kunnen uitvallen t.o.v. de omgeving (tuner, antenne impedantie). Vergelijk dit met de balun uit ons ontwerp met de dubbele 36 mm. ferriet ringkern met Al = 340, die nog juist voldoet op de hogere banden. De balun op ijzerpoeder basis zou dus ruim drie maal zoveel windingen moeten hebben voor dezelfde zelfinductie als de balun op ferriet basis.

Omdat het ijzerpoeder materiaal een hoge geleidbaarheid heeft, zal dit grotere aantal windingen, per winding, ook nog eens een grotere parasitaire capaciteit vertonen waardoor we deze balun waarschijnlijk niet op alle HF-banden zullen kunnen toepassen.

††

Ondanks de toepassing van ferriet materiaal zien we dat het verliesvermogen in de balun op de twee hoogste banden boven de maximum waarde van (2 x 4 = 8 Watt) ligt, waardoor we voorzichtig moeten zijn bij gebruik van deze balun in continu bedrijf. Zoals we in eerdere artikelen al aangaven is het gebruik van de balun geen probleem bij de modes: CW, AM, EZB en wordt het oppassen bij FM.

 

Let ook eens op de hoge staande golf verhouding die ons nu geen problemen oplevert dankzij de geringe verliezen in de voedingskabel. Ook het soms grote verschil in SWR aan het begin en einde van de voedingskabel is opvallend en daarmee worden we wederom geattendeerd op de transformaties die optreden bij niet-karakteristiek afgesloten transmissielijnen.

 

Als we bovenstaande beperkingen in acht nemen, dan blijken we nu een antenne te hebben met een hoog rendement over het gehele HF gebied. De (nu a-symmetrische L-)tuner waarden liggen gelukkig ook binnen een aanvaardbaar gebied (18 μH < L < 0,6 μH, 280 pF < C < 15 pF) zodat deze met niet al te extreme middelen geconstrueerd kan worden.

 

We zullen daarom de constructie van ons antennesysteem-met-open-lijn ( 2 x 19,875 meter) moeten afwegen tegen het gemak van de coax gevoede, multiband-trap-antenne (2 x 17,6 meter). Afhankelijk van de situatie ter plaatse zal de balans in de ene of andere richting doorslaan. In alle gevallen houden we echter een goed ontworpen antennesysteem over, dat op veel HF banden een hoog antenne rendement zal laten zien.

 

 

Conclusies

 

Uit de voorgaande modellen en berekeningen kunnen we een paar korte en nuttige conclusies trekken.

Coax voeding: gebruiken we alleen bij afgestemde antennes (geen reactantie); de impedantie van de antenne zal dan minimaal zijn, wat weer een lage SWR oplevert t.o.v. een coaxiale transmissielijn, waarbij 50 Ohm geen 'heilige' waarde is. Voorbeelden van een afgestemde antenne zijn o.a. een monoband dipool, een cluster van afgestemde dipolen per band (spinnenweb) en een (multiband) trap dipool.

Voordelen van coax voeding zijn de gemakkelijke verwerking / bevestiging / doorvoeren, grote weer en UV bestendigheid, eenvoudige (a-symmetrische) tuner en laag-ohmige balun (bij de antenne).

Nadelen: zie de voordelen van open lijn voeding.

 

Open lijn voeding:gebruiken we bij voorkeur bij niet-afgestemde antennes, waarbij de impedanties 'wild' kunnen variŽren. De SWR t.o.v. elke transmissielijn zal dan hoog zijn, maar door de lage verliezen van de open lijn hebben we daar geen last van.

Voordelen van open lijn voeding zijn de lage verliezen (ook bij hoge SWR), gemakkelijk zelf te construeren.

Nadelen: zie de voordelen van coaxiale voeding, plus de optredende hoge spanningen op de lijn, in de tuner en eventueel de balun, ook bij betrekkelijk lage vermogens.††††††††††

†††††††††††††††††††††††††††††††††††††

Afwegingen bij multiband antennes: de complexiteit van antenne zoals het combineren van meerdere afgestemde antennes en / of het maken van 'traps' tegen de complexiteit van antennevoeding zoals de kwetsbare open lijn, de symmetrische tuner en / of de hoog-ohmige balun.

 

In alle gevallen is het belangrijk om altijd het hele systeem vanaf de transceiver tot en met de antenne door te rekenen op elke toepassingsfrequentie om de juiste componenten en verliezen te kunnen bepalen en daarmee verrassingen met verdwenen vermogen, overslag (tuner) of overbelasting (balun) te voorkomen.

 

 

Bob J. van Donselaar

mailto:on9cvd@amsat.org