Antennes, voedingslijnen en aanpassingen

Gezien de verwarring en onduidelijkheid, die er bestaat op het gebied van antennes en aanverwante onderwerpen, zowel bij beginnende amateurs als bij de geroutineerden, kan dit artikel wellicht bijdragen tot een verheldering inzake de koppeling tussen zender en antenne.

De antenne als belasting

Het merendeel der zenders en ontvangers wordt ontworpen voor een 50-70 ohm belas - ting (asymmetrisch). Uitzonderingen hierop zullen in dit bestek buiten beschouwing worden gelaten. Wanneer de staande golf verhouding (SGV) bij deze zenders slechter is dan 2 kan het gebeuren, dat de amateur zijn eindtrap niet meer maximaal kan afregelen.

We veronderstellen een dipool antenne, waarvan de impedantie op het voedingspunt exact 50 ohm is. Indien deze antenne wordt gevoed met 50 ohm coax-kabel, dan is de zender-belasting ook precies 50 ohm. Dit gaat echter slechts op voor den frequentie of een zeer kleine frequentie -band hieromheen. Hebben we b. v. een afgestemde 80 meter dipool antenne voor het midden van de band met een impedantie van 70 ohm en verschuiven we onze werkfrequentie naar het ondereinde van de band, dan is de antenne electrisch gezien te kort voor deze frequentie. Werken we boven in de band, dan zal de antenne electrisch gezien te lang zijn. De impedantie van het systeem verandert aanzienlijk als we van het ondereind van de band verschuiven naar het boveneind. Dit brengt ons op een ander belangrijk punt: Wanneer een antenne in resonantie is, is er sprake van slechts twee soorten weerstand op het voedingspunt, t.w. de stralingsen de ohmse weerstand.

De HF -energie die in de antenne wordt gestuurd, wordt

uitgestraald (stralings energie) en
gedissipeerd als warmte (ohmse weerstand).

Werkt een antenne op een andere, dan de resonantie frequentie, dan zal het voedingspunt naast de genoemde weerstanden nog een reactantie vertonen. Reactantie wordt uitgedrukt in ohms en verhindert de HF -energie doorgang. Aan een reactieve antenne kan geen vermogen worden toegevoerd. Deze reactantie dient eerst te worden gecompenseerd.

Er zijn twee soorten reactantie:

inductieve en
capacitieve.

Is de antenne te lang voor de werk-frequentie, dan vertoont hij een inductieve reactantie. Is hij te kort, dan een capacitieve reactantie. Om maximale energie in de antenne te krijgen moet de reactantie worden gecompenseerd. We kunnen dit doen door evenveel tegengestelde reactantie aan het systeem toe te voeren.

Aanpassing

Wanneer we een antenne aanpassen aan een voedingslijn, dient het aanpassingsnetwerk meestal ter compensatie van de reactantie. Het netwerk kan echter ook fungeren als impedantie-transformator tussen antenne en voedingslijn. Vooropgesteld zij, dat de impedantie van een gegeven voedingslijn zelf nooit kan worden veranderd, derhalve moet zonodig de antenne worden aangepast.

Essentieel bij aanpassingen is:

De electrische lengte is van primair belang bij de antenne berekening.
Is de antenne in resonantie en aangepast, dan is er alleen ohmse- en stralingsweerstand; hierbij is Been reactantie werkzaam.
De impedantie van de voedingslijn staat vast maar de antenne-impedantie verandert met de werkfrequentie.

Men kan zich afvragen, indien men energie aan een antenne kan toevoeren moet de antenne dan in resonantie zijn? Kan de antenne korter of langer zijn dan de resonantie lengte? Het antwoord op beide vragen is "Ja".

Wordt de antenne verkort, dan verkleint de stralingsweerstand, terwij1 de ohmse weerstand nagenoeg gelijk blijft.

Een voorbeeld: Een resonerende halve golf antenne met een impedantie van ongeveer 70 ohm op het voedingspunt, heeft bij voldoende dik antennedraad, een ohmse weerstand van 2-3 ohm. Een klein gedeelte van de toegevoerde energie gaat in deze ohmse weerstand als warmte verloren.

Het grootste gedeelte van de toegevoerde energie wordt door de stralingsweerstand ge - dissipeerd, hetgeen precies is wat we willen. Maken we de antenne echter physisch korter, dan veranderen deze verhoudingen snel.

Een ander voorbeeld is een mobiele whip antenne met een verlengspoel. De ohmse weerstand blijft praktisch gelijk aan die van een complete halve golf antenne, maar de stralingsweerstand valt terug tot een fractie van een ohm. Dit betekent, dat de meeste energie verloren gaat in de ohmse weerstand. Konden we dit probleem ondervangen, dan zou een korte antenne zelfs een betere straler zijn!

De voedingslijn

Het Joel van de voedingslijn is het zo efficient mogelijk overbrengen van de HFenergie van de zender naar de antenne, zonder dat de lijn zelf straalt. De meest populaire voedingslijn voor amateurs is de coax -kabel (zie figuur 1). De gevlochten buitenmantel is de ene geleider en de binnengeleider de andere. Beide geleiders zijn meestal gescheiden door een polyethyleen materiaal. Coaxkabel is in tegenstelling tot twin-lead (lintlijn) of de z. g. open voedingslijn asymmetrisch, dit vanwege de kabelopbouw. De karakteristieke impedantie van een transmissielijn wordt bepaald door de afmetingen van de geleiders, de onderlinge afstand en het dielectricum. Het meest voorkomend zijn de 50 en 70 ohm impedanties. Andere typen voedingslijn in gebruik bij amateurs zijn open voedings(lucht)lijnen en 300 ohm twin-lead kabel. Open lijnen bestaan uit twee identieke, op gelijke afstand van elkaar gespannen geleiders. De impedantie varieert tussen 300 en 600 ohm. Zetten we HF-energie op de lijn naar de antenne, dan gaat er in de voedingslijn altijd energie verloren door ohmse verliezen en verliezen in het dielectricum. De verliezen ne - men toe naarmate de werkfrequentie hoger wordt.

Fig 1
Fig. 1.

Ben vergelijking tussen de veel gebruikte coaxkabel RG-58/U en een open lijn geeft het volgende beeld: Bij gebruik van een lijn van 60 meter lengte en een zendervermogen van 200 watt zouden we op 80 meter ongeveer 30 watt verliezen in de coax kabel. Bij het gebruik van een open lijn zou het verlies minder zijn dan 1 watt. Op 15 meter zou het verlies in de coax 60 watt zijn, daarentegen in de open lijn slechts ongeveer 2 watt. Deze getallen gelden echter alleen voor goed aangepaste systemen.

Het voorbeeld geeft duidelijk aan dat het gebruik van open voedingslijnen aanzienlijk efficiEnter is dan van coax -kabel. Dit wil echter niet zeggen dat coax -kabel niet gebruikt zou moeten worden als voedingslijn. Vanwege zijn asymmetrische opbouw kan coaxkabel eenvoudig worden toegepast, doordat hij kan worden ingegraven of door een pijp of Tangs een muur geleid kan worden, zonder dat dit invloed heeft op de impedantie of het rendement. Bij open voedingslijnen geeft de afspanning met handhaving van de symmetrie meer problemen. Bij gebruik van coax-kabel, speciaal boven de 14 MHz, is het echter wel zaak coax-kabel te gebruiken met zo gering mogelijke verliezen, b. v. RG-8/U of RG-11/U. De misaanpassing moet zo klein mogelijk worden gehouden. Een SGV van 3 op 1 is beslist ni et meer acceptabel.

Wijze van koppeling

Ofschoon de zender is ontworpen voor een uitgangs-impedantie van 50-70 ohm kan het antenne-systeem een afwijkende impedantie hebben, zozeer zelfs dat het onmogelijk wordt om de antenne aan de zender aan te passen.

Dit komt regelmatig voor wanneer een coaxkabel als voedingslijn wordt gebruikt voor een dipool antenne met een resonantie frequentie die iets afwijkt van de werkfrequentie Om de antenne over de gehele band optimaal te kunnen gebruiken kan een z. g. "trans-match" tussen zender en begin van de voedingslijn worden opgenomen. Dit apparaat maakt het mogelijk de 50-70 ohm zender uitgangs-impedantie aan te passen aan de onbekende impedantie die de voedingslijn presenteert.

Vanwege de misaanpassing op het voedingspunt van de dipool zal de impedantie aan de zenderzijde van de voedingslijn niet noodzakelijk gelijk zijn aan die van de coax -kabel. Dit kan ook voorkomen als de resonantie frequentie tevens de werkfrequentie is, waarbij de hoogte van de antenne lager is dan een kwart golf; dit beinvloedt ook de impedantie op het antenne voedingspunt.

De reactantie die het systeem veroorzaakt kan getlimineerd worden door de transmatch, waardoor voor de zender wel een ohms antenne-systeem wordt verkregen.

De transmatch

Het aanpassings netwerk, dat gebruikt wordt tussen zender en begin van de voedingskabel, bestaat uit afstembare circuits. Dit netwerk wordt een antenne -koppeler ofwel transmatch genoemd (samentrekking van transmission-line matcher = voedingslijn aanpassing).

Er zijn vele schakelingen in gebruik als transmatch. Een veel gebruikte vorm is die afgebeeld in figuur 2, a) voor symmetrische 300 ohm twin-lead of open voedingslijn, en b) voor asymmetrische coax-kabel.

Fig 2
Fig. 2.

L1-C1 vormt een serie resonantie kring voor een 50-70 ohm asymmetrische impedantie. De parallel kring L2-C2 is eveneens afgestemd op de werkfrequentie. Dit laatste netwerk wordt gebruikt om de reactantie op te heffen die door de antenne en voedingslijn wordt aangeboden en maakt tevens impedantie transformatie mogelijk, zowel omhoog als omlaag. De transmatch zet ook de asymmetrische zender uitgang om in het symmetrische voedingssysteem.

Procedure

De Braden van de voedingslijn moeten symmetrisch op L2 worden afgetakt t. o. v. het midden van de spoel. De taps kunnen steeds over een paar windingen tegelijk worden verplaatst.

Breng vervolgens C1-L1 en C2-L2 weer in afstemming op de zender frequentie. Het bepalen van de juiste frequentie gaat eenvoudig door het plaatsen van een SGV indicator in de coax-kabel tussen de zender en de transmatch. We stemmen of tot minimale gereflecteerde energie (niet altijd nul door harmonischen) is verkregen.

Hulpmiddelen

Het is moeilijk om de juiste afstemming te vinden als de zender op vol vermogen wordt uitgestuurd. Soros is het aanpassen onder deze omstandigheden geheel onmogelijk. Er wordt dan ook aanbevolen het zender uitgangsvermogen zover terug te nemen met de voortrappen, dat op minder dan half vermogen wordt gewerkt.

Zet de SGV -meter in de stand "voorwaarts" en regel de zender output zodanig, dat voile meteruitslag wordt verkregen op de SGV-meter. Schakel vervolgens de SGV -meter in de stand "reflectie" en regel de transmatch op minimum teruggestraald vermogen. Mogelijk moet de zender worden bijgeregeld na het enige malen herhalen van deze procedure, daar verandering van de transmatch instelling de belasting van de zender verandert. Naarmate de reactantie van de antenne groter is wordt de afstemming kritischer. Is een tap op 1.2 gevonden waarbij de voorwaartse energie groter is dan de gereflecteerde (bij een bepaalde instelling voor C1 en C2), dan is de aanpassing bijna bereikt en een geringe verdere afregeling zal een SGV van 1:1 doen benaderen. D. w. z. voile meter uitslag in de stand "voorwaarts" meten en minimale uitslag in de stand "reflectie" van de SGV-meter.

Nu kan zonder kans op beschadiging het volle vermogen uit de zender worden gehaald. Natuurlijk moet voor een andere band de transmatch opnieuw worden afgeregeld, Het zal blijken dat er meerdere instel combinaties mogelijk zijn voor optimale aanpassing. Het beste kan die instelling worden gekozen, waarbij de taps op L2 zover mogelijk zijn verwijderd van het midden van de spoel L2. Dit geeft de grootste bandbreedte. Het noteren van de gevonden instellingen voor de verschillende frequentie-banden vereenvoudigt het instellen bij het veranderen van de werkfrequentie.

Nog een algemene opmerking: voor een all band antenne geldt:

hoe langer de antenne hoe beter;
de antenne dient echter niet korter te zijn dan een kwart golflengte op de laagste werkfrequentie. Dus b.v. voor 80 meter minimaal een antenne van 20 meter.

W1ICP, L. McCoy, QST, Mei 1971; vertaald en bewerkt door PA0CMM, A.J.M. Nahon.

Rob's web