Antenneversterking 2
In het vorige deel hebben we gezien dat het paren of stapelen danwel het groeperen als combinatie van de twee op diverse manieren tot een gewenst resultaat kunnen leiden. Dit kan primair het verkleinen van de vertikale openingshoek inhouden (u heeft een drukke straat een eind verderop en u wilt de daaruit tot u komende QRN wat drukken) danwel het verkleinen van de horizontale openingshoek inhouden omdat u nu eenmaal temidden van vele lieden woont die zich merkwaardigerwijs schijnen aangetrokken te voelen tot de hobby die u ook heeft! Of wilt u alleen maar meer antenneversterking? Tenslotte werkt alle winst bij uw antenne dubbel. Aan het andere eind van de kabel behoeft u minder blowercapaciteit in te zetten, maar qua ontvangst krijgt u de extra dB's uit de eerste hand; iets wat u daar waar die kast met die blower staat niet meer goed kunt maken, hi.
Het koppelen van meerdere antennes is niet zo'n ingewikkelde zaak. Of u nu in-faze danwel uit-faze koppelt evenmin. Er zijn een aantal manieren om koppeling tot stand te brengen. Aangezien de meeste onder ons met coaxiale kabel werken bepalen wij ons in de voorbeelden tot koppeling met coaxkabels. Het kan echter ook met lintlijn en open feeders.
Kijken we naar fig. 1 dan zien we een eenvoudige koppeling tussen twee impedanties. Dit kan een koppeling zijn tussen verschillende stukken coax met verschillende impedanties; het kan ook een impedantietransformatie inhouden van de Z van de antenne naar de voedingskabel, danwel de Z van de voedingskabel op de zender of omgekeerd. Volledig universeel bruikbaar dus.
Fig. 1.
1) 52 Ohm naar 75 Ohm = 52.75 = 62,5 Ohm 75 Ohm naar 52 Ohm = idem.
In fig. 1 maken we gebruik van een lineaire impedantietrafo (goed voor een frequentie) in de vorm van een kwart Lambda lengte coaxkabel. De kwart Lambda wordt afgeleid van de werkfrequentie natuurlijk. Op 20 meter zal dit ca. 5 meter zijn; op twee meter is dat 50 cm in beide gevallen onder aftrek van de verkortingsfactor van de toegepaste coaxkabel. Zi in het voorbeeld is de zend/ontvangkant terwijl Zo de antenne-impedantie voorstelt. Wat doen we nu indien we een antenne hebben van 75 Ohm en een coaxkabel van 52 Ohm? We kunnen eenvoudig de 52 Ohm kabel aan de 75 Ohm antenne knopen en de SWR wordt dan 75/52 = 1,44. Nog niet eens zo slecht, maar het kan beter. We zetten tussen antenne en kabel een kwart Lambda lijnstuk coax. Van een kwart Lambda lijnstuk is bekend dat dit een impedantietransformatie bewerkstelligt gelijk aan: Zx = √Zi × Zo.
In dit voorbeeld betekent dit, dat indien we willen transformeren van 75 naar 52 Ohm, of omgekeerd, de impedantie van de coax, gebruikt als impedantietrafo 62,5 Ohm moet zijn. Dit is Been gangbare waarde, maar 60 Ohm is evenwel ruim verkrijgbaar.
De ontstane misaanpassing door 60 Ohm te gebruiken, resulteert in een SWR van 1 : 1,04, hetgeen verwaarloosbaar klein is.
Zo passen we dus een zender aan met een uitgang van 75 Ohm op een transmissiekabel van 52 Ohm, of omgekeerd; danwel een antenne van 75 Ohm op een kabel van 52 Ohm, of omgekeerd.
De term "verkortingsfactor" is al eerder gebezigd. Dit is een zaak die we goed in de gaten dienen te houden! Elke transmissielijn bezit een verkortingsfactor afhankelijk van het gebruikte medium als dielectricum. De keuze van dielectricum voor een bepaalde kabel is veelal een kwestie toepassingsgebied en kwaliteit. Goedkope FM en TV kabels hebben een verkortingsfactor van rond de 0,65, terwijl bepaalde laagvermogen coaxkabels, zoals de RG-58 serie, ook rond deze waarde liggen. Betere kabels hebben verkortingsfactoren die aanzienlijk hoger liggen, zo in de buurt van 0,8 of nog iets beter. Indien we in de voorbeelden spreken van kwart Lambda trafo's, dan bedoelen we dus een kwart Lambda maal de verkortingsfactor!
In fig. 2 gaat het om twee antennes, welke samen op een kabel worden aangesloten. Dit is het geval indien u twee antennes naast of boven elkaar wilt toepassen. Uitgaande van een impedantie van 75 Ohm per antenne zal de impedantie van twee stuks parallel rond de 75/2 = 37,5 uitkomen. We gaan er hierbij vanuit dat beide antennes worden gevoed middels identieke kabels van gelijke elektrische lengte. Zijn deze lengtes elektrisch niet gelijk, dan ontstaat er een verschil in faze tussen de antennes en raken we in de problemen. De 37,5 Ohm gaat niet meer op (dus gelijk een misaanpassing!) maar tevens geeft het fazeverschil tussen beide antennes aanleiding tot vorming van zijlobben en/of problemen met de voor/achter verhouding. Het is overigens een heel goede gewoonte indien u met gelijke stukken coax moet werken in voedingslijnen; deze altijd te bemeten in veelvouden van een half Lambda voor de werkfrequentie. Aileen bij een half Lambda heeft u de volledige zekerheid dat te alien tijde er 1 : 1 transformatie plaatsvindt!
Fig. 2.
2) 75/2 = 37,5 Ohm. 37,5 Ohm naar 75 Ohm. Zx = 37.5.75 = 54 Ohm 52/2 = 26 Ohm. 26 Ohm naar 52 Ohm. Zx = 26.52 = 37,5 Ohm (2 x 75 parallel).
U heeft nu tenminste ook de zekerheid dat bij een SWR meting u de absolute waarde meet, hetgeen bij willekeurige lengtes coax en minimale misaanpassing al lang niet meer het geval is. In wezen schakelen we bij een half Lambda de impedantie van de kabel uit en meten de zuivere aanpassing (SWR) tussen zender en antenne.
Dat bij een willekeurige lengte coax voedingslijn de lengte steeds van invloed is op de SWR treedt vooral buiten resonantie op. Hierbij is de Zo van de antenne niet meer Ohm's, maar vormt een complexe waarde, welke afhankelijk van de frequentie een inductieve danwel een capacitieve component zal bevatten. (Proeven hebben overigens duidelijk aangetoond dat bij een zuivere aanpassing de SWR per lengte kabel nagenoeg niet varieert, daarentegen indien de antenne zich inductief danwel capacitief gedraagt de SWR in sterke mate varieert! Red.)
Bij een willekeurige lengte van de coaxkabel Levert elke SWR meting in wezen een eveneens willekeurige aanwijzing op. Dat dus het bemeten van uw coax in half Lambda stukken zeer belangrijk is om een juiste SWR meting te doen, wordt nog onderstreept door het feit dat wij als amateurs nooit op een frequentie zitten waarop ook onze antenne resoneert. Verder is het zo dat ook de kabel die we kopen niet vrij is van impedantiesprongen. Dit laatste versterken wij nog eens door veelal ondeugdelijke pluggen te gebruiken. In feite zijn de zg. UHF pluggen van Amphenol (groot model) ondingen; toch worden ze het meest gebruikt. Veel betere typen zijn de N-connectoren of de BNC pluggen.
Terug naar voorbeeld 2. We zien dat een impedantie van 37,5 Ohm moet worden opgetransformeerd naar 75 Ohm, hetgeen de zender-impedantie is. Zx moet dus worden:
√37,5 × 75 = 54 Ohm. Hier kunnen we met goed gevolg een kwart Lambda van 52 Ohm voor gebruiken. Op deze manier hebben we dus twee antennes van 75 Ohm aan elkaar geknoopt en vervolgens juist aangepast op de zender van 75 Ohm.
Werken we met 52 Ohm antennes, geen probleem! De impedantie op het knooppunt van beide antennes wordt nu 52/2 = 26 Ohm. Volgens de formule wordt de Zx nu 37,5 Ohm. Deze waarde, moeilijk verkrijgbaar in de winkel (30 Ohm kabel bestaat overigens, red.) wordt eenvoudig samengesteld door twee lengtes van een kwart Lambda van 75 Ohm parallel te schakelen. Door middel van deze transformatie kunnen we met 52 Ohm coax richting zender vertrekken.
In fig. 3 wordt het iets gecompliceerder, alhoewel we nog steeds dezelfde theorie toepassen. We willen nu 4 antennes aan elkaar knopen, hetgeen een impedantie oplevert van bijy. 52 Ohm/4 = 13 Ohm. Door middel van twee kwart Lambda stukken van 52 Ohm parallel (26 Ohm) past een en ander weer netjes aan om met 52 Ohm zenderwaarts te gaan! Willen we overigens 75 Ohm antennes gebruiken, ook dat kan! I.p.v. 52 Ohm kwart Lambda's parallel nemen we nu twee stukken van 60 Ohm en gaan vervolgens met 75 Ohm naar beneden.
Fig. 3.
3) 75/4 = 19 Ohm. 19 Ohm naar 75 Ohm. Zx = 19.75 = 37,5 Ohm (2 x 75 parallel)
52/4 = 13 Ohm. 13 Ohm naar 52 Ohm. Zx = 13.52 = 26 Ohm (2 x 52 parallel).
Fig. 4 is in feite hetzelfde als fig. 3, echter met dien verstande dat hier zelfs geen 60 Ohm coax benodigd is! De vier antennes worden op deze methode twee aan twee doorgeknoopt. De vervangingsimpedantie van 37,5 of 26 Ohm resp. wordt tot 150 of 104 Ohm verhoogd door optransformatie. Deze twee impedanties (twee keer 150 en twee keer 104 Ohm) leveren vervolgens parallel weer 75 en 52 Ohm op!
Fig. 4.
4) 75/2 = 37,5 Ohm. 37,5 Ohm naar 150 Ohm. Zx = 37.5.150 = 75 Ohm (per tak)
150/2 = 75 Ohm
52/2 = 26 Ohm. 26 Ohm naar 104 Ohm. Zx = 26.104 = 52 Ohm (per tak)
104/2 = 52 Ohm
In diverse Amerikaanse handboeken wordt deze methode ook uit de doeken gedaan.
De kwart Lambda trafo wordt daar meestal als "Q-section" betiteld. In dat geval weet u dus wat er mee wordt bedoeld.
Deel 1 - Deel 2 - Deel 3
Koos, PA0OOO.
N.B. U weet toch hoe u snel een onbekend stuk coax op verkortingsfactor test? Neen? Welnu, dat gaat heel eenvoudig. U neemt een stukje van precies 75 centimeter lengte. Aan een zijde laat u het open en aan de andere zijde maakt u een heel klein lusje. Dit lusje koppelt u met de griddipper; en nu maar zien waar de dip op uitkomt, want die frequentie is namelijk tevens de verkortingsfactor! Leest u 65 MHz af, dan is de verkortingsfactor 0,65. Meet u 80 MHz, dan is de factor 0,8 enz. Weet u of kunt u nagaan waarom dit zo magnefiek werkt? (red.)