Over SWR en zo
Tijdens lezingen geef ik wel eens de volgende demonstratie: op een tafeltje staat een transceiver waarop via 'n SWR-meter een antennekabel is aangesloten naar een antenne buiten. Vervolgens nodig ik -als bij een echte goochelshow- een toeschouwer uit om met de TRX te spelen en over zijn bevindingen met de antenne te vertellen. 'Tsja . . . de SWR is 1:1. Een prima antenne hoor. Maar ik hoor niks.' Dan wordt er met de knoppen gespeeld maar meer dan ruis komt er niet uit de speaker. 'Tsja . is de ontvanger soms kapot? Die antenne is niets mis mee.'
Dan schuif ik achter in de zaal de harmonica-schuifwand open en wordt aan het einde van de antennekabel de dummy-load zichtbaar.
Sommigen vinden dit een gemene truuk maar hij illustreert prima dat die 1:1 niets zegt over de kwaliteit van de antenne. Een op eon zegt alleen maar dat de belasting van de 50 Ω SWR-meter bestaat uit 50 Ω, meer niet!
Er zijn echter nogal wat antennes die op hun resonantiefrequentie geen 50 Ω zijn, zoals een ideale dipool die een theoretische afsluitweerstand van 7212 heeft en dus een SWR van 50:72 = 1:1,44.
We kunnen aan deze dipool gaan zit-ten rommelen met verlengen en verkorten maar daarmee introduceren we bij de 72 Ω een reactieve component die de (samengestelde) impedantie alleen maar verhoogt en daarmee ook de SWR. Toch blijkt menige dipool in de praktijk rond zijn resonantiefrequentie een SWR van 1:1 te geven en daar kennelijk 50 Ω te zijn. Deze praktijk dipool wijkt dan ook of van het ideaal omdat ie laag hangt en wordt beïnvloed door reflecties van de omgeving. Door gewilde of ongewilde reflecties (bijv. tegen aarde) zal de stralingsweerstand van een antenne meestal dalen en bij de dipool nogal eens rond de 50 Ω komen. Met een SWR van 1:1 zit het met de vermogensoverdracht naar de antenne wel goed. Een dipool heeft geringe verliezen dus we mogen stellen dat vrijwel al het toegevoerde vermogen ook wordt uitgestraald. Helaas wordt een gedeelte door de omgeving geabsorbeerd en gaat de rest niet altijd die kant op waar wij het vermogen heen willen hebben.
Antennes met een impedantie groter dan 50 Ω krijgen we met 'rommelen' niet omlaag, maar hoe zit dat met antennes met een impedantie kleiner dan 50 Ω? Ook daar stijgt door het toevoegen van reactanties (het rommelen) de samengestelde impedantie en soms tot 50 Ω. De SWRmeter suggereert met 1:1 dat alles in orde is met de antenne en dat is het NIET. De reactieve componenten -geYntroduceerd door het rommelen (bijv. te veel verlengspoel)- verhinderen het !open van een maximale stroom. Voor het uitstralen van maximaal vermogen ( = max. stroom) moet de antenne de laagste impedantie hebben. Korte antennes, kleiner dan ¼λ, hebben een Z bij resonantie, die lager, soms veel lager, ligt dan 50 Ω. Probeer de antenne eerst in resonantie te krijgen ( = laagste Z) en neem dan maatregelen om d.m.v. transformatie op 50 Ω te komen aan de antennezijde van de coax naar de set. Alleen op deze manier is een maximale vermogensoverdracht in het hele antennesysteem mogelijk.
Een korte vertikale antenne had een berekende stralingsweerstand van 2012. De antenne werd geplaatst en de SWR gemeten: een op een.
Prachtig, 1:1 . . . maar er klopt toch lets niet. Bij zenden en ontvangen bleven de signaalsterktes onder de maat. Onderzoek leerde dat de aardverliezen 3012 waren en dat !evert met de antenne samen wel 50 Ω, maar dat houdt ook in dat 60% van het beschikbare vermogen niet de 'lucht' maar de grond in ging. Hier moet natuurlijk eerst lets aan de aarde worden gedaan en dan een impedantietrafo worden geInstalleerd van 20 naar 50 Ω.
Nog een praktijkvoorbeeld hoe je de Pout in kan gaan met de SWR-meter.
Mensen met te weinig ruimte voor het uitspannen van een dipool voor 160 mtr nemen nogal eens hun toevlucht tot een z.g.n. L-antenne. In mijn geval een horizontale draad van 20 meter lengte en een vertikaal deel van 7 meter. Omdat de antenne veel korter is dan ¼λ is een regelbare verlengspoel gebruikt, die om praktische redenen in het raamkozijn van de shack -op de begane grond- werd opgesteld. Aarde aan de CV en de aardpen van het PEB die viak bij het raam boven de grond komt (toen wist ik nog niet over aardes wat ik nu weet). Het geheel was via de SWR-meter gekoppeld met de transceiver en er was mee te werken. Wat na een tijd wel opvallend was - en een teken aan de wand - was dat de spoel voor maximale ontvangst in een andere stand moest staan dan voor minimale SWR bij zenden. Veldsterktemetingen (PA3FQN met een ontvanger 5 km verderop) leerden dat de instelling voor maximale ontvangst vrijwel overeen kwam met de instelling voor een maximaal uitgestraald vermogen en dat was zeker niet de instelling waarbij de laagste SWR werd gevonden (fig. 1).
Fig. 2.
Fig. 1.
Nader onderzoek leerde dat de antenne, met de spoel in resonantie gebracht, vrij laagohmig is en dus geen 1:1 op de SWR-meter dient te geven. Met het verstemmen van de spoel introduceren we een reactieve component en daar is natuurlijk best een samengestelde impedantie van 50 Ω mee te realiseren. Die reactieve component maakt het dan echter onmogelijk om maximaal vermogen uit te stralen. Lang geleden deed niemand moeilijk over de SWR; men had er ook geen meter voor en bovendien kon het uitgangsnetwerk van de zender worden aangepast (met 'tune' en 'load'). Waar het om ging was om een zo groot mogelijke stroom in de antenne te pompen. Het meten van de antennestroom was toen belangrijk. De eenvoudigste oplossing was een lampje in serie met de lijn. Mooier is het meten met een thermokoppel, maar daar is tegenwoordig niet meer aan te komen. Heden ten dage kunnen we dat doen met een stroomtrafo op een ringkern (frequentie afhankelijk) of een kleine weerstand in de leiding. Bij antennes die tegen aarde worden gevoed kunnen we voor het meten van de minimale impedantie (is max. antennestroom) een diodekopje gebruiken tussen een hulpaarde en de antenneaarde. Bij een maximale antennestroom loopt er ook een maximale aardstroom en ontstaat een spanningsmaximum over de aardweerstand. Het diodekopje kan eventueel altijd bij de antennevoet gemonteerd blijven met de meter via een goed getwiste draad in de shack als afstemhulp en kontrole van de aarde (fig. 2).
Het vervelende van een SWR-meter is dat deze alleen maar impedantieverhoudingen aangeeft. Bij 1:1,44 kan de aangesloten impedantie 72 Ω zijn, maar ook 50 / 1,44 = 35 Ω.
Voor het nemen van maatregelen voor een goede aanpassing en het beoordelen van een antenne is het vaak zaak om de werkelijke impedantie te weten en daar doet de SWR-meter geen uitspraak over. Door de gegeven voorbeelden 'hoe je het schip in kan gaan met de SWR-meter' begrijpt u misschien waarom ik er (soms) spijt van heb mij ooit zo'n ding te hebben laten aanpraten. Van de weeromstuit heb ik daarom de 'Anti SWR-meter' gebouwd, waarmee de impedantie van een antennesysteem kan worden bepaald.
Voor het laten lopen van de maxima-le stroom is het noodzakelijk dat de impedantie zo laag mogelijk is . . . Met het meten van de impedantie en het afregelen van een antenne daarop bereiken we dat doel. Met de 'Anti SWR-meter' kan die impedantie worden gemeten (fig. 3).
Fig. 3.
De opzet is heel eenvoudig: vier 1 Watt weerstanden van 220 Ω staan parallel om de QRP-zender te belasten met ongeveer 55 Ω. Met een schakelaar kan ook voor een zware uitwendige dummy gekozen worden als terugregelen van de zender problemen geeft. Over de dummy is een spanningsdeler aangesloten waarbij we over de onderste weerstand de te meten impedantie aansluiten. Eerst regelen we met de potmeter tot het einde van de schaal zonder aangesloten antenne en veranderen tijdens de meting het vermogen van de zender niet. De te meten impedantie komt parallel aan de onderste weerstand van de spanningsdeler. Hebben belasting en deze weer-stand een gelijke waarde dan zakt de spanning op de meter tot de helft. De spanningsval over de diode geeft een kleine afwijking maar dat is geen probleem want we kunnen de schaal ijken door gewone weerstanden aan te sluiten. Houd de bedrading zo kort mogelijk en ijk de schaal bij een zo laag mogelijke frequentie.
Probeer zo dicht mogelijk bij de antenne te meten en tracht dan de antenne-impedantie zo laag mogelijk te krijgen. Bij de beschreven vertikale antenne (waaraan we de aardmetingen deden) is de qemeten impedantie die van aarde en antenne samen. Welk gedeelte van het vermogen in de aarde zoek raakt en welk de antenne ingaat kan door spanningsmeting met een diodekopje worden uitgemaakt.
Tot hier hebben alle metingen aan de diverse antennes plaats gevonden bij de antenne. Bovendien hebben we er naar gestreefd om bij de antenne voor een aanpassing van 50 Ω te zorgen, als coax wordt gebruikt voor de verbinding met de set. ledere transmissielijn transformeert, tenzij:
- we toevallig een elektrische lengte van 1/2λ hebben, maar dan is wel 50 Ω aan het ene eind ook 50 Ω aan het andere eind van de lijn,
- de kabel is afgesloten met een impedantie gelijk aan de karakteristieke kabelimpedantie Zk. Bij gebruik van 50 Ω kabel wil dit zeggen dat ook nu 50 Ω aan de ene kant 50 Ω aan de andere kant van de kabel inhoudt.
Zolang de verliezen gering zijn wil 50 Ω aan de ene kant van de kabel zeggen dat ook de andere kant van de kabel met 50 Ω is afgesloten. Wordt een grote misaanpassing niet bij de antenne weggewerkt dan wordt deze naar de andere kant van de voedingkabel getransformeerd. In principe is het mogelijk om de misaanpassing bij de TRX weg te werken door het aanbrengen van een tegengestelde misaanpassing (met een tuner). De hoge staande golf op de voedingslijn verdwijnt daardoor niet! In de praktijk blijkt dan ook dat via coax, t.g.v. de extra hoge verliezen door de staande golf, de antenne niet te tunen is. Open lijn heeft voor HF zulke geringe verliezen dat tunen over een open lijn in de praktijk prima gaat.
De langdraad
Een eind uitgespannen draad kan goed worden gebruikt voor zenden en ontvangen mits in resonantie ( = ¼λ lang) en hij heeft dan een stralingsweerstand (impedantie) van ca. 40 Ω t.o.v. een perfecte aarde. Voor een goede werking is een puike aarde of een prima stel radialen noodzakelijk. Helaas is de draad maar voor een frequentie een kwart golflengte lang. Gebruikelijk is om de draad dan elektrisch te verkorten of te verlengen met een C of L, afhankelijk van de te werken frequentie. Daarvoor kan dan een tuner worden gebruikt, zoals bijv. is afgebeeld op de foto. Deze tuner is gebouwd door Geert, PA3CAH, en het aardige ervan is dat de spoel en de varco niet vast aan elkaar gesoldeerd zijn maar met banaanstekkers en bussen tot verschillende configuraties zijn om te steken. Op deze manier is vrijwel iedere langdraad aan te passen (fig. 4, foto 1).
Fig. 4.
Foto 1.
De mechanische langdraad
We kunnen de draad ook mechanisch verkorten of verlengen. Daar-toe dient het mechaniek op foto 2. Een ruitenwissermotor bedient de drum waarop de antenne kan worden opgerold. Aan het eind van de antennedraad bevindt zich een katrol en een gewicht (fig. 5).
Foto 2.
Fig. 5.
Op foto 3 (de meetopstelling) ziet u links de kristalgestuurde QRP-zender (1,5 Watt) naast de Anti SWR-meter. Bij het uitrollen van de antennedraad is eerst de impedantie heel hoog. Bij het naderen van een lengte gelijk aan ¼λ zakt de gemeten impedantie om weer op te lopen zodra de antenne te lang wordt. Bij gebruik van een goede aarde meet u bij de juiste lengte (¼λ) de laagste impedantie van 400. Nu kan zonder probleem de coax worden aangesloten (SWR = 50/40 = 1,25) en desnoods naar een shack op zolder worden gevoerd. Op hogere frequenties kunt u ook 3/4λ aan draadlengte uitspannen. Bij deze lengte krijgen we weer een dip in de impedantie maar nu bij ca. 120 Ω. Er hangen nu drie stukken van ieder ¼λ lengte achter elkaar met ieder een stralingsweerstand van 40 Ω en dat geeft totaal 120 Ω. Niet een waarde om zo de coax op aan te sluiten (SWR = 120/50 = 2,4) maar met een aanpassingsnetwerk of -trafo kan het wel. De aardverliezen pakken gunstiger uit. Laten we aannemen dat de aarde maar matig is en de verliezen 10 Ω bedragen. Met een 40 Ω antenne gaat dan ⅕ van het vermogen verloren, maar met een 120 Ω antenne slechts 10/130 = 7,7% en dat merkt echt niemand.
Foto 3.
Foto 2 betreft een experimenteel model van de motordrive langdraad; een 'mooi weer' model. De mechanische konstruktie is simpel en kan nog verbeterd worden. Het antennelitzedraad is eigenlijk te zwaar en slecht bestand tegen lang in weer en wind hangen. De opwinddrum is niet geIsoleerd van de motor waardoor de bedieningskabel van de motor de antenne en de aflezing van de impedantiemeter beInvloedt. Voor een van mijn mede-amateurs ben ik maanden bezig geweest met het bouwen van een antenne-tuner met moeilijk verkrijgbare en dure onderdelen. Met een verstelbare langdraad is een tuner niet nodig, hooguit een via een relais inschakelbare trafo van 120 naar 50 Ω zodat op de hogere frequentiebanden met een ¾λ antenne gewerkt kan worden. Een ruitenwissermotor is op de autosloop voor weinig geld te bekomen.
De leukste eigenschap van deze antenne vind ik eigenlijk dat je hem bij onweer helemaal kunt oprollen.
PA3FFZ.