Matning av antenner Tore Sandström SM7CBS
Matning av antenner Visa på för- och nackdelar med koax - alternativt stegmatare (parmatare, balanserad matare). Hur man analyserar den egna situationen. Jag kommer att visa på flera exempel. Lite om den variabla impedansanpassaren eller ATU:n (matchboxen) som vi vanligtvis säger.
Effektiv matning av antenner Det handlar om transport av hf-energi från matarens nedre ända till antennens matningspunkt. Matarens egenskaper avgör hur effektiv den transporten blir. I praktiken handlar det om val av matarkabel dvs koaxialkabel eller balanserad ledare. Bra att känna till konsekvens om valen man gör. Är jag beredd att ta de extra förlusterna som en sämre lösning ger? Impedans en viktig parameter särskilt om Du väljer koax. Vi ska snart titta på exempel på konsekvenserna vid val av matare.
Koaxialkabel Koaxialkabel 50 ohm varför? Naturlag? Dipoler (resonanta) alltid 72 ohm i fri rymd vilket blir ca 50 ohm nära marken? Kan hänga ihop så? Nej! Det är en teknisk standard som fastställdes på 1940-talet.
Parledare/Balanserad matare När ska/bör man använda dem? Alltid! (Nästan?) Särskilt viktigt då följande råder: Okända och varierande impedanser i matningspunkten på antennen. Parledaren blir därför särskilt viktig för alla oss som vill använda samma trådantenn på flera band! Vid långa HF-transporter/ Långa matarkablar (mindre vanligt).
Kort historik om matare Högohmiga matare (parmatare) användes första halvan av 1900-talet. SWR-begreppet existerade inte och hög swr var inget problem tack vare låga förluster i högohmig stege. Koax kom under 1940-talet och tog snabbt över nästan hela marknaden på 50- och 60-talet. Nu blev swr-instrumentet nödvändigt och ett populärt byggobjekt (1950-1990-tal). Numera inbyggd i radion. Artiklar i bl a QST och QTC om stegmatarens fördelar. Bl a SM5CXF, Bo Hellström, BHIAB 1960-tal. Högohmiga matare är nästan helt bortglömd bland dagens amatörer. Men den är en superbra lösning. Jag ska visa varför.
Mitt eget uppvaknande Bygge av skywire loop (tysk quad) på 1980-talet. Fyrkantig loop 4 x 21m och koaxmatare Försök med stegmatare öppnade ny värld. Söka kunskap för att förstå varför det gick så bra med stegen. Insikt att jag under min amatörtid eldat massor av kilowatt i koaxkablarna för kråkorna. Egna artiklar i QTC 2009 och alster från mitt träelektroniklaboratorium skapade intresse och uppmärksamhet.ca 10 000 stegpinnar levererade hittills. Upptäckten av denna bortglömda kunskap är superviktig för oss amatörer.
Hur gör man för att bedöma mataren i egen situation? Utgå från antennen i 4 steg: Bedöma/mäta avstånden mellan fästpunkterna för antennen och fästpunkternas höjd över marken. Strunta i tanken på att tråden ska vara i resonans. Simulera (eller mäta fram med VNA) matningsimpedanserna på resp. band med t ex MMANA eller EZNEC m fl. Ta fram R och jx i impedansen ur MMANA. För in R och jx i t ex beräkningsprogrammet TLDetails (smithdiagrammet) och Du får besked på hur bra tänkt matare fungerar på bandet Du just nu beräknar. Jämföra alternativa matarlösningar. Jag kommer snart att ge exempel.
MMANA-GAL Gratis program för simulering av antenner
TL-Details Beräkningsprogram baserat på Smithdiagrammet gratis. Står för Transmisson Line Details Finns på www.ac6la.com Det finns andra motsvarande program
Dipol 2x19,5 m. koax, qrg: 30 m
Dipol 2x19,5 m. stege. qrg:30 m
En vanlig 80 meters dipol. 2x19,5 meter, 12 meter upp och 15 meter lång matare Förluster i watt (100 w) Återstår nyttoeffekt till antennen Frekvens R (resistiv del) Jx (reaktiv del) Z (impedans) RG213 RG58 Stege RG213 RG58 Stege 3650 43,7-16,1 47 5 10 3,5 95 90 96,5 7150 4917-80,2 4917 74 85 3 26 15 97 10120 140,7-601 617 68 81 3 32 19 97 14150 1404 1677 2187 74 86 2 26 14 98 18120 115,4-399,7 416 62 77 3,5 38 23 96,5 21200 750,5 1147 1370 72 85 2 28 15 98 24940 248-776 814 77 88 1,6 23 12 96 28500 52 881 103 71 8 2,5 29 16 97,5
Viktiga slutsatser dipolen. Här ser man att med stegen som matare når 95 watt (av 100 watt) eller mer antennen på alla band. Med koax som matare förlorar man mer än hälften av effekten i koaxen på alla band utom 80 m där antennen är resonant. Det är av den anledningen man bygger traps (w3dzz) och förlängningsspolar (mobilantenner). Dvs men fixar justeringar så att man ska nå 50 ohm i matningspunkten. Dessa anordningar kostar både effekt och bandbredd.
Exempel: Min horisontella loop Rätvinklig triangel med matning i den räta vinkeln. Höjd ca 12 m i fästpunkterna. Ungefärlig trådlängd ut från räta vinkeln ca 24 resp. 34 m. Diagonalen (hypotenusan) blir då ca 42 m. eftersom omkretsen är 100 m FK1,5. Stegen ca 18 m och vinklad ca 90 grader 1 meter från intaget i fönsterkarmen
Loopens utseende 100 m runt om ca 12 m upp 42 m 24 m 34 m Stege 18 m Dubbel L- match
Matningsimpedaanser och matningsförluster på antennsystem (loop) hos sm7cbs Förluster i watt (av 100 watt) pga Förluster i kabel Förluster högt SWR Återstår nyttoeffekt till ant Frekvens R (resistiv del) Jx (reaktiv del) Z (impedans) SWR RG213 RG58 Stege RG213 RG58 stege RG213 RG58 Stege 3650 84 14,05 85 1,75 3 9 0,4 0,2 1 1,4 97 90 98,2 7150 84,3-169 189 8,94 5 11 0,5 15 28 1,5 80 61 98 10120 360-744,3 826,5 38,1 4 9 0,6 44 66 0,9 52 25 98,5 14150 282,6-290,4 405 11,7 7 14 0,8 25 40 0,6 68 46 98,6 18120 314,2 15,33 314,6 6,3 8 17 0,9 19 26 0,1 73 57 99 21200 217,3-277,9 352,8 11,6 6 16 0,9 24 43 0,9 70 41 98,2 24940 287,9-169,2 334 7,79 7 19 1,2 18 34 0,4 75 47 98,4 28500 221,3-174,2 281,6 7,26 8 20 1,1 17 32 0,7 75 58 98,2
Samma som föregående med ihopsummerade förluster Förluster i watt (100 w) Återstår nyttoeffekt till antennen Frekvens R (resistiv del) Jx (reaktiv del) Z (impedans) SWR RG213 RG58 Stege RG213 RG58 Stege 3650 84 14,05 85 1,75 3,2 10 1,8 97 90 98,2 7150 84,3-169 189 8,94 20 39 2 80 61 98 10120 360-744,3 826,5 38,1 48 75 1,5 52 25 98,5 14150 282,6-290,4 405 11,7 32 54 1,4 68 46 98,6 18120 314,2 15,33 314,6 6,3 27 43 1 73 57 99 21200 217,3-277,9 352,8 11,6 30 59 1,8 70 41 98,2 24940 287,9-169,2 334 7,79 25 43 1,6 75 47 98,4 28500 221,3-174,2 281,6 7,26 25 52 1,8 75 48 98,2
Viktiga slutsatser loopen Även här ser vi att stegen är mycket effektiv. Överför 98 watt eller mer ( av 100 ) på alla band. Med koaxmatare når 60 till 25 watt antennen på alla band utom 80 m där 90 watt når fram tack vare nära resonans. Katastrof med koaxmatare på 30 m pga högt swr. Bara 25 watt når antennen. På 15 m bara 40 watt. Lång koax blir ren konstantenn. Alltså! Vill man använda sin trådantenn på mer än ett band är stegmataren det självklara valet.
Hur kan stegen vara så mycket bättre? Här är väl nåt skumt? Nästan helt okänslig för impedansskillnader (som genererar swr) mellan matningspunktes impedans och stegens impedans tack vare låga förluster i matare. Den förlust som uppstår pga högt SWR kan man i praktiskt bruk bortse från. Någon enstaka procent. Därmed perfekt för flerbandslösningar och vid behov av långa matare, typ 50-100 meter Inget skumt! Det är så här det ser ut i verkligheten!
Förklaring till stegens effektivitet Högohmig lösning ger lägre strömmar och därmed lägre förluster. Tumregel: Förlusterna fördelar sig som förhållandet mellan resistansen som orsakar ledningsförlusten och resistansen som orsakar strålning (nyttoeffekt/lasten/antennen). Antag ledningsmotstånd 10 ohm och lasten/antennen 50 ohm. Förhållandet blir 10/50 dvs 20/100. Vilket ger 20% i ledningsförlust och resten 80% blir nyttoeffekt i lasten/antennen.
Förlust i 50 ohms resistivt system TX 100 watt Ledningsmotstånd 10 ohm Last 50 ohm. Nytto- effekt, som blir Strålning Ohms lag P = I 2 x R används. Förkortas till I 2 = P/R. Strömmen räknas fram till 1,29A (I = 100/50+10 = 1,29A). Effektförbrukningen (förlusten) i ledningsmotståndet beräknas till 16,67 watt och i lasten (nyttoeffekt) 83,33 watt. Det betyder att effektåtgången i ledningsmotståndet i förhållande till effektåtgången i lastmotståndet är samma som förhållandet mellan deras respektive resistanser. Alltså: 16,67/83,33 är samma förhållande som 10/50. Uttrycker vi förhållandet i procent så blir det 20/100 dvs 20 %. Med 100 watt inmatad effekt blir ledningsförlusten 20 och resten, dvs nyttoeffekten, 80 watt.
Förlust i 600 ohms resistivt system TX 100 watt Ledningsmotstånd 10 ohm Last 600 ohm. Nyttoeffekt, som blir strålning Ohms lag P = I 2 x R används. Förkortas till I 2 = P/R. Strömmen räknas fram genom att dra roten ur kvoten 100/600+10 Vilket blir 0,405 A. ( I = 100/610 = 0,405A). Effektförbrukningen (förlusten) i ledningsmotståndet beräknas till 1,67 watt watt och i lasten (nyttoeffekt) till 98,33 watt. Det betyder att effektåtgången (förlusten) i ledningsmotståndet i förhållande till effektåtgången i lastmotståndet (nyttolast = strålning) är samma som förhållandet mellan deras respektive resistans. Alltså: 1,67/98,33 är samma förhållande som 10/600. Uttrycker vi förhållandet i procent så blir det 10/600 x 100 = 1,67%. Med 100 watt inmatad effekt blir ledningsförlusten 1,67 watt och resten, dvs nyttoeffekten, 98,33 watt.
Viktiga skillnader i låg- och högohmigt system Inga större skillnader vid ideala och resonanta system. Men då swr (missanpassning) uppträder äts effekten upp pga reflektioner. Särskilt illa på koax. Effekten studsar fram och åter mellan matningspunkt och nederända på matare tills studsarna klingar av. Studsen betyder en viss mängd förluster som adderas för varje studs. Därav begreppet additionsförluster. Förenklat kan man säga att för varje studs försvinner 20% av återstående effekten för koaxen jämfört med 1,67% av effekten för stegen (i föregående exempel). Det är denna skillnad som gör stegen så överlägsen som multibandsmatare.
Varför finns koax om den är så dålig? Koax bra på rätt plats och rätt kvalitet. Bygger på resonanta 50-ohms system som ger förenklingar slipper matchning. HF-tät. Enkel att montera Kan läggas på och i marken. Kommersiell radio ligger oftast på fast frekvens? enkel montering. Koax inte bra (urkass!) då man vill använda samma antenn på flera band!
Matchning.anpassning I stegens övre ände ingen matchning trots högt swr ändå låga förluster som vi sett. Gäller samma sak i nederänden av stegen? Ja! Men ej ur sändarens synpunkt! Högt swr stryper sändaren eller i värsta fall skadar slutsteg. Matchning behövs dvs matchbox sökes för att sändaren ska leverera full effekt.
Matchboxar Kärt barn har många namn! ATU Brittiskt ASTU Transmatch PI-filter, Collinsfilter T-match Z-match Och så vidare
Matchboxens uppgift Göra det möjligt för sändare att leverera full effekt dvs se 50 ohms last tack vare matchboxen. Impedansomvandlare för att anpassa/matcha impedansen i matarens nedre ända (som kan vara flera 1000 ohm) mot sändarens 50 ohm. Den kan alltså ingenting göra för att förbättra själva mataren eller antennen. Dvs swr-förlustera i kabeln finns kvar även då man har noll i swr vid ATU:n. Den hanterar alltså enbart övergången mellan sändare och matarens nedre ända Matchning består av 2 delar: Dels neutralisering av ev. reaktiv komponent (Jx) så endast resistiv (R) del återstår. Och dels sköta hf-transformeringen till 50 ohm Förluster förekommer i all matchning.
Balanserad matning + lite annat Vad är balans? Vad menas? Fenomenet förekommer både på stege och koax Definition: Då vektorsumman är noll! Mattebegrepp! Förenklat kan man säga att då motriktade strålningar på stegens 2 ledare tar ut varandra råder balans och stegen upphör att stråla. I andra fall uppstår en skillnad (obalans) som kommer att stråla från stegen. Risken för störningar ökar.. både vid sändning och mottagning. Fortfarande låga förluster. För koax gäller att strömmen går på insidan skärm och innerledare. Obalansströmmar returneras på koaxskärmens utsida och därmed uppstår strålning på skärmen. Chassiet bränner Reflektioner pga SWR returneras via koaxskärmens insida och mittledaren! SWR uppträder alltså inte på utsidan av koaxen. Den ström vi upplever på utsidan av koaxen är obalansströmmar. Obalansströmmar brukar också kallas commonmodeströmmar. Den begränsas/hindras med chokebaluner eller andra liknade baluner?
Tuner för balanserad matning The balanced balanced tuner AG6K på www.somis.org På svenska ungefär dubbel L-match S-match enligt PA0FRI också en typ av dubbel L-match. PA0FRI säger mindre än 5% förlust. Mätningar på KRAS-kurser visar på ca 2 % som bäst. Den klassiska linkkopplade transmatchen finns ju beskriven sedan 1940-talet. Vi tittar på S- och dubbla L-matchen. Mycket lättjobbade saxa mot lägsta swr.
S-match enl. PA0FRI
Linkkopplare
Tveksamt lösning En vanlig fabrikstuner med 1:4 balun på utgången för balanserad matning är vanskligt pga: Primärt avsedd för omsättning 200 ohm till 50 ohm. Vad händer om den ska omsätta 4000 ohm till 1000 ohm? Lindningarna borde kanske dimensioneras om i sådant fall? Risk för kärna blir överhettad (märks oftast inte) och slutar fungera. Därefter ren störsändare! Begreppet bredbandstransformator avser frekvensomfång? Ej impedansomfång?
Sammanfattning Använder Du trådantenner som Du vill använda på flera band så är balanserad matning det självklara valet. Byt ut koaxen på din dipol till stege eller bandkabel och Du har en effektiv allbandsantenn! Bygg en enkel avstämmare för balanserad matning. S- matchen är enkel och billig och effektiv! Enda köpepryl är vridkondensator! Spolarna gör du själv t ex med hjälp papp- eller VP-rör, blompinnar och smältlim Du kommer att bli överraskad över resultatet Kom ihåg att Du får motsvarande förbättring vid lyssning. Beskrivningar med bilder finns på www.sk7ca.org. Därefter fliken KRAS kursverksamhet och tekniska artiklar. Sedan avsnittet Matchbox och stegmatning
Ide och tips för klubbaktivitet Kurser-utbildningar-träffar Bygga stegmatare Bygga matcboxar Framförallt köra träffar omkring: Simulering av antenner MMANA-GAL Och matare; TLDetails eller liknande Gruppuppgifter och hemuppgifter Växelströmslära
Utbildningserfarenheter från Kalmar. Tydliga inlärningsmål Måste få ta tid Börja på elementär nivå Ex 80 m qrp CW-transceivern i Kalmar Ytterligare byggaktiviteter jag ser: S-match eller dubbel L-match med all tillhörande växelströmslära tar minst en termin. Antennsimulering. Rörbyggen Arduino.autotunad s-match? Just nu! Alltid teori parallellt
Avslutning Har Du frågor och tips? Vad vill Du jag ska snacka mer om? Eller skriva om? Hör av Dig: sm7cbs@gmail.com Tusen tack för visad uppmärksamhet! Tore SM7CBS