Ein einfaches Antennenanpassgerät in L-Schaltung für Kurzwelle.

Transkript

1 Ein einfaches Antennenanpassgerät in L-Schaltung für Kurzwelle. Bastelprojekt des OV Esslingen im November 2006 Manuskript, ergänzend zum Einführungsvortrag, zusammengestellt von Rolf Schick (DL3AO). Zusammenfassung. Das Bastelprojekt befasst sich mit dem Bau eines Antennenanpassgeräts für Kurzwelle. Die Impedanztransformation des Transceiverausgangs von 50 auf eine im allgemeinen von diesem Wert abweichende und komplexe Antennenimpedanz geschieht über ein L- Glied, wobei eine Hoch- oder Tiefpassschaltung wählbar ist. Der Vorteil eines L-Glieds besteht darin, dass nur 2 Bauteile, ein Kondensator und eine Spule, benötigt werden. Das Arbeits-Q von 2-3 liegt gegenüber Schaltungen mit Schwingkreisen (z. B. Z-Match) deutlich niederer. Die dadurch kleiner auftretenden Spannungen und Ströme erlauben die Verwendung einfacher Bauteile. So wird für die Kapazität ein Plattendrehko eingesetzt, wie er früher für Mittelwelle bei Rundfunkempfängern benutzt wurde. Die Induktivität setzt sich aus 10 in Serie und wahlweise mit kleinen Kippschaltern einzuschaltenden Spulen zusammen. Der Aufbau des Kopplers erfolgt gegenüber Masse in asymmetrischer Schaltung. Durch den Einbau des Kopplers in ein Plastikgehäuse und die Verwendung eines zweckmäßig dimensionierten Strombaluns lassen sich auch symmetrische Antennen mit symmetrischen Speiseleitungen gut anpassen. Im Frequenzbereich von Mhz können nahezu alle in der Praxis vorkommenden Impedanzen angepasst werden. Mit gewissen Einschränkungen im Transformationsbereich ist eine Anpassung auch bei 1.8 MHz und 50 MHz möglich (bei 1.8 MHz ist die Endkapazität des Drehko u. U. zu klein, bei 50 MHz die Anfangskapazität zu groß) Transformationsgesetze zur L-Schaltung. Ein Antennkoppler soll die Ausgangsleistung des Senders maximal auf die Antenne übertragen. Bedingung ist: Ausgangswiderstand oder Ausgangsimpedanz des Sender ( nominell gleich Eingangswiderstand der Antenne, bzw. der Speiseleitung. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Das zwischen Senderausgang und Antenneneingang zwischengeschaltete L-Glied sorgt nun dafür, dass der Senderausgang mit belastet wird und die Antenne rückwärts die konjugiert komplexe Antennen-Eingangsimpedanz sieht

2 Im L-Glied sind X1 und X2 verlustlos gedachte Blindkomponenten, also Induktivitäten und Kapazitäten. Da die Vorzeichen der Blindwiderstände beider Komponenten für die gewünschte Transformation unterschiedlich sein müssen, wird eine Spule (positives X) und ein Kondensator (negatives X) benötigt. Liegt die Spule im Längszweig und der Kondensator im Querzweig entspricht die Schaltung einem Tiefpass (TP), umgekehrt einem Hochpass (HP). Mit den Transformationsformeln können bei gegebenem Transceiverausgang Rg (50 ) und dem anzupassenden, reellen Lastwiderstand Z die Blindwiderstände X1und X2 ausgerechnet und über die Frequenz in Induktivitäten und Kapazitäten umgerechnet werden. Der Querzweig von Spule (bei HP) bzw. von Kondensator (bei TP) muss immer am höheren Wirkwiderstand liegen. Das folgende einfache Beispiel zeigt die Transformation eines Antennenwiderstandes von reellen 100 und der Frequenz 14.2 Mhz auf den

3 Transceiverausgang von 50 für TP und HP Schaltung. Beispiele (links TP, rechts HP) : Vor der Transformation kommt die Kompensation auf einen reellen Widerstand! Die angegebenen Formeln gelten für die Transformation von reellen Widerständen, d.h. der Blindwiderstand muss Null sein. Dies ist normalerweise beim Transceiverausgang (Rg) der Fall, nicht aber auf der Antennnenseite, wo die Impedanz Z= R+jX meist einen kapazitiven oder induktiven Blindanteil (X) aufweist. Dieser Blindanteil muss zuerst kompensiert werden, wobei eine Serien- oder Parallelkompensation möglich ist. Die

4 induktive oder kapazitive Kompensationskomponente muss kein gesondertes Bauteil sein, sondern kann mit dem erforderlichen Wert in der Spule, bzw. dem Kondensator des L-Gliedes aufgefangen werden. Die Spule und der Kondensator im Transformationsglied sind nicht verlustlos. Der Wirkungsgrad des L-Gliedes hängt von der Güte der verwendeten Bauteile ab. Für den Drehko mit Luftdielektrikum und Keramikisolation kann eine Güte von Q=1000 angesetzt werden. Die Spulengüten mit Q etwa 200 sind wesentlich kleiner und bestimmen daher weitgehend den Wirkungsgrad des Kopplers. Mit höherem Transformationsverhältnis sinkt der Wirkungsgrad, wie aus der Formel für hervorgeht. In der Praxis liegt der Wirkungsgrad des Kopplers auch bei der Anpassung wilder Antennen meist deutlich über 90%. Bei 100 W HF-Leistung spürt man (Fingerspitzenmethode!) kaum eine Erwärmung der Spulen und Toroide. Aufbau des Kopplers. Der Koppler enthält 10 in Serie geschaltete Induktivitäten. Der Induktivitätswert von Spule L1 beträgt 0.05 H. Von L2 bis L10 erhöht sich der Wert jeweils um den Faktor 2 (binäre Zahlenfolge) und beträgt bei L H. Mit kleinen Kippschaltern können die Einzelspulen kurzgeschlossen werden. Damit ist bei den 2exp10 = 1024 vorhandenen Einstellmöglichkeiten eine sehr feine Induktivitätsvariation zwischen 0.05 H und 51 H möglich. Da die Spulen auf Eisenpulvertoroidkerne (Amidon) gewickelt sind, ist nicht nur die Spulengüte hoch sondern auch das Streufeld der Spulen vernachlässigbar klein. Damit ist eine sehr gedrängte Bauweise möglich. Die Spulentabelle gibt die eingesetzten Typen der Toroide und Wickeldaten. Die Kapazitätsvariation des Drehko reicht von etwa 10 pf Anfangskapazität bis zu 1000 pf Endkapazität bei parallel geschalteten Statoren. Bei Betrieb bis etwa 200 W

5 HF sind auch bei hochohmiger Auskopplung keine Überschläge im Drehko zu befürchten. Je nach Größe des anzupassenden Wirkwiderstandes (kleiner oder größer 50 wird der Eingang und Ausgang des Kopplers festgesetzt. Der Koppler wird also, entsprechend der anzupassenden Impedanz, einfach umgedreht und ein Schalter damit vermieden. Die Umschaltung von HP auf TP erfolgt mit einem 2-poligen Kippschalter. Der Koppler ist in ein Plastikgehäuse eingebaut. Dies durch die geringen Streufelder der Spulen ohne Nachteil einer fehlenden Abschirmung gegenüber einem Metallgehäuse möglich und sorgt dafür, dass bei Ankopplung an symmetrische Lasten (z.b. mit Parallelleitung gespeiste Dipole oder Loops) mit einem Strombalun gute Symmetrie auf Speiseleitung und Antenne zu erzielen ist. Der Strombalun wird, falls nötig, extern zwischen Koppler und Transceiver eingeschleift. Der Balun besteht aus einem Ferrittoroid, FT240-43, mit 14 aufgewickelten Windungen aus RG58 Koax. Die hohe Induktivität des Baluns (220 sorgt für eine gute Unterdrückung von gegen Masse (Erde) abfliessenden Strömen (Mantelwellen) und erzwingt damit Symmetrie auf der Speiseleitung. Nach meinen Erfahrungen ist bei 100 W HF RG58 Koax ausreichend und kein Kabel mit Teflonisolation erforderlich. Am niederohmigen Eingangsteil des Kopplers ist zur galvanischen Ableitung möglicher statischer Aufladungen der Antenne eine Drossel mit etwa 2 mh parallelgeschaltet. Schaltplan des Kopplers

6 Prototyp des Kopplers (Im Bastelprojekt werden etwas andere Toroidkerne verwendet) Strombalun

7 Bitte zum Bastelprojekt mitbringen: Messer (zum Abisolieren) Etwas feines Schmirgelpapier (zum Abisolieren der CuL Drähte) 1 kleine Flachzange, wenn möglich noch eine kleine Rundzange 1 kleiner Schraubenzieher Das vom Bastler favorisierte Lötzinn (Pb haltig oder Pb nicht haltig!, evtl. eigenen Lötkolben) Drehknopf füe den Drehko