De antennetuner van PA0FNB (VOOR REKENRESULTATEN VAN DE TUNER KIJK HIER)

lezing gehouden op 19 oktober 2006 door PA0WV voor Veron NO Veluwe
http://www.pa0fnb.nl/Tuners/FNB-Tuner/FNB-tuner.htm
De antennetuner:

De symmetrische antennetuner van PA0FNB bestaat uit een spoel van 12 windingen, 50 mm diameter, draad van 2 mm dik, 2 mm gespatieerd. De spoel wordt afgestemd met een varco van 500 pF en tevens symmetrisch over 6 windingen afgestemd met een tweede C van 500 pF, de 50 ohm ingang aan zenderzijde wordt via een 1:1 balun bediend vanuit de zender over 2 wikkelingen symmetrisch in het midden afgetakt, en de feeders liggen aan de binnen C de buiten C of op twee mogelijke aftakkingen daartussenin. Zonder spoelschakelen werkt de tuner op alle hf banden van 80 t/m 10 meter met de antenne van Daan FNB.

De vraagstelling:

De vraag is wat de te verwachten verliezen zijn van deze tuner, en welke antenneimpedanties er allemaal mee afgestemd kunnen worden.

Samenvatting van het betoog:

Wim begint te vertellen dat zijn lezing op theorie is gebaseerd maar dat hij nergens zijn niveau van Mulo-B wiskunde overstijgt. Voorts dat zijn lezing verre van uitgekristalliseerd is omdat hij pas 12 dagen geleden het verzoek kreeg van het afdelingsbestuur om een lezing te geven.Wim WV laat zien dat als de spoeldelen onderling heel vast gekoppeld zijn, koppelfactor 1, bijvoorbeeld met een ringkern, de spoel werkt als transformator waardoor de variatie in de ene C volledig gecompenseerd kan worden door verdraaiing van de andere C en je dus in feite effectief slechts _een_ regelorgaan hebt waarmee de praktische tuner onbruikbaar wordt. Als de tuner volgens zeggen van PA0FNB dan toch naar genoegen werkt, dan kan dat volgens WV alleen als de koppelfactor kleiner dan 1 is, waardoor de spreidingszelfinducties een scheiding tussen de beide C's vormen, danwel dat de antenneimpedantie toevalligerwijs precies ligt op de lijn die in plaats van een
vlak wordt bestreken in het diagram van alle aanpasbare antenneimpedanties R+jX. Er is nog een derde mogelijkheid, namelijk dat de wet van Ohm in de shack niet klopt, een fenomeen dat vrijwel alle in zelfbouw actieve hams wel enigszins bekend voorkomt.

WV laat zien dat zonder het tekenen van grafieken een en ander uitzoeken onbegonnen werk is, en dat hij daarom programmatuur heeft geschreven voor het volledig automatisch plotten van grafieken uit te plotten getallensets in op internet publiceerbaar format, teweten de .bmp bestanden. Programmeren heeft hij zelf
geleerd uit "The absolute Beginners Guide to C, van Perry, uitgever Sams ISBN 0-672-30510-0. Aanvankelijk werden alleen monochrome files gemaakt (zwart wit)
en later aangevuld tot 16 kleuren die gebruikt worden om de rendementen van de tuner aan te geven.

Een en ander eiste analyse van de header van die files.
BMP files zijn niet gecomprimeerd wat de trial and error analyse van de structuur van die bestanden sterk vereenvoudigde. Aangemaakte .bmp files kunnen voor publicatie altijd eerst gecomprimeerd worden door conversie naar een .jpg bestand. Mogelijkheid van de *.bmp files is ook dat er nog in geedit kan worden met het
windowsprogramma Paint. Voordeel van het zelf programmeren is dat de programmatuur makkelijk aanpasbaar is aan nieuw ontstane wensen.

Vervolgens werd een introductie gegeven die inhaakte op de kennis die in de afdeling al vergaard was door een eerdere lezing van PE1IEE over de Smith Chart, en werd de zelf geprogrammeerde Smith Chart getoond.
Gebruik van de Smith chart is eigenlijk wel noodzakelijk omdat die de gelegenheid biedt om _alle_ mogelijke impedanties te plotten en gelijktijdig direct een indruk te krijgen van reflectiecoefficient of SWR. Het is in een lineaire plot met R langs de x-as en jX langs de Y-as niet mogelijk om duidelijk het verschil
te zien tussen bijvoorbeeld 50 en 40 ohm en gelijktijdig een impedantie van 100 kOhm te plotten. 0 en 50 vallen dan samen tot een punt.

De programmatuur kan plotten of bijplotten in bestaande grafieken, zodat ook een gescande smith chart als basis kan worden genomen om in te plotten. Een beeld liet het effect zien van een kabelimpedantieplot in een smith chart die PA0LQ had gemaakt op zijn computer met QBasic en aan WV had overhandigd. De lijnen van de door WV erbij geplotte kabelimpedantie zijn echter veel dunner vergeleken met de lijnen van de ingescande grafiek, zodat verder alleen op een 800 maal 800 pixelfile de zelfgeplotte smith chart is gebruikt.

Na dit intermezzo der grafieken, bleek dat WV aanvankelijk wel kans zag door gebruik van de spoelentabel om van een spoel met slechts een aftakking de wederzijdse inductie van de spoeldelen met de tabel te berekenen maar dat spoelen op een hartlijn op willekeurige afstand van elkaar hem aanvankelijk voor onoverkomelijke problemen plaatste, die later tijdens het onderzoek zijn opgelost, omdat met het vorderen van het werk ook het inzicht groeit.

Hij wees erop dat wederzijdse inducties M en koppelfactoren k tussen spoelen voor de amateur in zijn shack met beperkte hulpmiddelen meetbaar zijn, omdat als een gekoppelde spoel wordt kortgesloten de andere spoel in waarde daalt met een factor (1-k^2). Een spoel opgenomen in een oscillatorkring levert dan een
wijziging van de frequentie die een nauwkeurige bepaling geeft.
De M kan ook gemeten worden, wellicht nog nauwkeuriger omdat de spoelweerstand dan geen rol speelt, door de spoelen L1 en L2 in mee- of tegenfase met elkaar in serie te zetten. Het verschil tussen de totale in seriegeschakelde spoelen is dan 4M, waaruit M en de koppelfactor k=wortel(L1.L2) berekend kunnen worden.
Dat in mee en tegenfase schakelen van de spoelen kan niet als je een spoel met een aftakking hebt, van koperpijp, die ga je niet even voor de meting in twee stukken zagen.

De spreker ging eerst verder met twee en drie elements tuners van alle mogelijke structuur die geen magnetisch gekoppelde spoelen hebben, om te tonen welke gebieden in de smith chart ermee afstembaar zijn. Opvallend was dat het T filter, twee C's horizontaal en het knooppunt door een spoel naar aarde, overduidelijk
het grootste aanpasbereik had, maar tevens qua verliezen die in kleur werden aangegeven, er minder goed afkomt.

Vervolgens bleek na genoemde vastloper in het onderzoek, WV toch kans te hebben gezien door het door ervaring opgedane vergrote inzicht om waterdicht uit de spoelentabel de wederzijdse in-
ducties tussen alle spoeldelen te kunnen berekenen, dus ook tussen die op afstand van elkaar liggen.

Dat leidde dan via de wetten van Kirchhof, die hopelijk in zijn shack wel kloppen, tot het opstellen van 3 vergelijkingen met 3 onbekende maasstromen, en bij een voor de feeders extra afgetakte spoel zelfs tot vier vergelijkingen met 4 onbekenden die de maasstromen als oplossing leveren. Op de details van die verge-
lijkingen en het oplossen werd (gelukkig) niet ingegaan.

Wim legde uit dat er bij hem meerdere methoden zijn opgekomen om een antennetuner te analyseren. Namelijk:

1. Er wordt een willekeurige antenneimpedantie gekozen R+jX die op de uitgang van de tuner wordt aangesloten. Vervolgens worden de twee C's van 500 pF verdraaid (om de pF) tot de ingang 50 ohm toont. Als dat het geval is dan heb je 1 punt van alle aanpassingsmogelijkheden gevonden en dat kost 250000 keer een C instellen als je dat in een stapgrootte van 1 pF doet. Voordeel is dat je wel gelijk ook het bijkomende tunerverlies uit de Q van de spoel kunt berekenen. Variaties zijn denkbaar, dat je aanvankelijk grovere stappen met de C's doet en die bij naderen van aanpassing pas gaat verfijnen.

2. Gebruik wordt gemaakt van een eigenschap van verliesvrije netwerken dat als je op de zenderingang van de tuner 50 ohm zet je op de uitgang de geconjugeerde van de antenneimpedantie kunt berekenen. Geconjugeerd wil zeggen met tegengesteld imaginair deel, zodat maximale vermogensoverdracht plaatsvindt omdat de imaginaire delen elkaar uitstemmen als seriekring. Per instelling van de tuner vind je dan een antenneimpedantiepunt dat aanpasbaar
is. Dat gaat dus in feite 250000 keer sneller en tevens zonder missers van niet aanpasbare impedanties. Nadeel van deze methode is echter dan dat als de tuner niet verliesvrij is je bij terugrekenen van de gevonden antenneimpedantie naar de zenderingang, je niet precies 50 ohm vindt als zenderingang, maar een min of meer afwijkend bedrag waarvan de afwijking kan toenemen als de verliezen groter zijn.
Plots van de ingangsimpedantie van allerlei tunerconfiguraties met niet magnetisch gekoppelde spoelen werden als toelichting getoond met de reflectiecoefficient op de ingang, als er een spoel met eindige Q wordt gebruikt.

3.
Later komt er nog een derde methode, als variant op nummer 2 op de proppen, namelijk dat je de tuner afsluit met 50 ohm, de antenneimpedantie bij een tuner instelling daarvan berekent, vervolgens terugrekent bij die instelling van de tuner wat bij de gevonden antenneimpedantie de ingangsimpedantie is. Als die af-
wijkt van 50 ohm wordt een diametraal afwijkende impedantie op de 50 ohm ingang als dummy gezet, Vind je bijvoorbeeld 47 ohm dan wordt de hele rekenpartij herhaald met 53 ohm, om te kijken of de ingangsimpedantie dan wel 50 ohm is. Dat zit dan in een automatisch zich herhalende rekenlus, die stopt als aan de zenderzijde de reflectiecoefficient niet meer kleiner wordt of 0 is. Dat levert soms resultaat maar lang niet altijd.

Tot slot komt dan methode 4 op de proppen die snel, en waterdicht is. De 4 maasvergelijkingen van Kichhof , daarvan is er als de zender 50 ohm moet zien, een al opgelost want de stroom in 50 ohm is dan bekend. Je houdt dan 4 vergelijkingen met 3 onbekenden over, die zijn dus afhankelijk of strijdig. In de vergelijking
waar de antenneimpedantie inzit wordt die zo gekozen dat de vergelijking afhankelijk is. De antenne impedantie is dan dus nauwkeurig berekend, met verliesgevende spoel. Ter zontrole wordt dan vervolgens met die instelling van de tuner en die antenne impedantie berekend wat de ingangsimpedantie is. Die blijkt dan inderdaad altijd exact 50 ohm te zijn. Uit het vermogen dat de antene ingaat en het verliesvermogen in de spoel wordt het rendement berekend, aangegeven met een kleur in de grafiek, waarna de resultaten geplot worden in een Smith Chart. Deze berekeningen zijn gedaan voor de 4 antenneaftakpunten die PAoFNB in zijn tuner heeft aangebracht.

In CQ-PA zijn de resultaten van een andere zo berekende tuner de FRI match of Z-match, ook een tuner zonder schakelaar, berekend.


De dekkingsgraad van die tuner is niet volledig maar wel aanzienlijk groter dan de tuner van PAoFNB. Vooral op 80 meter blijkt uit de platen duidelijk dat FNB geluk had dat zijn antenneimpedantie binnen de aanpassingsgebieden die daar smalle groene sikkels zijn, is gevallen.


Conclusies en aanbevelingen:

1. Een innovatief gebruik van een klassieke spoelentabel voor eenlaagsluchtspoelen maakt het berekenen van inductief gekoppelde tuners met meerdere aftakkingen op de spoel mogelijk.

2. Het gebruik van de Smith chart in plaats van een lineaire plot van R en jX langs de assen van een rechthoekig coordinatenstelsel, is noodzakelijk om te bereiken dat grote impedanties tegelijk kunnen worden opgenomen in een grafiek met kleine impedanties (afwijkingen van 50 ohm) en direct beoordeeld kan worden wat
de invloed is op de swr, omdat de smith chart in feite de plot is van de reflectiecoefficient in een polair coordinatenstelsel.

3. Bij een theoretisch doorrekenen, niet gesteund door metingen, is het controleren van stappen van groot belang. Controles zijn ingebouwd waaronder dat de berekening van de antenne impedantie als die op de binnen C of de buitenC is aangesloten, met dan een minder fine verdeling van de spoelen is berekend, omdat er geen aftakking wordt gebruikt tussen die twee punten in. De resultaten stemmen exact overeen, met het model dat die aftakkingen wel aanwezig maar niet gebruikt worden.

4. Het gebruik of pogingen daartoe om een ferriet(ring)kern in frequentiegebieden waarbij het rendement van de tuner laag is, is ten zeerste af te raden. Lagere rendementen worden veroorzaakt door hoge spoelstromen en hoge spoelspanningen, als het ferriet daardoor in de verzadiging komt treedt er intermodulatie op van het uitgezonden signaal en kunnen ontoelaatbare nevenfrequenties ontstaan in de doorlaatband.

5. Het idee dat een Collins- of Pi filter beter zou zijn omdat het zich als laagdoorlatend filter voordoet, en derhalve minder harmonischen zou doorlaten, houdt geen stand omdat de afsluitimpedantie onbekend is op de ongewenste frequenties, en als die de geconjugeerde is van de daar geldende in de tuner geziene impedantie, de tuner zich onafhankelijk van de frequentie zich altijd voor elk type filter zich als een all pass gedraagt. 6. Het gebruik van feeders op aftakkingen van een afgestemde spoel kan ongemerkt leiden tot een verlies van 100%, bij loskoppelen van de antenne is de zender dan belastbaar afregelbaar met een SGV=1. Alle energie verdwijnt dan in de spoel. Heeft een tuner normaal een rendement van 90% dan is slechts een spanningverhoging van ruim een factor 3 op de spoel aanleiding tot dat gebeuren, zonder dat overslag in de condensatoren plaats vindt omdat die dan ook slechts drie keer de normale spanning te verduren hebben.

(VOOR REKENRESULTATEN VAN DE TUNER KIJK HIER)

De lezing verliep wat teleurstellend voor de spreker, die zich veel moeite had getroost om binnen de hem toegemeten 12 dagen de lezing te componeren, want de voorzitter onderbrak die, omdat hij veronderstelde dat de aanwezigen het niet konden volgen, en na afloop overhandigde hij cash een verfrommeld biljet van 20 euro aan de spreker zonder couvert, als bijdrage voor 280 km vervoerkosten met zijn auto en de kosten van zijn beamergebruik. Voorts werd er toegezegd dat de lezing op de website van NOV deze samenvatting zou bevatten, die deze alinea toen nog niet bevatte, hetgeen later weer werd ingetrokken. De afdeling A34 van de Veron NOV heeft bij monde van de voorzitter te kennen gegven geen verdere lezingen van de spreker te zullen consumeren.

 

ml>