Deze pagina mag afgedrukt worden voor thuisgebruik. Commercieel gebruik of verdere verspreiding is niet toegestaan.
Dit is de afdrukbare pagina, klik hier voor het artikel op de volledige website.
http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=44

antennetuner

inleiding
Een antennetuner (ATU) wordt nog wel eens als een wonderdoos gezien, maar ook als "kastje belazer" bestempeld. Om enige helderheid te verschaffen over wat een ATU doet, hoe het werkt en of je het nodig hebt, heb ik dit artikel in elkaar gezet. De meeste zenders hebben een antenne aansluiting van 50 Ohm impedantie. Voor het gemak wordt in dit artikel daarom 50 Ohm als uitgangspunt gekozen. Andere impedanties kunnen ook, maar dit is uitzonderlijk en het systeem is gelijk, ook bij andere impedanties. De theorie van een ATU bestaat uit een aantal elementen de samenhangen met elkaar. Vandaar dat het lastig is om een compleet en overzichtelijk artikel te schrijven. Geprobeerd is om een beknopt en toch samenhangend artikel te schrijven, het resultaat staat hieronder.
doel
Een antennetuner heeft ten doel de vaste impedantie van de antenne aansluiting van een zendontvanger (doorgaans 50 Ohm) aan te passen aan een antenne dat (net) geen 50 Ohm is. In de meest ideale situatie is de zender, transmissielijn en de antenne van dezelfde impedantie. Dan zijn er (in theorie) geen verliezen en is er geen antennetuner nodig. Deze situatie is hieronder weergegeven.


Helaas is in de praktijk de impedantie van een antenne niet exact gelijk aan de transmissielijn en/of de zender. Als een antenne geschikt is voor meerdere frequentiebanden, is de kans aanwezig dat de impedantie niet exact gelijk is aan die van de transmissielijn en/of zendontvanger. Een antenne is namelijk resonant bij één frequentie, zodra je op een andere (naastgelegen) frequentie afstemt, wijkt de impedantie al af. Het resultaat is dat vermogen niet door de antenne wordt uitgestraald en terug kaatst de zender in of omdat vermogen door misaanpassing in de transmissielijn verloren gaat door verliezen. Reflecties kunnen ervoor zorgen dat een zender eindtrap kapot gaat als er te veel vermogen gereflecteerd wordt van de antenne terug de eindtrap in. Door het aanpassen van de impedantie middels een ATU, wordt deze reflectie, tot in zekere mate, teniet gedaan.
opstelling
In de basis ziet een radiostation er als volgt uit: zendontvanger > staandegolfmeter > antennetuner > transmissielijn > (balun) > antenne. De zender dient altijd op 50 Ohm impedantie te werken, dat kan met behulp van een antennetuner mits de antenne geschikt is, hier kom ik later op terug. Met een staandegolfmeter kan vast worden gesteld wat de reflecties zijn die terug komen vanaf de antenne. Bij een voldoende lage staandegolfverhouding (SWR) zijn de reflecties nihil en is er geen risico voor de zender. Doorgaans is bij een voldoende lage SWR de antennetuner goed afgestemd.
wonderdoos
Een ATU wordt soms ook wel als een "wonderdoos" gezien om alle problemen op te lossen tussen de antenne en de zender. Helaas is dit niet het geval. Met een tuner is het (in theorie) in een extreem geval mogelijk om een "antenne" van één meter draad (met bijvoorbeeld 600 Ohm als impedantie) aan te passen op een zender van 50 Ohm. Dan lijkt de samenstelling goed te presteren omdat de SWR voldoende laag is als er geen/weinig reflecties zijn. Maar er is ook een transmissielijn met een eigen impedantie (bij coax kabel meestal 50 Ohm). Dan is het goed mogelijk dat door de misaanpassing van 50 Ohm transmissielijn naar een 600 Ohm antenne veel vermogen verloren gaat in de transmissielijn. Het vermogen dat verloren gaat, wordt niet gereflecteerd, dus blijft de SWR laag. Dit voorbeeld is hieronder weergegeven.


Dit lijkt volgens de indicatie van de meter dus een goede situatie omdat de SWR meter geen reflectie aantoont, maar het is geen goede beoordeling omdat het vermogen niet uitgestraald wordt door de antenne maar verloren is gegaan door verliezen in de kabel. Oftewel, een antennetuner doet waarvoor deze gemaakt is, het aanpassen van een impedantie. Maar de antenne presteert onder de maat dat het "hogere doel" van een effectieve opstelling niet behaald is. Dus de antennetuner "belazert" je niet, maar de interpretatie van de meting is onjuist en het probleem zit in de antenne. Het is misschien een overdreven voorbeeld, maar het draagt bij aan de beeldvorming. Als er een dummyload aan wordt gesloten op de antenne aansluiting, is de SWR optimaal, dus geen reflecties en andere verliezen. Maar er wordt geen signaal uitgezonden.


De antenne is het belangrijkst van het hele zend-/ontvangststation, dat is de basis. Zorg dat de antenne zo goed mogelijk resonant is door de juiste impedantie zo goed mogelijk te benaderen (via een balun bijvoorbeeld) en het verschil in impedantie dat overblijft kan opgevangen worden door een ATU. Hieronder is bovenstaande situatie te zien, maar dan met een 1:9 balun toegepast. De impedantie is dan met een verhouding van 1:9. Dus 50 Ohm is is 450 Ohm uit. Er is een antenne aangesloten dat bijvoorbeeld 600 Ohm is. Na de balun is de impedantie ongeveer 67 Ohm. Als er een 67 Ohm belasting op een 50 Ohm coax kabel wordt aangesloten is er een missaanpassing met verlies als gevolg, maar dat is acceptabel. 67 Ohm is een veel kleinere aanpassing dan 600 Ohm als er geen balun wordt toegepast.

werking
Er zijn meerdere soorten antennetuners. Wat ze gemeen hebben zijn twee componenten. De spoel en condensator. Het aantal en de vorm van de componenten kan variëren, maar in de basis is de toepassing gelijk. Door een spoel en een condensator te koppelen ontstaat er een "netwerk". Het wordt ook wel een LC-netwerk genoemd om de "L" voor spoel staat en de "C" voor condensator. Deze twee componenten kunnen energie opslaan. De spoel kan een magnetisch veld opslaan en een condensator kan een elektrisch veld opslaan. Zonder te veel in de technische details te ververvallen komt het er op neer dat door het kiezen van de juiste waarde de impedantie aangepast kan worden tussen de ene kant van het netwerk en de andere kant van het netwerk. Door de waarden zo te kiezen, is bijvoorbeeld aan de ene kant een impedantie van 50 Ohm bij de zender en aan de andere kant een impedantie van 60 Ohm aan de antenne kant. Als de antenne dan 60 Ohm is, is de antenne goed afgestemd op de zendontvanger.
ontwerp
Zoals gezegd zijn er meerdere samenstellingen van spoelen en condensatoren om een tuner te verkrijgen. Zo heeft het er ook mee te maken of je een symmetrisch of een niet symmetrische transmissielijn hebt. Een coax kabel is niet symmetrisch en een open lijn is wel symmetrisch. Kort gezegd komt het er op neer dat een transmissielijn symmetrisch is als de signaaldraden ten opzichte van de massa/aarde een gelijke spanning hebben. Van elk draad van een open lijn is er een potentiaalverschil naar de massa. Van een coax kabel heeft de binnenkern een potentiaalverschil ten opzihte van de aarde, maar de mantel heeft dat niet, deze is gekoppeld aan deaarde. De werking van de tuner tussen deze twee systemen is gelijk, alleen is de constructie anders. Uit gemak en eenvoud is besloten om alleen niet symmetrisch systeem te behandelen.

L-netwerk (met rolspoel)
In de basis is één spoel en één condensator nodig. Neem je een spoel in de doorgaande leiding en een condensator van de doorgaande leiding naar de massa is er al een tuner. (L-tuner) De volgorde van de twee componenten bepaalt in het geval van spoel en condensator of de antenne kant een lagere impedantie heeft dan de ingang (zender kant) of bij de volgorde condensator en spoel een hogere impedantie dan de ingang (wederom zender kant). Wanneer de spoel traploos ingesteld kan worden, zoals bij een rolspoel, is één spoel en één condensator voldoende. Door de volgorde van de twee componenten te veranderen door bijvoorbeeld een schakelaar kan in beginsel alles worden afgestemd. Als de impedantie van de antenne gelijk is aan de impedantie van de zendontvanger, is de tuner lastig af te regelen omdat een impedantie verhoud van 1:1 moeilijk te bereiken is. Daar er dan geen ATU nodig is, is het verstandig om een "bypass"mogelijkheid in te ATU op te nemen zodat de zender direct aan de antenne gekoppeld wordt zonder tussenkomst van de ATU.

T-netwerk (met spoel met aftakkingen)
Helaas zijn rolspoelen duur en groot en er wordt dan ook wel voor een vaste spoel gekozen met schakelbare aftakkingen. Dit werkt ook goed en is compacter, maar er kan een kleine misaanpassing ontstaan omdat de exacte waarde van inductie niet beschikbaar is. Om dat op te vangen word er niet één maar twee condensatoren toegepast. De twee condensatoren staan in serie van de transmissielijn en de spoel wordt aan de ene kant aangesloten tussen de twee condensatoren en aan de andere kant aan de massa verbonden. Zo zal de ene condensator vrijwel altijd tegen de maximale capaciteit staan (benadering van maximale koppeling) waarbij de andere bijgeregeld dient te worden voor optimale aanpassing. Als de spoel optimaal afgestemd is, is één van de twee condensatoren dan ook niet nodig. Het netwerk met twee componenten in serie en één parallel wordt een T-netwerk genoemd vanwege de vorm. Deze heeft een hoog rendement en is daarmee prettig. Een L-netwerk is eigenlijk ook een T-netwerk, maar omdat één condensator "vervangen" is door een "draadbrug", is het een T-netwerk meer.

Pi netwerk
Een alternatief is een Pi-netwerk. In dat geval staan er twee componenten parallel en één in serie. De oplettende lezer zal ontdekken dat een Pi-netwerk er hetzelfde uit ziet als een laag doorlaat filter. Daarom kan dit als reden aangevoerd worden om dit ontwerp te kiezen. Echter is een ATU niet om harmonischen te dempen, dat dient al in de zender te gebeuren, dus voor mij geen relevant argument om voor een Pi-netwerk te kiezen. Een ander nadeel is dat de waarden van de componenten (veel) groter dient te zijn. Dit zorgt voor grote componenten die daarmee ook duur zijn. Vandaar dat mijn voorkeur naar een T- of L-netwerk uitgaat.
werkelijke componenten
Het type componenten die toegepast worden in een antennetuner (voor de HF banden) kunnen verschillen.

condensator
De condensator heeft meest al een waarde van 0-250pF. Dit is veelal een luchtcondensator. De plaat afstand tussen de "rotor en stator" bepaalt de maximale spanning ofwel het maximale vermogen. Als vuistregel wordt één kilovolt per millimeter aangehouden als grens voor vonkoverslag. Dus met een plaat afstand van twee millimeter kan er tot twee kilovolt worden gewerkt. Houd er rekening mee dat bij groot impedantie verschil aan de antennekant, de spanningen hoog op kunnen lopen. Grotere plaat afstand kiezen kan hier verstandig zijn als een grote misaanpassing moet worden opgevangen. Vonk overslag treed in vacuüm veel minder snel op. Bij grote vermogens (spanningen) worden doorgaans vacuümcondensatoren toegepast. Dit zijn vaak glazen "potten" met cilindervormige koperen delen die in elkaar kunnen schuiven. Hoever de koperen cilinders in en uit schuiven bepaalt de capaciteit. Vacuüm condensatoren zijn helaas prijzig en als er niet met grote vermogens wordt gewerkt, is een luchtcondensator het alternatief. Om de capaciteit van een luchtcondensator te vergroten, worden ook wel condensatoren van een vaste waarde via een schakelaar aangesloten. Daarmee wordt het bereik vergroot.

spoel
In het meest ideale geval wordt er gebruik gemaakt van een rolspoel. Deze is traploos in te stellen op de gewenste inductie. Helaas zijn rolspoelen lastig zelf te maken, groot en veelal stevig aan de prijs. Het alternatief is een vaste spoel nemen en de gewenste inductie waarde kiezen door middel van aftakkingen op de vaste spoel. Met een (meerstanden) schakelaar kan de gewenste aftakking van de spoel worden geselecteerd en daarmee de bijbehorende inductie gekozen. De diameter, lengte, afstand tussen de draden bepaalt de hoeveelheid inductie.
balun
Er zijn ATU's te koop met ingebouwde baluns (balanced/unbalanced). Dan kan een open lijn aangesloten worden op een ATU. Als de impedantie van de antenne niet overeenkomt met de transmissielijn, betekent het dat de gehele transmissielijn niet optimaal werkt en kan gaan dempen. Verstandig is het daarom om ervoor te zorgen dat de impedantie van de transmissielijn zo goed mogelijk bij de eigen impedantie is door de balun aan het einde van de transmissielijn voor de antenne te plaatsen. Een langdraad antenne heeft ongeveer 600 Ohm als impedantie. Via een 1:9 balun wordt de impedantie daarmee verlaagd naar 66,7 Ohm. Dan heeft de transmissielijn van 50 Ohm een misaanpassing omdat er 66,7 Ohm gezien wordt. 66,7 Ohm is af te stemmen door de ATU en het geheel werkt goed. Als er geen balun is geplaatst, is de 50 Ohm coax kabel belast met 600 Ohm. Duidelijk mag zijn dat er dan veel vermogen in de coax verloren gaat. Dan kan de SWR goed zijn, maar wordt er weinig uitgestraald omdat er veel energie in de kabel wordt opgenomen door demping. Kortom, zorg dat de transmissielijn al zo goed mogelijk aangepast is aan de impedantie van de zendontvanger, dan hoeft de ATU minder aan te passen en is het rendement veel hoger.
mechanische bouw
De componenten van een ATU slaan elektrische energie op in de vorm van een elektrisch of magnetisch veld. (Niet te verwarren met straling, het is immers niet radioactief.) Het is de bedoeling dat deze elektromagnetische (EM) velden in de behuizing blijven. Immers kunnen deze velden storing veroorzaken en hoewel de wetenschap weinig tot geen bewijs heeft voor effecten op de gezondheid, zou ik geen risico nemen en proberen deze elektromagnetische velden te beperken. De beste methode is om een antennetuner in een metalen behuizing te bouwen. Transparant kunststof is mooi, maar het houd geen elektromagnetische velden tegen, dus mijn advies is om het te vermijden. Sterke elektromagnetische velden zijn aan te tonen met een losse tl-balk. Als deze oplicht, zijn er (sterke) elektromagnetische velden aanwezig.
afstemming in de praktijk
CLC tuner
Zet de zendontvanger op de gewenste frequentie. Zet de condensatoren in het midden zodat beide half ingekoppeld zijn. Schakel nu de spoel schakelaar af zodat de signaalsterkte van ontvangst het sterkst is. Zend (met beperkt vermogen) en regel beide condensatoren zo af dat de SWR zo laag mogelijk is. Waarschijnlijk is één van de twee condensatoren (bijna) volledig ingekoppeld. Als de condensator helemaal ingekoppeld is, staat de spoel exact gelijk. Met andere woorden, deze condensator vangt de afwijking in de spoel op dat deze naast de optimale waarde staat. De andere condensator is voor de daadwerkelijke afstemming. Regel de condensatoren na zodat de optimale aanpassing bereikt is. Als het afstemmen niet lukt is het verstandig om de spoel naar een andere aftakking te schakelen.

LC of CL tuner
Als de impedantie van de antenne lager is dan 50 Ohm, schakel de ATU in LC opstelling. Als de impedantie van de antenne hoger is dan 50 Ohm, schakel de opstelling naar CL. Zet de zendontvanger op de gewenste frequentie. Zet de condensator in het midden zodat deze half ingekoppeld is. Verdraai nu de rolspoel zodat de signaalsterkte van ontvangst het sterkst is. Zend (met beperkt vermogen) en regel de condensatoren zo af dat de SWR zo laag mogelijk is. Regel de spoel en/of de condensator na zodat de optimale aanpassing bereikt is.

© 1984...2017 - http://www.amateurtele.com - Afgedrukt op 2017-07-27T18:35:18+02:00