Eindgevoede antennes 

Het betreft hier een hardop nadenken over dit antennetype dat ook bij mij in gebruik is. 

Een eind gevoede antenne voor de 80/40/20/15 en 10 meterband, met een spanwijdte van slechts 23 meter. Maximaal belastbaar vermogen 200 Watt PEP.

Afbeelding 1
Op de foto een soortgelijke multiband draadantenne van EZwire van 10 - 80 mtr.

Bron: https://www.dxpatrol.pt/index.php/wire-antennas

Ik lees verder op de website dat bij deze antenne een verlengspoel wordt gebruikt. Mag ik aannemen dat de totale lengte van deze antenne op de 80 meterband in de buurt komt van een halve golflengte?
Voor 40 meter is dan de totale lengte een hele golflengte, voor 20 meter twee golflengtes, voor 15 meter drie golflengtes en voor 10 vier golflengtes.

Alle genoemde frequentiebanden moeten dan een resonantie geven op deze antenne. Dat betekent in dit geval dat er op de uiteinden van de antenne een hoge impedantie te vinden is. De antenne is iets langer dan gebruikelijk, waarschijnlijk om op alle banden het beste resultaat te verkrijgen, of om extreem hoge impedanties te vermijden.

Deze antenne wordt aan één zijde gevoed door gebruikmaking van een z.g. UNUN.


(Een UNUN is een breedbandtransformator die het mogelijk maakt om de ongebalanceerde coax te verbinden met een ongebalanceerde antenne. (Unbalanced / unbalanced.)
Meestal is op het UNUN kastje vermeld welke impedantieverhouding wordt gebruikt. In dit geval staat er op dat het een 1 : 9  UNUN is. Er is op internet zeer veel over UNUN´s en BALUNS´s te vinden met hele berekeningen. Ik ga dat hier niet doen en probeer het amateurvriendelijk te houden.
Ik denk dat er veel fouten worden gemaakt als het gaat om de 1 : 1, 1 : 4 of 1 : 9 verhoudingen van BALUNS en UNUNS.

Transformatieverhouding en impedantieverhouding.
De transformatieverhouding is gemakkelijk te begrijpen het gaat hier om het aantal windingen op een transformator. Bijvoorbeeld voor een voedingstransformator die van 230 Volt, 12 Volt moet maken, betekent dit een transformatieverhouding van 230/12, het geen overeen komt met een wikkelverhouding 19 : 1. Primair dus 19 windingen secundair 1 winding. Het aantal windingen zijn natuurlijk veel te weinig om een goede werking te krijgen. Je kunt eenvoudig alle windingen bijvoorbeeld X 100 doen. In dit geval wordt dit primair 1900- en secundair 100 windingen. Hoeveel windingen je wilt gebruiken, is afhankelijk van de soort transformator. Je moet alleen de wikkelverhouding gelijk laten.

Afbeelding 2

In de hoogfrequentechniek gaat het net zo. Alleen heeft de gebruiker, die een complete UNUN of BALUN koopt, geen interesse in het aantal windingen dat wordt gebruikt. Dat is door de fabrikant al berekend en zijn “geheim” werd door hem netjes in een waterdicht kastje verstopt. De fabrikant heeft berekend voor welk frequentiebereik zij geschikt moet zijn en voor welke impedantieverhouding. Hieronder het schema van een 1 : 9 UNUN, die bijna altijd gewikkeld is op een passende ringkern. In dit geval is de impedantietransformator met drie draden gewikkeld, die of trifilair in elkaar gedraaid zijn of netjes naast elkaar gelegd.

Schema 1

Winding "C" is de primaire winding en "B" en "A" zijn de secundaire windingen. Direct is dan al te zien dat de wikkelverhouding 1 op 3 is. 

Het kan ook nog op een andere manier, zoals het schema hieronder laat zien.


Schema 2

Op verschillende schema´s is parallel over de primaire kring een condensator geplaatst met waarden tussen 100- en 200 pF, geschikt voor een spanningen tot 6 kV. Op de afbeelding hieronder is de UNUN gemaakt conform het schema hierboven. Uitgaande van primair 3 windingen, die bifilair gewikkeld zijn met de eerste drie van de secundaire winding.


Afbeelding 3

Op de secundaire zijn de verschillende aftakkingen gemaakt voor de verschillende impedanties, tegen de klok in gezien is de eerste een 1 .1. Dit is de bifilaire wikkeling. Daarna respectievelijk: 1 : 4, 1 : 9, 1 : 16, 1 : 25 en 1 : 36.

De door mij gebruikte ringkern is een voor mij onbekend type, maar dat komt uit een fabrieks 1 : 1 BALUN transformator en zal daarom zeker geschikt zijn voor de amateurbanden van 1,8- tot 28 mHz.

De impedantieverhouding kan worden berekend met de volgende gegevens:
Eerst de wikkelverhouding. Dit is het verschil in het aantal windingen primair, gedeeld door het aantal windingen secundair.
Voor de impedantieverhouding moet deze uitkomst in het kwadraat genomen worden.
De impedantieomzetting van 50 Ohm naar een hogere (kan ook naar een lagere) impedantie kan dan worden uitgerekend met: De primaire impedantie, in dit geval 50 Ohm van de coax, maal de impedantieverhouding.

Hieronder een tabel, van een aantal veel voorkomende impedantieverhoudingen in UNUN´s :

Wdg.prim. Wdg. sec. wdg.verh. Imp.verh. Prim.imp. Sec. imp. Imp. out
2 4 1 : 2 2 X 2= 1 : 4 50 Ohm 50 X 4 = 200 Ohm
2 6 1 : 3 3 X 3= 1 : 9 50 Ohm 50 X 9 = 450 Ohm
2 8 1 : 4 4 X 4= 1 : 16 50 Ohm 50 X 16 800 Ohm
2 12 1 : 6 6 X 6= 1 : 36 50 Ohm 50 X 36 1800 Ohm
2 16 1 : 8 8 X 8= 1 : 64 50 Ohm 50 X 64 3200 Ohm

 

Tabel 1

En hieronder een tabel met een primaire van 3 windingen.

Wdg.prim. Wdg. sec. wdg.verh. Imp.verh Prim. imp. Sec. Imp. Imp. out
3 6 1 : 2 2 X 2 = 4 50 Ohm 50 X 4 = 200 Ohm
3 9 1 : 3 3 X 3 = 9 50 Ohm 50 X 9 = 450 Ohm
3 12 1: 4 4 X 4 = 16 50 Ohm 50 X 16= 800 Ohm
3 15 1: 5 5 X 5 = 25 50 Ohm 50 X 25= 1250 Ohm
3 18 1 : 6 6 X 6 = 36 50 Ohm 50 X 36= 1800 Ohm

Tabel 1a

Terug komende op de eerder genoemde eind gevoede multiband antenne denk ik zelf dat deze antenne via een UNUN, met een impedantieverhouding van 1 : 9 gevoed wordt. Als je de literatuur er op naslaat, is dit de meest verkochte UNUN en dus ook het meest gebruikt. Deze zet de 50 Ohm impedantie van de coax om in een antenne impedantie van 450 Ohm.

Zoals gezegd, is een BALUN een transformator die de ongebalanceerde coax in verbinding kan brengen met een gebalanceerde antenne, zoals bijvoorbeeld een dipoolantenne. (Balanced/unbalanced)) Omdat een BALUN, in tegenstelling tot een UNUN, wel symmetrisch moet werken, is de balancering van deze trafo van belang. Vandaar dat de draden meestal bifilair of trifilair worden uitgevoerd. Dus in elkaar gedraaid, of heel netjes naast elkaar gelegd. 

Het kan nóg mooier:
Ik las het volgende in een advertentie: "Een verticale antenne met een lengte van 5,5 meter, te gebruiken zonder radialen, zendmatig werkende op frequenties tussen 3,5- tot 52 mHz."
Natuurlijk wel in samenwerking met de automatische antennetuner in je set.  En voor de 80 meter, 17 meter, 12 meter en 6 meter heb je ook nog een handmatige antennetuner nodig, omdat de antennetuner in je set de impedantieaanpassing zeer waarschijnlijk niet aan kan.

Heeft je set geen automatische antennetuner? Dan moet je alles met de hand doen. Maximaal kan er 400 Watt PEP in gestookt worden. Deze antenne maakt ook gebruik van een UNUN en het zal er ook wel één zijn met een impedantieverhouding van       1 : 9. De aan te sluiten coax is een kabel met een impedantie van 50 Ohm. Ik kan zo niet bepalen wat voor impedantie een antenne van 5,5 meter lengte op zijn uiteinden heeft. Dit is natuurlijk per band ook weer verschillend.

In ieder geval moet nergens in het werkgebied een resonantie te vinden zijn, anders krijg je heel vreemde waarden te verwerken en zal de antennetransformator heel vreemde impedantiewaarden doorgeven.
Dus dergelijke antennes werken niet op hun resonantie! 


Een voorbeeld:
Onze gebruikte antenne is 20 meter lang en zal voor de 80 meterband werken als een kwartgolf. Sluit ik de UNUN 1 : 9  aan op deze antenne en stemmen we de tuner op de 80 meterband af, dan zal de antenne, aan de zijde waar niets aangesloten is, een hoge impedantie bezitten. Maar aan de UNUN zijde een lage impedantie.

Een ideale kwartgolfantenne met de juiste tegencapaciteit (goed aardvlak of radialen) zal een impedantie geven zo tussen de 30- en 70 Ohm. Meestal is deze impedantie hoger, omdat het een hele kunst is om een goede tegencapaciteit, in de vorm van een aarde of radialen te verkrijgen. Onze antenne mét UNUN heeft voor deze impedantie geen ideale aanpassing en daarom zal de impedantie wel hoger liggen. Zeg maar 100 Ohm.

De UNUN zorgt dan voor een impedantietransformatie; in dit geval van 100 op 9 = 11 Ohm. Dat is een heel lage impedantie, welke niet overeenkomt met de specifieke 50 Ohm impedantie van de coaxkabel. Dit komt overeen met een SWR van meer dan 1 : 3. Misschien kunnen we met de tuner toch prima op een SWR van 1 : 1 afstemmen. Maar in dit geval doet de coax niet meer het werk waarvoor zij  geconstrueerd is, namelijk op de specifieke impedantie van 50 Ohm, een signaal transporteren van punt “A” naar “punt “B” en zal waarschijnlijk net zoveel stralen als de antenne zelf.

Opmerking:

Dat we niet persé dure apparatuur nodig hebben om een eigen antenne met aanpassingseenheid te analyseren, moge blijken uit de notities die hier te lezen zijn. De analyse heb ik gemaakt met een MFJ-259B SWR analyzer. De info heb ik verwerkt in EXEL.


Afbeelding 4

Het door mij genoemde voorbeeld, kan ik zo wel opschrijven, maar klopt het ook in werkelijkheid? Als iemand tegen ons zegt. Dat hoef je niet te meten, want dat klopt!" of "klopt niet!", dat willen we als radiohobbyisten toch zelf graag onderzoeken.

Op de grafieken, verderop in deze page, zijn de resultaten zichtbaar gemaakt voor de frequenties tussen 2 mHz t/m 30 mHz. in stappen van 1 mHz. Ik kom hier later uitgebreid op terug.

Maar voor we verder gaan eerst de vraag: "Wat moet ik weten om dit onderzoek te doen?
Dan is het van belangrijk om de navolgende zaken te weten.

Wat is resonantie?
Wat is impedantie? (Impedantie wordt voor berekeningen als "Z" uitgedrukt.)
Wat is een complexe impedantie?
Wat is reactantie?
Wat betekent de SWR?



Antwoorden in willekeurige volgorde:


Grafiek 1

(Uit het boek "Ontvangers" van F.A.S. Sterrenburg. Uitgeverij Muiderkring 1973. Nog steeds bij mij in gebruik als een "Bijbel", dus altijd weer ter hand wordt genomen.)

Allereerst: De reactantie kan gezien worden als een wisselstroomweerstand. Net als een pure weerstand, maar dan opgewekt door wisselstroom/spanning, in afhankelijkheid van de waarden en kwaliteit van de veroorzakers, te weten condensatoren en spoelen alsmede de frequentie 
In de grafiek 1 zijn de reactanties van een condensator en een spoel afgezet als functie van de frequentie. We zien dat bij een zekere frequentie de capacitieve reactantie gelijk is aan de inductieve reactantie. Dat is het punt waar beide reactanties elkaar opheffen en "0" zijn. Het lijkt alsof de condensator en de spoel niet meer aanwezig zijn. Het enige wat dan nog telt, is de kwaliteit van de de condensator en in belangrijkere mate de kwaliteit spoel, genoemd als de kwaliteitsfactor. Hoe hoger deze is, des minder verliezen. Genoemde "0" situatie noemt men de resonantie van een kring. Dat dit een ideale situatie is, waar je in werkelijkheid nauwelijks aan komt, zal later blijken.

In deze situatie zal in theorie, bij resonantie, een seriekring de maximale stroom hebben en de minimale spanning en bij een parallelkring zal in deze situatie de spanning maximaal zijn en de stroom minimaal. Daarmee is ook de vraag opgelost over impedantie, want de impedantie is de weerstand over de kring, al of niet in resonantie op een bepaalde frequentie.

SWR: Standing wave ratio. Dat is de verhouding van de hoeveelheid signaal dat in de gebruiker wordt opgenomen. (in ons geval een antenne) en de hoeveelheid signaal dat door misaanpassing wordt gereflecteerd en terug stroomt. 

Complexe impedantie is een gemeten impedantie, die ontstaat als de spoel en de condensator samen niet in resonantie zijn, maar voor resonantie gebruik maken van parasitaire inducties en capaciteiten. Dus geen pure "0" bij resonantie. De uitkomst wordt opgeteld bij de bestaande impedantie. Dit kan betekenen dat een prima 50 Ohm SWR , te weten 1 : 1.0 wordt afgelezen terwijl de werkelijke impedantie b.v. slechts 20 Ohm bedraagt. De complexe impedantie vult dit dan aan tot de 50 Ohm, maar het kan ook veel meer of veel minder zijn.

De hierboven genoemde zaken moeten begrepen worden om de eerder geplaatste grafieken te begrijpen.

Op grafiek 2 zijn de resultaten af te lezen van de SWR gemeten van 2 - tot 30 mHz met een 450 Ohmse belasting. We heb gebruik gemaakt van een eigenbouw UNUN met een impedantieverhouding van 1 : 9 met een uitgangsimpedantie van 450 Ohm. De rode streep is gezet op de plaats waar de SWR 1 : 2  is en de groene streep geeft de 1 : 1 van de SWR aan.


Grafiek 2

Op de grafiek is af te lezen dat de resonantiefrequentie van deze configuratie, uit komt op 23.293 mHz. en geeft een impedantie van 55 Ohm bij een reactantie van 4 Ohm. Daardoor is de SWR 1 : 1,3. In deze configuratie zou de UNUN geschikt zijn voor frequenties van 8- tot boven de 30 mHz.

Kan het nog beter?
Om te kijken of de belasting van 450 Ohm zuiver is voor een optimale reactantie, heb ik een potmetertje, met metalen behuizing en kunststof asje de plaats is laten nemen van de 450 Ohm belasting en daarna gezocht naar een optimale reactantie.


Grafiek  2a.

Ik vond op de frequentie 23.844 mHz een 51 Ohm impedantie bij een reactantie ("X") van 1 Ohm. Een SWR van 1 : 1 is het gevolg.
Zie hiervoor grafiek 2a. De gemeten Ohmse belasting bleek 606 Ohm te zijn. Terug rekenen met de 1 : 9 UNUN kom ik op een primaire impedantie van 67 Ohm. Dit zou 50 Ohm moeten zijn.
Het verschil kan zitten in een onnauwkeurige transformatieconstructie, door de primaire met teveel- of te weinig windingen uit te voeren, of de meetunit geeft geen zuivere 50 Ohm belasting.
In ieder geval heb ik met deze waarden het spectrum van 2- tot 30 mHz afgemeten in stappen van 1 mHz. We zien dat het werkbare gedeelte 2 mHz naar boven is opgeschoven, maar de SWR is duidelijk beter. 

Conclusie: Een theoretische UNUN met een impedantieverhouding van 1 . 9 transformeert een 50 Ohm impedantie om naar 450 Ohm. Of omgekeerd. Ideaal zou zijn dat deze UNUN frequentieonafhankelijk is. Op de grafiek is dan een horizontale lijn te zien. In de praktijk valt dit anders uit en zal de permeabiliteit van de ringkern en de kwaliteit van het wikkelen, alsmede de hoeveelheid windingen van de primaire winding in verhouding met de secundaire bepalen hoe de UNUN zijn werk zal doen.
Dat ik met de primaire een hogere impedantie heb, zal te maken hebben met het feit dat ik i.p.v. 2 windingen, drie heb genomen. Dit heb ik gedaan om de UNUN op een lagere frequentie te laten werken. Zelfs dan begint de UNUN pas na de 8 mHz netjes zijn werk te doen.


Je ziet vaak dat in deze UNUN configuratie, over de primaire kring een condensator is opgenomen met een waarde van ca. 200 pF. Dit is kennelijk gedaan om de UNUN op een iets lagere frequentie werkbaar te maken. Uiteraard, nu ik toch bezig ben, heb ik de meting mét deze condensator gedaan met de belasting zoals in grafiek 2 aangegeven.


Grafiek 2b.

Grafiek 2b. Inderdaad is er met deze condensator veel veranderd. Met name is de resonantiefrequentie drastisch lager geworden, te weten 8,222 mHz. De impedantie op die frequentie is 66 Ohm, de reactantie 15 Ohm en de SWR 1 : 1,4. Deze condensator zorgt kennelijk toch voor complexe impedanties. Per slot is de primaire kring in deze een parallelkring geworden. Of dat goed is? De UNUN is in deze configuratie werkbaar tussen 5- en 13 mHz. Dus inderdaad een stuk lager in frequentie, maar is daardoor veel smalbandiger geworden..

We gaan nu met deze UNUN echt aan het werk en monteer ik de 20 meter lange draadantenne op de top van deze UNUN.
Voor dat ik dat doe gaan ik eerst even bij mezelf filisoferen wat ik kan verwachten. Een draad met een lengte van 20 meter, is op de 40 meterband als een halve golflengte in resonantie en verder zullen de veelvouden van deze halve golflengte ook een resonantie opleveren. Buiten deze resonantiefrequenties zullen complexe impedanties onverwachte aanwijzingen laten zien. Dit laatste zal wel te berekeken zijn, maar er zijn zoveel factoren aanwezig om dit maar na te laten.


Grafiek 2c

Omdat de antenne een halve golf voor de 40 meterband, één golflengte voor de 20 meterband, 3/4 golflengte voor de 30  meterband, anderhalve golflengte voor de 15 meterband en 2 golflengten voor de 10 meterband is, mogen we op die genoemde banden verwachten dat deze antenne hoogomig zal zijn. 
We zien in grafiek 2c dat de frequenties van ong. 8,5- tot 11,5 mHz, 15,5- tot 18 mHz, 20- tot 23 mHz en verder van 27,5- tot 29,5 mHz. een aceptabele SWR geven, maar onze verlangde amateurbanden, met uitzondering van de 15 meterband (21- tot 21,5 mHz) en de 10 meterband (28- tot 29,5 mHz) een slechte SWR vertonen. Is dat te verklaren? 

Misschien komen we al snel tot de conclusie dat de antenne te kort is. Wanneer we het hele systeen een paar megaherz naar links zouden kunnen schuiven komen de 40, 30, 20, 15 en 10 meterband in de dip waar de SWR in orde is. Dat betekent dat we de antenne een stuk langer moeten maken, zodat de resonantie van de antenne lager uit komt.

Maar: Weten wij op welke frequentie deze antenne in resonantie is? Dat kunnen we met de SWR meting niet te weten komen, omdat deze meetwijze ook de complexe impedanties aangeeft als een gezamenlijke eindproduct.
We moeten zoeken naar het resonantiepunt, of resonantiepunten van harmonischen, waar de reactantie "0" is of daar dicht bij komt. De reactantie wordt in "X" uitgedrukt.  Een reactantieaflezing van 5 of 6 is laag te noemen kan nog als "0" gezien worden. (Norm by OE7LFJ Gejo)


Grafiek 2d

We nemen onze MFJ 295B weer ter hand en plotten van 2- tot 30 mHz de reactanties in afstanden van 1 mHz. Dat is misschien wel een beetje grof gemeten, maar het geeft in ieder geval een beeld.
Bestuderen we nu grafiek 2d, dan zien we dat de reactanttanties laag zijn, alhoewel niet helemaal 0, bij de navolgende frequenties:
9 mHz, 17 mHz, 23 mHz en 29 mHz. We kunnen er van uitgaan dat deze vier frequenties iets met de resonantiefrequentie van doen hebben. De stappen van 1 mHz zijn eigenlijk te grof en moeten we spreken op "omstreeks deze frequenties"  Toch komt er geen duidelijk harmonisch verband uit. Ik geef dit de schuld aan de complexe impedanties die op steeds hogere frequenties een belangrijkere rol gaan spelen. In ieder geval is de hoogst gemeten reactantie juist in de 40 meterband. Daar waar de antennelengte een halve golflengte heeft. Om tot een beter resultaat te komen heb ik nauwkeuriger gemeten op de hierboven in grafiek 2d dips. Ik kom hier tot de navolgende resultaten:

Frequentie Impedantie Reactantie SWR
2,6 mHz 32 21 1 : 1,8
3,4 mHz 31 21 1 : 2
8.981 mHz 41 10 1 : 1,3
9.807 mHz 46 23 1 : 1,6
10.702 mHz 51 26 1 : 1,6
16 mHz 31 16 1 : 1,9
21.747 mHz 46 18 1 : 1,4
28 mHz 74 19 1 : 1,6
28.665 50 8 1: 1,1

Tabel 2

Zo op het eerste gezicht kun je tevreden zijn met een redelijke SWR op verschillende frequenties. Maar slechts 1 frequentie steekt er, voor wat de aanpassing, met kop en schouders bovenuit. Dat is de laatste frequentie, overeenkomende met een golflengte van ongeveer 10 meter. De 20 meter antennedraad is dus voor deze frequentie 2 golflengtes lang. De frequentie van 8.981 mHz komt er ook redelijk vanaf.
Als we grafiek 2c en d op elkaar leggen, dan zien we toch een verband tussen de reactantie en de SWR. Alleen kun je uit de SWR grafiek alléén niet een resoantiefrequentie halen. Daar heb je de reactantieaanduiding ook voor nodig. Voor mij onbegrijpelijk waarom de hele- en de halve golflengten in de tabel, als lage reactantiewaarden, niet tot uitdrukking komen. Maar we zijn nog niet klaar met ons onderzoek. 

 


Grafiek 2e.

Hetzelfde plotsysteem voeren we nog een keer uit en lezen de impedantie af, die als "R" wordt aangegeven.
Kijken we nu op grafiek 2e dan zien we voor de 80 meter 3,5 - 4 mHz een zeer lage impedantie. plus de 15 Ohm reactantie geeft dat nog een extreem lage waarde. De conclusie kan daarom zijn dat de 1 : 9 UNUN op deze lage frequenties zo weinig inductantie veroorzaakt dat het als een kortsluiting werkt en daardoor de impedantie niet naar de gewenste 50 Ohm omgezet kan worden. In grafiek 2 is op die frequentie dan ook een enorm hoge SWR te vinden.

Op de frequentie rond de 9 mHz, waar de reactantie 10 Ohm is.(grafiek 2d), meten we een impedantie van 40 Ohm. (grafiek 2e) Deze bij elkaar opgeteld komt de complexe impedantie uit op circa 50 Ohm. Vandaag een SWR van 1 : 1,3.
De impedantie op 28.6 mHz is 50 Ohm. Daarbij opgeteld de reactantie van 8 Ohm, komen we uit op 58 Ohm. Dit geeft een SWR van 1 : 1,1. We zien wel dat het niet zo eenvoudig is om iets te maken dat een aanpassing kan geven over het gehele kortegolf gebied.

Verlengen van de antenne:
Ik had het er over, dat mogelijk het verlengen van de antenne een betere aanpassingen zou veroorzaken op de amateurbanden. In eerste instantie verlengde ik de antenne met 1,2 meter draad. Hieronder is de grafiek met deze verlenging af te lezen.


2f

En jawel. Te zien in de grafiek 2f, vallen de amateurbanden, 7, 14, 21 en 28 mHz nu allemaal binnen een redelijke SWR. Zelfs de curve, vooral tussen 8 mHz en 19 mHz is er vlakker door geworden. (Zie grafiek 2c): Zou er nog meer uit te halen zijn?  

Mijn antenne heeft nu weer de normale lengte. Het stuk verlengdraad van 1,2 meter heb ik met een inductiemeter gemeten en blijkt ongeveer 2,5 uH te bedragen. Ik plaats nu en een luchtpsoel met een inductantie van 2,5 uH tussen de UNUN en de antenne.


2g

In grafiek 2g is te zien dat de curve niet echt is veranderd. Alleen is de totale curve veel minder vlak. Dit mag toch als een nadeel gezien worden. Alhoewel op 14- 21- en 28 mHz betere SWR waarden te meten.

Nu wil ik eens kijken wat de UNUN van 1 : 9, met de  2,5 uH spoel, voor impedantie- en reactantiewaarden heeft.


2h

Wat opvalt is dat de golfbeweging met de spoel veel grotere vormen aanneemt, maar dat alle hoogste impedantie piekwaarden vallen  in de amateurbanden. Ik meet het resonantiepunt op 13.027 mHz bij een impedantie van 158 Ohm en een reactantie van 0 Ohm. Dus in resonantie? Jazeker, alleen klopt de primaire impedantie niet. Deze is op dat pun 158 Ohm, dus 3 keer hoger dan de 50 Ohm die ik had verwacht. Met deze ingangsimpedantie van 150 Ohm, kom ik met de 1 : 9 UNUN op 9 X 158  uitgangsimpedantie. Dat is 1422 Ohm. In theorie zou dat kunnen, want aan de uiteinden van de antenne mag je een veel hogere impedantie verwachten dan de 450 Ohm van de UNUN. 


2 i

Hetzelfde heb ik natuurlijk ook even met de reactantie gedaan. Uit de grafiek blijkt duidelijk het resonantiepunt van X = "0"  op 13.027 mHz. 
Om een nauwkeuriger beeld van de resonantiepunten te verkrijgen heb ik weer op de "lage" impedantiepunten nauwkeuriger metingen verricht.

Frequentie Impedantie (R) Reactantie (X) SWR
8.422 mHz 39 Ohm 10 Ohm 1 : 1.3
12.994 mHz 158 Ohm 0 Ohm 1 : 3,3
13.188 mHz 154 Ohm 0 Ohm 1 : 3,2
15.417 mHz 31 Ohm. 7 Ohm 1 : 1.7
19.762 mHz 112 Ohm 9 Ohm 1 : 2,4
21.470 mHz 50 Ohm 13 Ohm 1 : 1.3
28.366 mHz 35 Ohm 12 Ohm 1 : 1.5

Tabel 3.

Tot zover ons eerste onderzoek naar de werking van een 1 : 9 UNUN, gekoppeld aan een antenne met een lengte van 20 meter. We gaan later verder met ons onderzoek.

Een heel belangrijke conclusie kunnen we maken: Resonantie heeft niets te maken met impedantie.
Resonantie telt eerst en als die bekend is kan gekeken worden naar de impedantie. 

Er zijn antennesystemen, die bij resonantie wel in de buurt komen van de ideale 50 Ohm waarden. Eigenlijk zijn deze systemen aangepast voor het gebruik van 50 Ohm coax.  Ik noem hier b.v. de dipoolantenne en de groundplane vertikale antenne.


Nog een voorbeeld om duidelijk te maken dat het met een UNUN niet altijd goed werkt.:
Een fabrieksproduct, zijnde een vertikale antenne met een straler van 5,5 meter gebruik makende van een UNUN, aangesloten op een 50 Ohm coaxkabel, gemeten op 28 mHz, of te wel de 10 meterband. Een halve golflengte is 5 meter lang.
De antenne heeft een impedantie aan de einden van 1000 Ohm of meer. Dit aangesloten op de 1 : 9 UNUN wordt de impedantie omgezet als 1000 : 9 = 111 Ohm. (De impedantie zal wel lager worden omdat de UNUN van 1 : 9 voor een 50 Ohm aansluiting een belasting van 450 Ohn ter beschikking stelt.)

Afbeelding 5

Dus meer dan het dubbele van de specifieke impedantie van de coaxkabel. Dat geeft een SWR van 1: 2. Dus kan gemakkelijk met een tuner op 1 : 1 getuned worden.
Maar je coax vanaf de tuner, tot aan de UNUN ziet geen impedantie van 50 Ohm. De transceiver ziet, vanaf de antennezijde bekeken, pas na de tuner de 50 Ohm impedantie. Deze transceiver zal zijn volle vermogen geven, maar weet niet (als een transceiver zou kunnen denken) dat het achter de tuner eigenlijk een zooitje is.

Jaren geleden werd er op de amateurbanden, over een antennetuner nog vaak gesproken met de woorden:

“Kassie belazer”

Nog een speciale opmerking van de leverancier m.b.t. de te gebruiken coaxkabel:

 “Gebruik een coaxkabel van goede kwaliteit!”
Een coaxkabel met een dubbele of massieve mantel zal het signaal dat op de kern van de coax loopt, minder snel door deze mantel tot stralen brengen en dat is nog meer het geval wanneer de afgesloten impedantie niet de 50 Ohm is. Heeft de antenne een impedantie van 50 Ohm, dan zal er tussen de coaxkabel en transceiver geen antennetuner nodig zijn.

Een soortgelijke eindgevoede multibandantenne wordt met drie verschillende UNUN´s, voor de respectievelijke vermogens van 100-, 300- en 400 Watt, geleverd. De antenne blijft hetzelfde, alleen de UNUN is aangepast voor deze vermogens.

Waarom de aangeboden zendvermogens van belang zijn voor het type UNUN, is ook in de reclamefolder te lezen:
De reden voor de vermogensbegrenzing is de door het magnetiseringsproces in het kernmateriaal ontstane opwarming.”


Wordt het aangegeven vermogen overschreden, dan stijgen de verliezen in het kernmateriaal zodanig, dat het tot opwarming van het kernmateriaal zal leiden!
Bij het bereiken van de kritische temperatuur > 130 Graden C. vermindert de permeabiliteit van de kern en stijgt de staande golf verhouding plotseling sterk.

Dat is dan de indicatie dat het kernmateriaal te warm is geworden. Na afkoeling zal het kernmateriaal weer gewoon zijn werk kunnen doen.



Afbeelding 6

In het verleden, toen de eerste z.g. “MAGNETIC BALUNS” uit kwamen, noemde men het een “wonderding”. Het was dé oplossing om op eenvoudige wijze een antenne op te hangen. Gewoon een draadje uit het raam van een hotel gooien, de coax aansluiten, een antennetuner tussen coax en de set en je was QRV.
Alleen de benaming “BALUN” klopte hier al niet, dat mag nu wel duidelijk zijn, want deze impedantietransformator werkt als een UNUN. (asymmetrische coax en een asymetrische antenne.)

1 : 1.0

Waarom het op deze manier werkt en of het wel goed werkt, dat was ineens niet zo belangrijk meer. Plotseling; tot op de dag van vandaag; is het alleen wat telt, de 1 : 1 SWR verhouding!  Als dit klopt, ziet de transceiver de 50 Ohm impedantie en voor die impedantie is de set gemaakt en kan dan zijn volle vermogen afgeven. En daar gaat het toch om? Ontvangstmatig met de hedendaagse gevoelige ontvangers is het ook al niet meer van belang wat de antenne doet. Tevens is het stoorniveau van dien aard dat de kwaliteiten die de ontvanger bezit, meestal niet tot zijn recht zullen komen en uit de noodgeboren voor ontvangst, andere antennes worden gekozen, zoals de magnetic loop.  

Maar hoeveel vermogen komt er uiteindelijk via de UNUN breedbandtransformator in de antenne? Dat wordt eigenlijk nooit gemeten. Wel wordt gemeten hoeveel vermogen er in gaat. Als de UNUN warm wordt is dit de, in de UNUN, opgestookte hoogfrequent energie en als dat teveel wordt, moet je maar vermogen terug nemen.

Over de antenne zelf wordt maar weinig geschreven. Dit is gewoon een draad of een spriet. Wat moet je daar nu over zeggen? De UNUN zorgt er wel voor dat de impedantie wordt aangepast.

Maar elke zendamateur weet, dat als je mobiel ergens een dipooltje ophangt en netjes via een 1 : 1 BALUN naar de coax laat gaan en dan een SWR meet van 1 : 1, deze dipool op een andere plaats opgehangen ineens een heel andere SWR aan zal geven.


Afbeelding 7.

Wat zijn daar de oorzaken van? Stel jezelf een aantal vragen, dan wordt er veel duidelijk.

Hangt de dipool niet gelijkmatig boven de grond?
Zijn er metalen objecten in de buurt?
Wat voor bodem is het waar de dipool boven hangt?
Is de hoogte boven het aardoppervlak verschillend?

Dat kunnen allemaal oorzaken zijn voor een veranderde SWR.
Zonder een tuner, kun je het wel voor elkaar krijgen om de antenne weer in resonantie te brengen door de beide polen langer of korter te maken. (Ik heb zelf altijd verlengstukjes op de uiteinden, met kroonsteentjes aangesloten.)
Het langer of korter maken is eigenlijk de enig juiste manier. Je brengt de antenne zelf weer in resonantie en aan het voedingspunt weet je bij een SWR van 1 : 1 dat de impedantie zo tussen de 50 en 70 Ohm zal zijn. De coax kan vervolgens, via een BALUN van 1 : 1 zijn werk doen zoals het hoort.

(Deze laatste bewering is niet helemaal juist. Ik weet wat u bedoelt. De impedantie is zuiver 50 Ohms wanneer de inductieve reactantie en capacitieve reactantie precies 180 graden in fase gedraaid zijn en elkaar opheffen. Dit noemt men dan ook het resonantiepunt. Dit laatste is met een antenne analyzer goed te meten.

Maar in ieder geval, hoe minder spoelen en condensatoren er tussen je dipoolantenne en de transceiver zijn opgenomen, zoals verlengspoelen, sperkringen en antennetuners, des te zuiverder Ohms zal de SWR zijn en hoe lager de verliezen zullen zijn.

Nog iets: “Een “inverted V” antenne opgehangen aan een metalen mast werkt niet zoals je zou verwachten, als een enigszins rondstralende dipool, maar elke monopool zal tegen de metalen mast afstralen en zo als een “sloper-antenne” werken en dus gaan stralen in de niet verwachte richting n.l. in de lengterichting van de antennedraden.
Ik denk niet dat er veel zijn die zich daar druk over maken, ook niet de metalen tuidraden die de mast overeind houden. Zijn daar draden bij die in lengte overeen komen met de frequentie?

In het “handbook for wirelesse telegraphy uit het jaar 1938” (alweer 82 jaar geleden) staat deze schakeling.

Twee verticale antennes.
 


Afbeelding 8

1a.
De linker is een ¼ golf verticale antenne, met de aangegeven stroom/spanning verhouding over de antenne. Toen was er nog geen “50 Ohm” antenneaansluiting, omdat met buizen werd gewerkt, die een veel hogere impedantie hebben en de antenne symmetrisch voeden.

In de voet van deze antenne is in serie een variabele condensator en een spoel opgenomen. Als de seriekring in resonantie is met de antennelengte, dan ontstaat aan de voet, dus door de spoel en condensator, de maximale stroom, terwijl de spanning over die kring minimaal wordt.

De antenne is dan in resonantie en straalt daarom ook maximaal af. In dit geval het meest aan de voet van de antenne en aflopende naar de top.
Met de kring kan de frequentie gevarieerd worden, maar hoe verder de kring afwijkt van de antennelengte, die de resonantie bepaalt, des te minder stroom loopt er door die seriekring en des te minder straalt de antenne af. Ook zal dit uiteindelijk aan de SWR af te lezen zijn. Deze seriekring heeft een kwart golflengte.
Dus eigenlijk bestaat de antenne uit twee kwartgolflengtes Eén als antennedraad of staaf, die als straler dient en de andere helft die als seriekring werkt. Een seriekring die in resonantie is als deze op de maximale stroom afgeregeld is. Je kunt ook zeggen dat deze antenne een dipool antenne is, waarvan één helft straalt en de andere helft een meewerkende seriekring is. Dus eigenlijk werkt het hele systeem als een ½ golf antenne. Hoe beter deze seriekring is; in dit geval een spoel van dik draad met een grote diameter ( hoge Q) en een draaicondensator die grote stromen met weinig verliezen aan kan; des te groter is de stroom door deze kring. Het stralend gedeelte van deze antenne zal zich afspiegelen aan de kwaliteit van zijn serie resonantiekring.

2b.
Op de rechter afbeelding is een verticale straler van een ½ golflengte te zien. Omdat de maximale spanning zowel aan de top, als aan de voet aanwezig is, wordt in de voet een parallelkring geplaatst. Als de spoel en de condensator in resonantie zijn, overeenkomende met de ½ golflengte van de antenne, zal aan de voet van de antenne de maximale spanning ontstaan. Deze spanning is weer afhankelijk van de kwaliteit van de kring. Een kring met een hoge Q en een verliesarme spoel zal betere resultaten geven dan een kring met een lage Q. Ook deze kring werkt als ¼ golf en daardoor werkt de totale antenne als een ¾ golfantenne.

In het leerboek staat nog geschreven hoe men de stroom in deze antenne af kon lezen. Deze RF stroommeter moet namelijk op de helft van de ½ golfantenne geplaatst worden. Daar waar de te meten stroom het hoogst is. In het jaar 1929, werd bij het afregelen van de antenne, voor het omroepstation van de BBC in Londen, inderdaad een groot formaat stroommeter in het stroompunt geplaatst en met een kijker op een statief kon men de stroom dan af lezen en zo de antenne op maximum stroom afregelen.

De laatst genoemd antenne, ook wel Fuchsantenne genoemd, naar de ontdekker van deze antenne voor amateurgebruik, wordt door mij gebruikt en dit is door plaatsgebrek geboren.


Deze antenne kan ook vanaf een ½ golflengte, in veelvouden daarvan gebruikt worden.
Bijvoorbeeld in mijn geval een draad van 20 meter. Dat is een halve golf voor de 40 meterband dat tevens de laagste frequentie is waarop deze antenne als een halve golfantenne kan werken.
Genoemde antenne werkt tevens op de harmonischen van 7 mHz. Dus ook op 7, 14, 21 en 28 mHz.
Het enige wat steeds aangepast dient worden is de parallelkring in de voet van de antenne.

In plaats van aftakkingen op de spoel heb ik voor de verschillende frequenties aparte spoelen gemaakt. Ik moet dan per spoel de antenne schakelen. Verder de draaicondensator mee schakelen en tot slot de 50 Ohm uitgangen die naar de SWR meter gaan en dan naar de transceiver.

Hoe weet ik nu wat de impedantie van de uiteinden van de halve golfantenne zijn?
Er niets op aangesloten zal de spanning maximaal zijn en de stroom 0 Ampère. Ik kan dan met de Wet van Ohm de impedantie uitrekenen dat is: R = U / I = Max / 0 = 0 Ohm. Oftewel een oneindig hoge impedantie.

Dat is in theorie en kan dus niet werken, want als er op de uiteinden helemaal geen stroom loopt, kan in de rest van de antenne ook geen stroom lopen. (1e Wet van Kirchhof) Ik weet dat het allemaal wat simpel geschreven is. Maar mij verstoppen achter formules, die ik en waarschijnlijk u ook niet begrijpt, doe ik niet. In de 82 jaar na het verschijnen van het genoemde leerboek is er in de natuurkundige wetten niets veranderd en zijn er op antennegebied ook geen echte “wonderen" ontdekt!

Loopt aan het uiteinde dan toch een stroom?. Ja zeker! Deze hoogfrequent stroom straalt af van de hele antenne en verdwijnt in de ruimte. Of omgekeert in de antenne opgewekt door ontvangen radio-electrische golven. Omdat ik niets aangesloten heb, bedoel ik de spanningen en stromen die de antenne zelf ontvangt en het sterkst zullen zijn op de resonantiefrequentie van die antenne. Andere elektromagnetische golven die niet in resonantie overeen komen, zijn ook wel aanwezig, maar zullen beduidend minder stroom en spanning opwekken of afgeven.

Ik heb een boekje gehad over spionage. Ik de koude oorlog werden door de Russen dipoolantennes in ambassades van andere landen verstopt. In het midden van de dipool was een microfoon opgenomen. (Ik weet niet meer of dit een kool- of dynamische microfoon was) Deze dipoolantenne was b.v. 1 meter lang. Dus een halve golflengte in de twee meterband (150 mHz) en werd op afstand door een signaal aangestraald. Dit vermogen was van dien aard, dat de antenne op zijn resonantiefrequentie door de ontvangen energie, zelf ging stralen, waarbij de microfoon zorgde voor de modulatie. (AM-modulatie). (Of misschien wel fasemodulatie) Deze “zenders” gebruikten geen energie en straalden niet af als ze niet werden aangestraald.
Ongelofelijk verhaal? Ja, inderdaad, maar ik heb het gelezen zoals ik het hierboven heb geschreven. Een beam met zijn vele elementen geven de signalen ook van het ene- naar het andere element door


Wanneer we een eind gevoede halve golfantenne aan willen sluiten op een coax van 50 Ohm, dan hebben we dus altijd transformatie nodig. Want op de uiteinden van deze antenne kan maar weinig stroom lopen, dus is de spanning naar verhouding zeer hoog. Hoge impedanties veroorzaken hoge spanningen en lage impedanties hoge stromen.

In het geval van mijn Fuchsantenne met een lengte van 20 meter, zal de aangesloten parallelkring, die eigenlijk een kwartgolfkring genoemd kan worden, onderaan de voet een theoretisch punt met 0 Ohm impedantie hebben. Op de top van deze kring staat een hoge impedantie. Zoals gezegd bepaalt de kwaliteit van de kring en de verhouding spoel en condensator de impedantie. Maar wat is de waarde van die impedantie? Dit is alleen van belang als we de halve golfantenne op de top met een antenne aansluiten. Als de impedantie van de antenne overeen komt met de impedantie van die kring, hebben we een ideale overdracht van hoogfrequent energie. Deze proeven kunnen we het beste doen met een antenne analyzer of een zender met zeer laag vermogen, maar toch voldoende signaal om de SWR uit te lezen.

Volgorde van afregelen.
Eerst de spoel en de condensator met behulp van een dipmeter op 7 mHz afregelen.
De antenne aansluiten en opnieuw de kring met behulp van de dipmeter afregelen.
Dan het 50 Ohm punt vanaf de onderzijde (koude zijde) naar boven zoeken. (beste SWR)
Met de transceiver een klein signaal op 7 mHz via het 50 Ohm punt sturen.
De draaicondensator opnieuw afstemmen totdat de beste SWR gekregen wordt.
Nu blijkt meestal dat het 50 Ohm punt op de spoel andermaal gezocht dient te worden.
Daarna opnieuw de draaicondensator aanpassen op minimale SWR.
Dit net zo lang doen totdat er geen verbetering meer optreedt. Dus een SWR van 1 : 1.

In dit hele verhaal ga ik ervan uit dat de lengte van de antenne voor de gebruikte frequentie klopt.
Om de lengte van de antenne af te regelen wordt het handen en voeten werk en moet de lengte gewoon uitgerekend worden met de formule: Golflengte is 300 : frequentie in mHz X 0,95. In mijn geval voor de frequentie van 7 mHz afgerond 40,8 m : 2 = 20,4 meter.

Het probleem is nu dat, op het moment dat ik die antenne op de parallelkring aansluit, de berekende lengte verandert. Eén troost. De antenne zal nooit langer gemaakt moeten worden, alleen maar korter, omdat de kring een zekere capaciteit en inductieviteit aan de antenne toevoegt. Waarden van 20,2 meter zullen goed werken.

 Voor het optimale afregelen op maximale afstraling moet er met een veldsterktemeter gewerkt worden, die op enige afstand (Meer dan enige golflengtes) van de antenne geplaatst wordt, om een betrouwbare meting te krijgen. Dus dan heb je een maatje nodig of een camera met videoverbinding.

Je kunt het ook nog anders doen om te zien of alles klopt. We gaan gewoon op ontvangst en luisteren naar de ruis die uit de ontvanger komt. Als het goed is komt de maximale ruis uit de ontvanger op dezelfde frequentie als waar ook uitgezonden wordt met een SWR van 1 : 1. Nemen we de antenne van de kring, dan moet de ruis sterk afnemen. Hoor je zonder antenne nog signalen, dan is het zaak om de spoelen goed af te schermen.
----------------------


We gaan weer terug naar mijn 20 meter antennedraad.….

We gaan nu verschillende UNUNS op hun aanpassing op mijn 20 meterdraad in SWR waarden bekijken. We laten in eerste instantie na om ook de reactantie en impedantie in een grafiek weer te geven. Eerst wordt de grafiek aangegeven van de UNUN met een echte ohmse belasting en daana dezelfde UNUN met genoemde antenne.

1 : 1 UNUN 50 Ohm in- 50 Ohm uit.


Grafiek 3a

In ieder geval is het in het groen aangegeven gebied geschikt om met een transceiver te werken, zonder antennetuner. 
Dit is dan gemeten met een belasting van 50 Ohm, welke eigenlijk alleen geschikt is om b.v. een dipoolantenne of een groundplane aan te sturen. Daar heb je deze UNUN niet voor nodig. Het dient dus eigenlijk alleen als voorbeeld. In deze configuratie is de UNUN te gebruiken vanaf een frequentie van ongeveer 6 mHz. Dan natuurlijk aangesloten op een antenne van 50 Ohm.
In grafiek 3b is de UNUN aangesloten op de antenne met een lengte van 20 meter. Dus van aanpassing kan geen sprake zijn.
Wel komden de bekende frequenties met de SWR weer als beste uit de bus, maar niet één haalt de 1 : 2.
Kortom, een 1 : 1 UNUN kan met deze antenne niet gebruikt worden.

 


Grafiek 3b.

UNUN 1 : 4 50 Ohm in- 200 Ohm uit.


Grafiek 4a.

De 1 op 4 UNUN waarvan in de grafiek 4a de eigenschappen zichtbaar zijn gemaakt, is te zien dat een afsluiting met een belasting van 200 Ohm, de SWR acceptabel is van ongeveer 9 mHz tot boven de 30 mHz.
 


4b

Met aangesloten antenne is het al een stuk beter dan met de 1 op 1 UNUN. De curve wijkt niet af van de 1 op 1, maar de SWR op de identieke plaatsen is een stuk beter en zelfs acceptabel omsttreeks 18 mHz en 25 mHz.

UNUN 1 : 9 50 Ohm in - en 450 Ohm uit.

Deze UNUN heb ik uitvoerig gestest, maar zet de twee grafieken hier ook maar neer, om u een beter beeld te geven van de veranderingen van de impedantieverhouding.

In dit geval heb ik de optimale aanpassingsweerstand van 606 Ohm hier geplaatst. Met deze weerstand begint de SWR vanaf 10 mHz acceptabele waarden te geven tot boven de 30 mHz.

Grafiek 2.

Grafiek 2c

Ook met de antenne blijven de curven identiek aan de voorgaande UNUN´s. Alleen zijn de SWRwaarden duidelijk beter.

UNUN 1 : 16 50 Ohm in 800 Ohm uit

Grafiek 5a

Bij de grafiek 5a, dus de 1 op 16 UNUN, begint er wat te veranderen. Ik kan nergens een goede resonantiewaarde krijgen. Ook is de SWR bij een vaste belasting met 800 Ohm een stuk slechter als bij de voorgaande UNUN waarden.


Grafiek 5b

Het enige positieve dat ik bij grafiek 5b kan noemen is het feit dat nu de laagste SWR waarden in de buurt komen van de amateurbanden, 7, 14, 21 en 28 mHz. Daartussen zijn nu enorme bulten te vinden waar de SWR extreem hoog is. Ook ontstaat er een niet te verklaren SWR dip omstreeks de 3 mHz.

UNUN 1 : 25 50 Ohm in 1250 Ohm uit.

Ook bij deze UNUN  die ik afsloot met een weerstand van 1250 Ohm, zien we dat de SWR nog net binnen de toleranties blijft van 12- tot 23 mHz.

Grafiek 6a

Grafiek 6b

Nog steeds is de 7 mHz SWR nog acceptabel, de 14 mHz is goed te noemen de 21 mHz is zichtbaar maar valt buiten de norm en 28 mHz, daar is nog een dip in de SWR waarneembaar. Tussen deze frequenties ontstaan enorme SWR bulten, die volgens mij door een tuner ook niet corect behandeld kunnen worden. Een positieve zaak is dat de SWR dippen op de amateurbanden vallen. Daar gedraagt de aanpassing zich dus harmonisch .

UNUN 1 : 36 50 Ohm in- 1800 Ohm uit.


Grafiek 7a

Met de 1 : 36 UNUN is alles nog erger geworden. Met de vaste 1800 Ohm belasting zitten we op een SWR van 1 op 2 tussen 12- en 22 mHz. Een resonantiepunt is eigenlijk niet te vinden.


Grafiek 7b

Over grafiek 7b hoeven we eigenlijk niet te praten. De 7 mHz heeft een goede SWR en de 14 mHz raakt net de 1 op 2. Daarna geen enkele goede waarde meer. De curve blijft eigenlijk hetzelfde, maar, verandert, met name op de hoge frequenties, tot enorm hoge SWR waarden.

Conclusie:  Wat ik niet had verwacht blijkt in dit geval toch waarheid te worden. De 1 op 9 UNUN met een 50 Ohm naar 450 Ohm impedantieverhouding, geeft het stabielste plaatje. Van 8- tot en met 30 mHz binnen de 1 op 3. Met alle andere waarden vind je deze vlakke bandbreedte niet. Dus eigenlijk geen wonder dat deze UNUN veel wordt ingezet. 

Het enige wat ik nog niet heb geprobeerd is de lengte van de antenne te testen, welke bij deze UNUN´s door de fabrikant worden opgegeven. b.v. 46 meter voor een antenne vanaf de 160 meterband, 21 meter voor een antenne vanaf de 80 meterband en slechts 12 meter voor een antenne vanaf de 40 meterband.

Nog even wat info verzamelen.


Afbeelding 9

Ik heb met een capaciteitsmeter, (afbeelding 6) aangesloten tussen de antennedraad en de gebruikte massa gemeten en meet een capaciteit van 152 pF. Verder kan ik geen inductiewaarde meten.
Verder heb ik met mijn MFJ 259B een meting verricht door de antenne van 20 meter lengte als een 1/4 golfantenne te laten werken. De tegencapaciteit is weer de genoemde massa, zijnde het centraleverwarmingssysteem.
Hierbij kom ik op de volgende waarden:

Resonantie frequentie SWR Impedantie "R" Reactantie "X"
3,74 mHz. 1 : 3.1 148 Ohm 0 Ohm

Zoals gezegd mat ik een capaciteit van 152 pF tussen de antenne en de aarde. Zou ik met genoemde gegevens nu ook de voor mij onmeetbare zelfinductie kunnen berekenen? Want de antenne zal zeker een zelfinductie hebben.  


Afbeelding 10

Ik ga nu meten met het programma "Elsie" waarmee je RC filters kunt berekeken. Voor de resonantiefrequentie van 3.74 mHz en gebruik making van de capaciteit van 152 pF, kom ik uit op een inductiewaarde van 11,9 uH.
Een kwartgolflengte voor de genoemde frequentie met aftrek van de verkortingsfactor, kom ik uit op 19,05 meter. Dus deze antenne is op die lengte een halve golflengte voor 7,9 mHz. Dus toch te kort? De antenne kan ik niet zomaar verwijderen en na meten, maar de berekeningen tonen dit kennelijk toch aan. Op de foto hieronder mijn draadantenne onder erbarmelijke winterse omstandigheden. Op de grafieken is omstreeks de 8 mHz ook duidelijk een lage SWR te meten.

 
Afbeelding 11

Deze waarde is natuurlijk theoretisch. Maar in ieder geval kun je zeggen dat met deze waarden de antenne in resonantie is. Maar wat voegt een aangesloten UNUN toe aan de capaciteits en inductiewaarden?

Hierboven was ik bezig met berekeningen van een kwartgolfantenne, dus lage impedanties. 
Heel anders gaat het berekenen bij antennes van 1/2 golflengte of veelvouden daar van. Op de uiteinden van de antenne loopt immers minimale stroom en staat er dus een relatief hoge spanning. Daardoor gedragen de uiteinden van deze antenne zich capacitief.
Waarom dat zo is? Als er op een antenne een signaal staat, is over de gehele antenne hetzelfde vermogen te meten. Dat betekent dat waar de stroon hoog is de inductiviteit de belangrijkste rol speelt en als op een bepaalde plek op die antenne een zeer lage stroom loopt,dan zal daar een hoge spanning aanwezig zijn.

Als je een beetje in zend- en ontvangsttechniek hebt verdiept, dan weet je dat dat o.a. de volgende koppelingen in gebruik zijn:

  

                                   fig. a.                                                                    fig. b
 

 

                                   Fig. c.                                                            Fig. d.


Figuur a. is een typische capacitie uitkoppeling. De spanning op de top van de sturende kring is maximaal en de stroom minimaal. Gekoppeld aan een kring op dezelfde frequentie, middels een kleine capaciteit, maakt de aanpassing voor de signaaloverdracht optimaal. Als je dit c´tje te groot maakt zullen de kringen elkaar dusdanig beinvloeden, dat ze beiden naast de frequentie gaan staan. Dit wordt in de radiotechniek ook wel bewust gedaan om een bepaalde bandbreedte te verkrijgen.

Figuur b. is eigenlijk een combinatie van beiden. Op de top zorgt de daar aanwezige RF spanning voor de spanningskoppeling, terwijl verder naar beneden op de kring de inductieve invloeden steeds meer een rol gaan spelen. Inductiviteit is altijd stroom gekoppeld. De grootte van de stroom bepaalt de hoeveelheid energie die in de andere kring wordt opgewekt. Deze koppeling zie je vaak in MF bandfilters van buizen ontvangers en het vergt bijzondere "Fingerspitzengefühl" om de afregeling tot een goed einde te brengen.

Figuur c. Bestaat primair uit één afgestemde spoel op de werkfrequentie en op de plaats, waar de stroom in de spoel het hoogst is wordt een tweede, niet afgestemde spoel geplaatst, die meteen ook zorgt voor een lage impedantie. Dit is afhankelijk van het aantal windingen van de secundaire spoel. Te weinig windingen geeft een slechte koppeling. Teveel windingen zal de primaire spoel beinvloeden en de "Q" dit is de kwaliteitsfactor, omlaag halen. 

Figuur d. is een variant op die van C. Om dit maximaal te laten werken, moet een juiste condensator genomen worden, die afhankelijk is van het frequentiegebied, waarin de condensator optimaal zijn werk kan doen. 

Ik heb alleen parallelkringen getekend. Eigenlijk moet ik ook seriekringen tekenen. De werking stroom en spanning is in seriekringen, tegenovergesteld aan die van parallelkringen.

Terug komende op onze antenne, moet je uitgaan van de aankoppeling van een halve golfantenne aan de UNUN, zoals deze overeenkomt met het hierboven genoemde figuur a. 


Afbeelding 12

Hierboven is het schema uitgewerkt.
Alles in het blauwe vak is de antenne en alles in het groene vak is de UNUN. Ik ga dus uit van een aankoppeling van een antenne met een hoge impedantie op het voedingspunt. (Zie de koppelcondensator.)

Deze onderdelen zijn in de UNUN aanwezig: één primaire spoel en één secundaire spoel met in dit geval aftakkingen op verschillende impedanties. Ook zijn onzichtbare (paracitaire) capaciteiten en inducties aanwezig. Vandaar het rode uitroepteken.

In het blauwe gedeelte wordt o.a. de capaciteit en de inductie van de antenne bedoelt.
Maar! Ik heb in de kringen rode uitroeptekens geplaatst. De reden hiervan is dat ik ervan overtuigd ben dat er vaste paracitaire capaciteiten en inductiviteiten op die antenne aanwezig zijn. Zo mat ik de antenne als een vertikale groundplane met een capaciteitsmeter en kwam uit op een vaste waarde van 152 pF.

Volgens mij maakt het niet uit op welke frequentie de klok van het meetinstrument werkt om de capaciteitsmeting te doen. Ik heb gelezen dat 100 kHz veel wordt gebruikt. Als ik met de capaciteitsmeter een vaste waarde heb gekregen. Is deze waarde niet meer frequentie afhankelijk. Dit blijft gewoon een capaciteit van 152 pF. Wel heeft deze condensator op verschillende frequenties andere uitwerkingen. Een gelijkspanning/stroom op deze condensator zal een bijna oneindige hoge reactantie geven, die alleen afhankelijk is van het dielectricum van de condensator. Naarmate de frequentie stijgt, zal de reactantie afnemen. Op zeer hoge frequenties zal deze echter weer toenemen, omdat de capaciteitswaarde te traag wordt om een goede laad/ontlaad werking te bewerkstelligen.

Hierna heb ik de UNUN onder handen genomen. Ik sloot de  primaire kring af met een een 50 Ohm weerstand en ging vervolgens weer met de L / C meter aan de gang. Dit keer op de secundaire kring. Om de capaciteit van een kring te meten, heb ik tussen de meter en de kring een condensator van 1000 pF geplaatst. De meter gaf aan dat deze condensator een waarde had van 1232 pF. 
Om de inductie te meten heb de de condensator weer verwijderd. 

Ik kwam tot de navolgende meetresultaten:

Impedantie UNUN capaciteit van de kring Inductiviteit van de kring Resonantie frequentie
200 Ohm 33 pF 1,6 uH 22,9 mHz
450 Ohm 78 pF 4,12 uH 8,87 mHz
800 Ohm 115 pF 7,96 uH 5,26 mHz
1800 Ohm 228 pF 19,02 uH 2,41 mHz
3200 Ohm 3200 pF 38,84 uH 1,97 mHz


Maar kloppen de waarden van de UNUN wel voor wat betreft  de aangegeven impedanties?

Ik neem de UNUN weer onder handen en ga verder testen:

Hieronder heb ik in een tabel de frequentieafhankelijkheid van de UNUN uitgezet.

 

Grafiek 8.

1 : 1  = een wikkelverhouding van 1 op 1
1 : 4  = een wikkelverhouding van 1 op 2
1 : 9  = een wikkelverhouding van 1 op 3
1 : 16= een wikkelverhouding van 1 op 4
1 : 25= een wikkelverhouding van 1 op 5
1 : 36= een wikkelverhouding van 1 op 6.

Direct is te zien dat de wikkelverhouding geen lineair verband houdt met de frequentie afhankelijkheid.
De impedantieverhouding lijkt dichter in de buurt te komen, omdat van 1 op 1 naar 1 op 4 dit 4 maal is. Daarna wordt het in verhouding steeds minder. 



Grafiek 8a

Naarmate de impedantieverhouding in de UNUN steeds hogere waarden heeft, zal ook de capaciteit toenemen. Deze capaciteit verloopt redelijk lineair.
Hetzelfde heb ik gedaan met de inductiviteit. Dat hieronder in grafiek 8b te zien is.


Grafiek 8b

Verder meet ik met mijn dipmeter op de "0nbelaste" UNUN een resonantiefrequentie van omstreeks 39 mHz. Deze ligt dus buiten het werkgebied waarvoor de UNUN wordt gebruikt.
 


Afbeelding 13

Ik bedenk me zojuist: "Hoeveel amateurs en hoogfrequent hobbyisten zullen nog een dipmeter gebruiken of überhaupt daar van gehoord  hebben? Ik heb maar een paar woorden nodig om te vertellen wat het nut van zo´n instrument is:

Een dipmeter is het beste wat een radioamateur kan overkomen.

Een dipmeter is niets anders dan een hoogfrequentoscillator waarvan de spoel van de oscillatorkring naar buiten is uitgevoerd en in de voedingsstroomkring een meter is opgenomen. Verder is de frequentie over een groot gebied in te stellen en het belangrijkste daarbij is dat de afstemschaal klopt. Als ik de dipmeter inschakel, kan ik het metertje op een bepaalde waarde instellen. Dit metertje meet dan de opgenomen stroom van de oscillator. Houd ik nu een op eenzelfde frequentie afgestemde kring bij de dipspoel, dan zal er een koppeling ontstaan tussen de dipmeter en de afgestemde kring. Deze te meten kring ontneemt energie van de oscilator, waardoor de oscillator energie verliest, dat af te lezen is op de meter die ineens veel minder aangeeft. Dit is een dip. Daarom de naam dipmeter. Heel snel is een onbekende kring na te meten met de dipmeter. Eigenlijk een onmisbaar instrument. Alleen voor de huidige smd techniek zal het gebruik wel een beetje moeilijk zijn, of misschien helemaal niet mogelijk zijn.

Verdere test met de 1 : 9 UNUN
Ik ga nog een paar testjes doen en dat is de antenne met twee meter verlengen. Want uit de metingen ben ik er van overtuigd dat de antenne te kort is. In plaats van de 20 meter die ik altijd geschat had, moet de juiste lengte 19 meter zijn.
Bij een verlenging met twee meter kom ik op 21 meter uit. Dit is de lengte die bij een "frabrieksunun" met een impedantieverhouding van 1 : 9 wordt aangegeven, om op de amateurbanden van 80 meter en hoger te kunnen werken.


Grafiek 2d

Grafiek 2c

2 e

Onder 2 e, zijnde de grafiek van de UNUN, anders gewikkeld en wel de helft van de windingen op de tegenovergestelde zijde van de ringkern. Alhoewel het gebied van 9 mHz tot 16 mHz vlakker is, komen de hogere frequenties er slechter van af.  Het werd er bij mij in ieder geval niet beter van. 

Ik heb de grafiek 2c hier nogmaals geplaatst om een snelle vergelijking mogelijk te maken. De eerste indruk is dat de curve van grafiek 2d, dus met 21 meter draad wat onrustiger is geworden. Dit zou kunnen omdat ik de draad willekeurig in mijn shack heb uitgespannen; dus niet in één rechte lijn; waardoor de inductie en capaciteit iets zullen veranderen.
-De eerste SWR dip is nu verschoven van 9 mHz naar 8 mHz. Dus 1 meter de goede kant op. Maar deze dip is veel smalbandiger geworden.
-De tweede dip valt nu precies is de 20 meterband van 14 mHz tot 15 mHz. Deze was in gafiek 2c van 16- tot 17 mHz.
- De derde dip valt nu van 19,5- tot 22 mHz. Dus precies in de 15 meterband. In grafiek 2c loopt deze dip van 20,5 tot 22,5. Dus ook een goede waarde om op de 15 meter te kunnen werken.
- Maar de dip in de 10 meterband is omgekeerd. Die is met de 19 meter lange antenne beter en loopt van 27,5 tot 29,5 mHz. In de 21 meter lange antenne loopt de SWR dip van 25,5- tot 28 mHz.  
Waarschijnlijk komen de betere resultaten met de 19 meter antenne op hogere frequenties door het ongelukkig opgehangen verlengstuk.


Grafiek 2g

Hierboven (grafiek 2g) heb ik de grafiek met de 19 meter antenne en 2,5 uH verlengspoel nogmaals, als vergelijking, weergegeven en het blijkt dat ik bijna tot dezelfde resultaten kom als met de 2 meter verlengdraad. Alleen moet ik, om deze toestand zendmatig te gebruiken, deze spoel afschermen, omdat deze enorm straalt en in de shack storingen veroorzaakt. Ook deze UNUN ligt aan aarde.

Het blijkt, door deze testen, dat de antennelengte in belangrijke mate uitmaakt of de UNUN goed zijn werk gaat doen. De juiste lengte antenne voor de gewenste frequentieband lijkt niet zo van belang te zijn, maar voor een goede aanpassing is hier wel degelijk rekening mee te houden.

Voor wat betreft de antenne, genoemd in grafiek 2g, heb ik de gewenste 40 meter amateurband uitvergroot en dit keer niet alleen de SWR, maar ook de reactantie en impedantie gemeten. Dit heb ik gedaan om een nog beter beeld te krijgen van hetgeen zich nabij deze frequentie afspeelt.  

Grafiek 2g 1 

In grafiek 2g 1 kunt u de SWR aflezen van 6,5- tot 9,6 mHz. Wat direct opvalt is dat een goede SWR verkregen wordt tussen 8- en 9 mHz. De SWR blijft een verder stuk in het bovenbreik redelijk goed maar in het lagere gebied, waar ook onze 40 meterband van valt, de SWR extreem hoog is.


Grafiek 2g 2

In grafiek 2g 2, loopt de gemeten frequentie van 6,5- tot 9,6 mHz. U weet, een reactantie van "0" of dicht hierbij is het teken dat de antenne in resonantie is. Op 7,6 mHz vind ik een reactantie  van "0" bij een impedantie van 154. De SWR is daar  1 : 3,2 mHz.
Dat betekent dat de mijn transceiver een ingangsimpedantie van 150 Ohm ziet. Dat is 3 maal hoger dan de te verwachten 50 Ohm impedantie. Ik ben dit dit al eens eerder tegen gekomen en ook berekend en doe dit hier nogmaals. De ingang met de zuivere impedantie van 150 Ohm (omdat de reactantie 0 is) geeft de volgende gegevens om terug te rekenen. Omdat het hier om een 1 : 9 UNUN gaat moet ik om de uitgangsimpedantie te meten, de 150 X 9 vermenigvuldigen. Dat is = 1350 Ohm. Deze impedantie had ik zelf al in gedachten gehad, omdat een uiteinde van een halve golfantenne toch minsten 1000 Ohm moet bedragen. 


Grafiek 2g 3

Op de grafiek 2g 3 is de impedantie van hetzelfde werkgebied af te lezen. Wat opvalt is dat het maximum van de impedantie  overeen komt met de resonantiepunt af te lezen in grafiek 2g 2. 

In totaal gezien, is er een ander gebied aan te wijzen, dat loopt van ongeveer 8.2 tot 8.9 mHz. waar de SWR goed te noemen is, de reactantie is in dat gebied laag en de impedantie om en nabij de 50 Ohm. 
Zoals ik in het begin ook al eens heb genoemd, kom je op de resonantiepunten, tot hele vreemde waardes en is er met dergelijke antennes eigenlijk nauwelijks mee te werken. Zoals gezegd vind ik op een iets hogere frequentie een vrij breed bandje van 700 kHz dat een goede SWR aangeeft. Helaas valt dit dus niet in de 40 meterband.

Ik wilde eigenlijk stoppen met het onderzoek maar ik besluit om de pging niet achterwege te laten om het goede resonantiepunt in de 40 meterband te krijgen. Daarom heb ik de 21 meterantenne verlengd met 4 meter. Dus een totale lengte van 23 meter. Ik heb ergens in een folder gelezen dat een 24 meter lange antenne met 1 : 9 UNUN de juiste lengte is voor de amateurbanden vanaf 80 meter en hoger. Ook dit antenneverlengstuk is willekeurig in de shack opgehangen en vormt bijna een loop. Ik heb de inductie van dit stuk draad in die vorm gemeten en kom op 10,5 uH. Dat voeg ik dus toe aan de antenne. Ook zal er een capacitief deel aan toegevoegd zijn. Dat kan niet anders. 


Grafiek 9 a

Nu blijkt mij, aan de SWR op de grafiek 9a hierboven af te lezen, dat de antenne eigenlijk iets te lang is. De 40 meterband valt nu in het goede SWR bereik. bandje dat nu een goede SWR heeft, loopt van 6,6- tot 7,3 mHz. Dat is dus een bandbreedte van 700 kHz. Dat is net zo breed als met de antenne met de 2,5 uH spoel. Omdat het 4 meter verlengstuk, een inductantie van 10,5 uH heeft en de spoel 2,5 uH. Dan kan ik er vanuit gaan dat elke meter antennedraad een inductantie heeft van  2,5 uH. De spoel heb ik weggehaald dan zal de 4 meter draad, die als vervanging dient, en ongeveer 7,5 uH is, ervoor zorgen dan het antennesysteem 1 mHz lager in de frequentie uitkomt.


Grafiek 9b

Hierboven de impedantiegrafiek met de 4 meter verlenging. Wat direct opvalt is de enorm hoge impedantie op het punt waar de SWR het beste is. De impedantie op het hogere gedeelte lijk prima voor een goede SWR, maar geeft daarintegen een zeer slechte.


Grafiek 9c

In grafiek 9c is de reactantie aangegeven en jawel tussen 7,1- en 7,3 mHz is de reactantie "0" dus resonantie. Juist op dit resonantiepunt is de impedantie het hoogst, maar kan daar dan ook als zeer betrouwbaar gemeten worden. In het hogere gedeelte van het getoonde frequentiesegment is de reactantie ook vrij laag. Maar de impedantie is daar ook vrij laag. Zoals in grafiek 9a af te lezen is, is de SWR daar zeker niet om over naar huis te schrijven. Ik heb voor de zekerheid de SWR meting nogmaals herhaald, maar ik kom op dezelfde waarden uit. Dus moet ik het maar nemen zoals het is.

Nu nog even het algehele overzicht met de 23 meter lange draadantenne:


Grafiek 10a

Duidelijk is te zien dat met deze antennelengte een prima aanpassing is te verkrijgen op de amateurbanden, te weten:

40 meterband: Zou iets lager in frequentie moeten. Deze SWR-dip is vrij scherp en heeft een bandbreddte vanm 200 kHz.
20 meterband. Deze zou juist iets hoger in frequentie mogen zijn. De SWR-dip is meer dan 2 mHz breed.
17 meterband. Deze kan net binnen de 1 : 2 gehouden worden.
15 meterband. Valt midden in een SWR gebied met een bandbreedte van meer dan 6 mHz.
12 meterband Deze valt in hetzelfde gebied als de 15 meterband, maar wel geheel aan het uiteinde.
10 meterband loopt precies in het gewenste SWR-gebied met een maximum op 29 mHz.

OPMERKING: Op alle amateurbanden  kan onder deze omstandigheden zonder tuner gewerkt worden.
Dan hebben we met ons geknoei toch een situatie gevonden waar de fabrikanten altijd mee voor de dag komen.

 

Grafiek 10b

De impedantie op de grafiek die van 2- tot 33 mHz loopt, lijkt een enorme zaagtand, met enorme pieken en dalen, maar de impedantie is maximaal slechts 130 Ohm en minimaal tot en met 5 mHz. Uit deze lage impedanties op de frequenties beneden  de 5 mHz, blijkt dat de ringkern daar niet zijn werk kan doen. Er is gewoon te weinig inductie. Ik heb primair al i.p.v. 2 windingen, 3 windingen gebruikt. Nog meer windingen zou de werking van de UNUN verstoren, omdat er dan teveel capaciteit wordt ingebracht.


Grafiek 10c

Grafiek 10c, waar de reactantiecurve wordt getoond, laat zien dat op veel plaatsen, waar de reactantie laag is, deze bij de impedantie hoog zijn.