Tuners, Filters and Baluns

Ernst Schrama PA1EJO
Lezing 9-nov-2017
Veron A37 Rotterdam
9-Nov-2017 Lezing Veron A37 1

• Luisteramateur sinds mijn 16e
• Nadat je een call hebt koop je het liefst
– De transceiver
– De voeding voor de transceiver
– Een PC met toebehoren (had je al)
– Interfacing tussen PC en transceiver
• Dingen die je liever zelf maakt
– Alles wat erachter zit tot (en met) de antenne

• Stelling:
– Tuners, filters en baluns kun je beter zelf maken
– Ik kom op de stelling terug
• Spreekstof:
– Circuits met passieve componenten
– Instrumenten: wat doet de VNA?
– Filters, Baluns, Antenne tuner
– Terug naar de stelling

Black
box
• Achter de zender vind je
– Transmissielijn: Coax of lint kabel
– Filters
– Tuners
– Baluns
– Antenne
• Alles heeft een vervangingsschema
– Zwarte doos met connectoren
– Condensatoren, Spoelen, Weerstanden

• Wetten
– Knoop: De som van alle stromen is nul
– Voltage = Stroom x Weerstand
– Vermogen = Voltage x Stroom
• Circuit met passieve componenten
– Weerstand, uitgedrukt in Ω
– Spoel, zelfinductie L in Henry
– Condensator, capaciteit C in Farad
A+B
B
A

De schakelingen hebben verschillende
eigenschappen.
Makkelijk met weerstanden
Maar nu nog hetzelfde voor de spoel
en de condensator
Serie Parallel

Reëel
Imaginair
H
G
De impedantie van de
spoel en de condensator
beschrijf je met complexe
getallen:
Z = H cos(G) + j H sin(G)
= R + j X
= H exp( j G )
Oh jee! Hij wijkt af van het
cursusboek

• Vanaf nu gebruiken we de L voor de spoel, en de C voor
de condensator. De vervangingsweerstanden zijn:
• Wen aan het idee dat j2 = -1
• Vervangingsweerstanden noemen van nu af aan de
impedanties van de condensator C en de spoel L
• De eenheden: Farad en Henry
Hertzinmet2met1:Verder
:Spoel
1
:rCondensato
ffj
LjZ
Cj
Z LC






Z=jωL
Z=-j/(ωC)
Z=R
Optellen, Aftrekken,
Vermenigvulden en delen
gaat zoals met vectoren

C
90 graden
De spanning ijlt 90 graden na tov de stroom bij een ideale condensator,
gevolgen voor onder andere voedingen. (reactantie)
SpanningStroom

90 graden
De stroom ijlt 90 graden na tov de spanning bij de ideale spoel:
gevolgen voor relais en transformatoren. (reactantie)
StroomSpanning

• Impedantie is de elektrische weerstand van een
component (of een circuit) tegen wisselstroom
• Admittantie is 1/Impedantie (Impedantie ≈ Ohm,
Admittantie ≈ Siemens)
• Reactantie is de weerstand tegen verandering van
een electrische stroom tegen verandering van
voltage of omgekeerd.
• Spoelen en condensatoren vertonen reactantie.

LC
Z
LjZ
Cj
Z
CL ZZLC
LC
1
)(
en
1
111







C L
I
bekend
parallele schakeling
gevolg
Het enige wat je hoeft te kennen is de impedantie van de spoel en de condensator.
De parallele weerstand moet oneindig zijn voor een LC kring zonder vermogensverlies.
Dissipatie is de nette term voor vermogensverlies (elektriciteit  warmte)

C
L R
factor)s(KwaliteitdefinitiePer
))(()1(
systeemhetvanebandbreedtdekrijgtjeen
)(2
2
1
)(zodatnuZoek
1
en)(
)1(
1
1
2
zodat
:isdissipatietotaledewatnuberekenenWe
circuitLCReeninverliesVermogens
0
000
22222
0
0
2
00
22
2222
0
2
1111
L
C
R
LC
RC
RCQ
RC
LRLC
PP
LCR
H
PP
L
RLC
R
H
dt
Z
V
T
P
THeV
P
RZZZ
T
tj
CL

























• Parallel LCR  Q=R.sqrt(C/L)
• Serie LCR  Q=(1/R).sqrt(L/C)
• De Q zegt direct iets over de bandbreedte
• Q = ω/Δω  Δf=f/Q
• Afstemkring parallel LCR circuit
• Antenna  serie LCR circuit
• Test je kennis: wat is de Q van het
bandpassfilter in de PI2RTD repeater?

• Hoe groter de Q van een parallel LC circuit,
hoe meer we in de buurt komen van een
dissipatie vrije afstemkring op ω0
• In werkelijkheid is er altijd enige weerstand.
Het gevolg is dat Q<∞ in alle afstemkringen
• Elke ontvanger zal dus een zekere
bandbreedte hebben (gelukkig maar)

C
L Belasting
A
Koppelt
naar invoer
signaal
Er is hier een
impedantie
Met als gevolg dat er ook een bandbreedte is

Q=1414
Q=707
Q=354
Vgl: de antenne trap

belastingOsc
R

Transmissie lijn zonder verlies
Transmissie lijn met verlies 1850-1925

C
L
z
z
V
z
V
xI
VVxV
xkjxkj
xkjxkj





0
..
0
2..
0
1
..
2
..
1
ee)(
ee)(
V
x
(karakteristieke impedantie)
Coax kabel heeft een meestal impedantie tussen 50Ω and
100Ω, kippenladder tussen 300 to 450Ω. Coax:
asymmetrische, Kippenladder: symmetrisch

RG-58U
Air isolated

D (separation)
d (diameter)
Z = function of d and D, about 300 to 600Ω
Source: http://w4neq.com/htm/doublet.htm

Calculator: http://www.eeweb.com/toolbox/twisted-pair/
Unshielded twisted pair (UTP) voor internet gebruik

• Alle transmissie lijnen hebben een
zogenaamde karakteristieke impedantie Z0
• De kwart golflengte transmissie lijn is te
gebruiken als een impedantie transformator
Z2
Z1
λ/4
Z0
210 zzz 

n1 n2
R2
R1
Oefening: wat is R1 als de rest bekend is?

• Multimeter
– Ohmse weerstanden, Spanning en Stroom
• Oscilloscoop
– Voltage tegen tijd weergeven
• Functiegenerator
– Voltage tegen tijd maken
• Spectrum analyzer
– Lijkt op oscilloscoop, behalve dat we de verdeling van het vermogen in
het spectrum laten zien
• SWR meetbrug
– Voorwaarts en gereflecteerd vermogen in een transmissielijn
• Vector Netwerk Analyzer
– Functiegenerator en SWR meetbrug in een apparaat, er zijn
verschillende functies

Multimeter
Oscilloscoop/Spectrumanalyzer
Functiegenerator

SWR/PWR meter en VNA
miniVNA tot 3 GHzSWR/PWR meter (meestal: HF/VHF/UHF)

• Poorten
– DUT : device under test poort
– DET : detector poort
– VNAs met meer poorten
• Programmas
– Impedantie meting op DUT tov frequentie
– Transmissie meting (kabels/filters/traps)
– DIP meter op DUT poort
– Veldsterkte meting op DET poort
– Kabellengte door reflectie meting
• Betaalbaar voor de amateur
– MetroVNA: tot 250 MHz (eenvoudig in gebruik)
– MiniVNA: tot 3 GHz (veel calibratiestappen)
– PocketVNA
• Professionele VNAs:
– Rohde en Schwarz
– Keysight
Model R&S tot 5 GHz
MetroVNA tot 250 MHz

In het frequentie-spectrum is het niet anders, we worden verblind

Low-pass
Band-pass
High-pass
f
f
f
P
P
P
De conclusie is dat ze een stukje in het frequentiegebied doorlaten (of weglaten)
Tevens: Notch filters

Tijd
Voltage
Elke probe bij een oscilloscoop vertoont dit gedrag, omdat de probe zelf al een filter is

Source: http://www.ap.com/kb/show/367

Lengte = kwart golflengte (λ)
maal de verkortingsfactor
In Uit
Z2
Z1
We weten dat z0
2 = z1 z2 en dat z2 heel erg groot is, maar dat z0 = 50Ω, het
gevolg is dat z1 heel erg klein moet worden, oftewel, de frequentie die
overeenstemt met f=c/λ zal als het ware kortgesloten worden.

-25
-20
-15
-10
-5
0
0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000
Transmissionloss (dB)
2.355 MHz
7.06 MHz
30 MHz

-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000
Rs (Ohm)
Xs (Ohm)

• Reflectiemeting:
– Reflectie op 2.355 MHz
– 2.355 MHz = 127.39 meter golflengte
– Kwart lambda: λ/4 = 31.84 meter (in vacuum)
– Verkortingsfactor : 0.83  26.4 meter
• Transmissie meting:
– |Z|=0 bij 2.355MHz .. 7.07Mhz .. 11.78MHz etc

Stroom
Voltage
Stroom
Voltage
t=0 t=½T
Impedantie: Zdipole = 73Ω, Versterking: Gdipole = 2.14 dBi
Definitie van
de decibel

Stroom
Voltage
Balun
AC
0 Volt
De balun is ook een filter:
- Antenne is symmetrisch
- Coax is asymmetrisch
- Common-mode filter
Wat?
- Differential mode
- Common mode
- CMRR
Hoe meet je de CMRR?

BalunP1
P2
P3








1312
1312
10dB log20=CMRR
SS
SS S12 : Transmissie poort 1 naar 2
S13 : Transmissie poort 1 naar 3

Gebalanceerd
(dipool)
Ongebalanceerd
(coax)
- DG0SA heeft alles in de webshop
- Sommige baluns hebben ook een spannings trafo ingebouwd
- Werking berust op common-mode filtering

Verbind P2 en P3 en zet er een common mode signaal op, meet transmissie loss op P1
100 Watt: 31.6 mWatt op de mantel, 1000 Watt: 316 mWatt op de mantel
dB
Ongedefinieerde impedantie,
800W 1:1 stroom balun van
DG0SA op een 4C65 ringkern
1 MHz 15 MHz 30 MHz

AC
0 Volt
schuifbaar

4

4
3
50
Inspired by J.S. Huggings
www.hamradio.me
Verkortingsfactoren
gelden voor beide
stukken coax
Twee maal de mantel verbinden
Drie maal de mantel verbinden
Drie maal de kern verbinden

• Deze aanpassing onderdrukt
het mantelstroom signaal
• Ontstaat (meestal) door
slechte aanpassingen aan het
einde vd transmissielijn
• Nodig bij b.v. end-feds, maar
ook G5RV’s
• Het liefst aan beide kant van
een coax kabel monteren
• Voordeel: makkelijk te
maken. Nadeel: waarom
geen beter antenne?

Impedantie aanpassing
• Impedanties:
– Transceiver : ontwerp van de versterker (50 Ω)
– Transmissie lijn: type kabel wat we gebruiken (50 Ω)
– Antenne : type antenne dat we gebruiken (hopelijk ongeveer 50 Ω)
– In het niet bestaande ideale geval zijn de impedanties even groot
• Maar de realiteit is:
– De antenne past niet bij de transmissie lijn
– Uitgezonden signal reflecteert terug naar de zender
– Gereflecteerd signaal kan de zender beschadigen
• Om deze reden meten we altijd de SWR
– Als we in de buurt van 1 komen is dat wenselijk
– Maar als je dat niet lukt ga je aanpassen (tunen)

Optimale vermogens overdracht
R1
R2
V
• Bereken de dissipatie over R2 gegeven V en R1
• Bij welke R2 is er een optimale vermogensoverdracht naar R2
• “Je krijgt vijf minuten om dit probleem op the lossen”
• Doen we dit dan met het lichtnet?
• De situatie is niet precies vergelijkbaar met RF-land
R1 : kabel
R2 : belasting

• Wat veroorzaakt het?
• Werk aan de winkel

Reflection loss-bridge
Invoer
Onbekende belasting
Meter

Staande golf verhouding
• De standing wave ratio (SWR) volgt uit Pr en Pf :
• Pr en Pf is in dit geval het gereflecteerde en voorwaartse
vermogen
• Alleen bij een Ohmse belasting R geldt de benadering, Z0 is
dan de karakteristieke impedantie van de transmissielijn
• Een Vector Network Analyzer (VNA) meet de volledige
admittantie als functie van de frequentie
• Naast de SWR bestaat er ook nog een VSWR
1
/1
/1
SWR
1
0











Z
R
PP
PP
fr
fr

Impedantie aanpassings probleem
• Voor zover mogelijk: pas de antenne aan
– Zorg voor resonantie bij de gewenste frequentie
– Er bestaan breedbandige antenne ontwerpen
– Voorbeelden: log periodic antenne (ziet eruit als
een hele grote Yagi achtige antenne)
• Gebruik een antenne tuner
Tx Tuner
Antenne

Antenne tuner (1)

Antenne tuner (2)
• Dit is een T-shaped antenne tuner
• Doel van de schakeling is impedanties om te zetten
– Tussen de zender en de transmissie lijn
– Tussen de transmissie lijn en de antenne
– De tuner vs common mode filter, twee verschillende dingen
50 Ohm
Groot
impedantie
bereik

• De T-shaped tuner transformeert impedanties
• De analoge tuner is gemaakt van een roller spoel
en variabele condensatoren, werkt tot een paar
honderd Watt
• De digitale tuner bestaat uit relais die vaste
spoelen en condensatoren in en uit schakelen
• Je kunt laten zien dat de T-shaped tuner zich
gedraagt als de ideale transformator, zolang er
maar geen Ohmse weerstanden in het circuit
zitten.
• De kwaliteit van de componenten is daarom
belangrijk bij een hoge vermogensoverdracht

• De λ/4 transmissie lijn kun je gebruiken als
een antenne tuner
• Er bestaan ook andere ontwerpen voor de
tuner (Collins ontwerp: π netwerk)
• De gewone transformator met een vaste
wikkelverhouding werkt ook als een
impedantie omzetter
• Ervaring: het werkt gewoon: analoge tuner
voor thuis, een CG3000 in het veld

• G5RV junior resonant op 40m en 20m
• Er is een 1:1 stroom balun: CMRR 35 dB
• De antenne tuner bij de zender lukt het de
aanpassing op 80m goed te krijgen
• SWR < 1.5 bij de zender
• Stuur 400W naar de antenne:
– Hoeveel vermogen wordt er uitgezonden?
– Waar blijft de rest van het vermogen?

• Tuners:
– Analoge tuners zijn goed zelf te maken
– Digitale tuners worden een “project”
• Baluns:
– Liever zelf maken omdat je dan weet wat je in handen hebt
(beetje een containerbegrip)
– Spanningstransformatie testen zegt ook niet alles
– CMRR meting gedaan, ik vond 35 dB demping
– CMRR meting herhalen met een 2 poorts VNA
• Filters:
– De standaard coax pot is goed te begrijpen
– Zelf bandpass filters maken? Je heb een gewone VNA nodig
– Leuke resultaten op 40m om intermodulatie van omroepzenders
te onderdrukken.
Wheeler dealers

Tuners, Filters and Baluns

Recommended

Recommended

More Related Content

Featured

Featured (20)

Tuners, Filters and Baluns