DG7YBN / Stockungs-, Anpassleitungen & Baluns
  Last Update June 16th 2016




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Koaxiale Transformationsglieder

Koaxiale Transformatoren besitzen eine relativ niedrige -3 dB Bandbreite

Berechnung des Transformationsverhältnis der Viertelwellenleitung
Viertelwellenleitung 12,5 Ohm zu 50 Ohm
Viertelwellenleitung 28 Ohm zu 50 Ohm
Viertelwellenleitung 200 Ohm zu 50 Ohm
Zwölftelwellenleitung 50 Ohm zu 75 Ohm

Breitbandige Transformationsglieder

Für das Anpassen von TV oder LTE Antennen ist ein Breitbandtransformer,
der mehrere 10 MHz oder z.B. das gesamte UHF TV Band überstreicht, vorzuziehen.

Ferrittransformatoren
Transformatoren auf Platinenmaterial

Halbwellenbalun für Faltdipole

Halbwellenbalun 200 zu 50 Ohm
Was zu vermeiden ist, wenn Faltdipole gespeist werden

Ungerade Vielfache von λ/4

Und was ist mit ungeraden Vielfachen von λ/4?

Speisung gestockter Antennen mit Koaxkabel

Speisung für 2 x 25 Ohm
Speisung für 2 x 50 Ohm
Speisung für 4 x 50 Ohm


Dipole von Gruppen in Phase anschliessen

Speisung von 4 Faltdipolen in Phase
Speisung von 4 geraden, gestreckten Dipolen in Phase
Speisung von 4 vertikal gestockten Antennne in Phase





Einführung: Wie man Koax richtig auf Länge bringt & warum der V-Faktor frequenzabhängig ist

  Achtung!

Es ist hinreichend bekannt, dass ein Stück Koaxkabel mit einem Verkürzungsfaktor belegt werden muss, wenn wir es auf eine resonante Länge schneiden möchten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle in einem Medium wird beschrieben durch

als Verkürzungsfaktor ... oder multipliziert mit 100 in % der Lichtgeschwindigkeit. Nach IEC 60250 beträgt die Dielektrizitätskonstante von reinem PTFE εr = 2,1 (gemessen bei 1 MHz) oder v = 0.690 = 69%. Wie auch immer, Radioamateure benutzen zumeist v = 0.7... 0.71, so daß die berechnete Länge eines Viertelwellenstücks für 144 MHz etwa 369 mm entspricht.

Aber habt Ihr jemals die wahre Resonzfrequenz des geschnittenen Stücks nachgemessen?
Auf VHF und darüber werdet Ihr wahrscheinlich erstaunt sein, dass der Stub in der Frequenz ungefähr 5...10% zu tief liegen wird. Das rührt daraus her, dass εr und Verkührzungsfaktor für eine viel niedrigere Frequenz spezifiziert worden sind und die dielektrischen Eigenschaften von Plastik zu einem gewissen Teil frequenzabhängig sind.

Die volle Wahrheit ist, dass Plastik eine so genannte "Dynamische Dielektrizitätskonstante" besitzt.

    M. Bonnet, Kunststoffe in der Ingenieuranwendung, Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2009, pg. 73
    Chapter 1.7.1.3 Dynamic Dielectrical Constant and Dielectrical Loss

    "In einem elektrischen Wechselfeld werden die elektrischen Dipole gezwungen,
    mit der Frequenz ν des Wechselfeldes zu schwingen. Moleküle mit
    Orientierungspolarisation werden dabei gezwungen, jedes Mal ihre Richtung im
    Raum zu ändern. Dies führt zu einer Relaxationsdämpfung."

Es ist besagte Relaxationsdämpfung, welche die Dielektrizitätskonstante mit steigender Frequenz kleiner werden lässt, weil sie die Wellengeschwindigkeit im Plastik mit zunehmender Frequenz weiter herabsetzt. Das lässt eben auch den Zahlenwert des Verkürzungsfaktor absinken - und so die Länge unseres Koax-Stubs auf VHF und darüber. Letztendlich ist das genaue Ausmessen und Trimmen der Länge eines VHF/UHF Koax-Baluns ein Muss, wenn er präse ausgeführt sein soll. Ohne den Einfluss aller zum Kontaktieren offene Koaxenden zu benennen.

Mit dem üblicherweise benutzte V-Faktor (für 1 MHz) kommt man auf 369 mm - wodurch man ein perfekt abgelängtes Viertelwellenende bekommt ... nur eben für etwa 133 MHz. Wenn man diese Länge zu Beispiel in einem 28 Ohm zu 50 Ohm Transformationsglied verbaut, dann braucht es wohl keine großen Fähigkeiten um zu erkennen, dass man hier keinen BC auf der Yagi braucht. Denn für jede konventionelle Yagi-Uda wirkt die überschüssige Länge dieses Anpassungskabels als virtuelle Verlängerung des DE. Es kompensiert für die zu kurzen Elemente. Was für den Frequenzgang in etwa in Ordnung ist, nicht aber für das Strahlungsdiagramm.


  Wie misst man die Resonanzfrequenz einer Länge Koaxkabels?

Jede Viertelwellenlänge Koaxkabel aggiert als Resonazkreis. Jedes ungradzahlige Vielfache davon ebenfalls. Eine λ/2 Balunlänge kann als Viertelwellenlänge auf der resultierenden Frequenz gemessen werden.



Unter Verwendung eines Dip-Meters

Man verbinded die aufgesplitteten Enden auf einer Seite, nimmt das Dip-Meter und fertig ... . Die Frequenzanzeige der meisten Dip-Meter ist nicht so genau wie wir es hier gerne hätten. Also schalte ich den RX meiner Station ein und drehe auf 144,200 und höre darauf, wann der Oszillator des Dip-Meters vorbei kommt. An dieser Stelle kann man dann eine Marke auf der Skala des Dipmeters anbringen.

     



Unter Verwendung eines Network Analyser

Wenn der Network Analyser im "Transmission Mode" arbeiten kann, hat man ein recht genaues Instrument an der Hand. Der S21 Netzwerkparameter ist eigentlich das gleiche.

Prinzip


Ein Stück H2010 getrimmt um auf 144.1 und harmonischen resonant zu sein (mit OBZOR Planar TR1300 VNA)


Im Transmission Mode zeigt der Analyser die Übertragungseigenschaften von was auch immer zwischen der Strecke DUT- zu DET-Port liegt. Wenn wir zwei Koaxleitungen mit Spulen an den Enden benutzen und das kurzgeschlossene Ende unseres Stubs zwischen diese Koppelspulen bringen, finden wir die Übertragungsstrecke gerade auf der Resonanzfrequenz des Stub gestört. Man sieht den kleinen Peak im nachfolgenden Bild. Lose Ankopplung, gerade soviel, dass ein ganz kleiner Hubbel sichtbar wird bringt das genaueste Ergebnis, denn so wird die Resonaz des Stub am wenigsten beeinflusst.

Und hier ist das Stück Koaxkabel, dass zum Plot oben gehört ... es ist das recht neue H2010

Dieses Ende arbeitet im Prototyp meiner 432 MHz GTV 70-19m.

Da das H2010 sehr niedrige Verluste besitzt (8.68 dB auf 100 m bei 432 MHz), UV resistent ist, einen flexible Innenleiter besitzt, sein Dielektrikum aus Schaum-PE wasseerabweisend ist und es fast 1 kW auf 432 MHz verträgt, halte ich es für eine gute Wahl für ein 70 cm Hochleistungsyagi.

Die Testlänge wurde von Kabel Kusch zur Verfügung gestellt - TNX!

Dieses Stück wirkt als 1/4 λ auf 144 MHz und 3 x 1/4 λ auf 432 MHz. Genau wie es der VNA-Plot oben zeigt. Auf der 3ten harmonische mit ungeraden Vielfachen der von 1/4 λ zu arbeiten verändert nichts. Da wir uns das
Kabelstück als eine Viertelwellenleitung gefolgt von einer
Halbwellenleitung vorstellen können


Daher funktioniert diese Leitung für eine 144 MHz und auch eine 432 MHz Yagi als
Symmetrierglied von 50 zu 50 Ohm ... um so besser, wenn ein Ferritkern dicht
am Speisepunkt des DE aufgeschoben wird.



Von der Theorie zur Praxis

Die Fotos wurden freundlicherweise von Erwin, DK5EW zur Verfügung gestellt, der es gleich selbst testet hat

   

Diese Messleitungen könnten etwa kurz sein, wenn wir auf 432 MHz gehen. Nicht dass wir eingebaute Resonanzen oder Viertelwellenleitungen bekommen!

DK5EW misst 144.40 MHz für 342 mm RG-142 PFTE Koax; Ich messe 144.20 MHz für 345 mm der gleichen Kabelsorte

Eine Koppelplatte, gemacht aus einem defekten Koaxrelais bei DG7YBN



Induktive Koppelbrücke von DL2VL (tnx Jörg)

VNA Plot einer Viertelwellenleitung von DL2VL (S11 Param: Input Reflection : Return Loss in dB)






Messen einer 1/4 λ - Leitung als Stub, ausgeführt von PA2CV, Alex:

Alex hat eine Messbrücke aus zwei Längen Koax mit SMA - Verbindern aufbaut. Diese wird zunächst ohne den Stub kalibriert, dann die Viertelwellenleitung in die kleine Brücke in der SMA - Verbindung eingelötet. Und dann das Return Loss (S11) geplottet, siehe unten. Eine schöne Methode, mit der man die Schwierigkeiten der etwas empfindlichen kapazitiven oder induktiven Ankopplung vermeiden kann.

432 MHz Viertelwellenleitung aus RG-142

Geplottetes Return Loss (S11)






• Beispielplots an einer vollständigen Yagi mit richtiger und falscher Koaxlänge finden sich auf der Webseite zu Symmetriergliedern


Flag Counter





Koaxiale Transformationsglieder



Wie das notwendige Z für ein gesuchtes Transformationsverhältnis einer Viertelwellenleitung bestimmt wird

   



Einige Anwendungsbeispiele

1.  Von 50 Ohm Speiseleitung auf eine 12,5 Ohm Yagi mit geradem, gestrecktem DE?
    Z = Wurzel ( 50 Ohm x 12.5 Ohm) = 25 Ohm
    Das kann mit zwei parallelen Viertelwellenleitungen von je 50 Ohm hergestellt werden
	
2.  Von 50 Ohm Speiseleitung auf eine 28 Ohm Yagi mit geradem, gestrecktem DE?
    Z = Wurzel ( 50 Ohm  x  28 Ohm) = 37.4 Ohm
    Das kann mit zwei parallelen Viertelwellenleitungen von je 75 Ohm beinahe hergestellt werden

3.  Und zum Schluss der triviale Fall:
    Von 50 Ohm Speiseleitung auf eine 50 Ohm Yagi mit geradem, gestrecktem DE?
    Z = Wurzel ( 50 Ohm x 50 Ohm) = 50 Ohm



Von 50 Ohm auf 12.5 Ohm transformieren mit parallelen Viertelwellenleitungen





Von 50 Ohm auf 28 Ohm transformieren mit parallelen Viertelwellenleitungen (wie bei der DK7ZB - Match)





Von 50 Ohm auf 200 Ohm transformieren mit parallelen Viertelwellenleitungen // am 23.09.2014 korrigierte Skizze, tnx DH1LM der mir gezeigt hat daß die alte Skizze falsch war. Hoffentlich ist diese richtig ...

Viertelwellenleitungen auf diese Art zu benutzen wirkt im Prinzip wie eine Reihenschaltung, Z ist 100 Ohm, Za = 50 Ohm, Zb = 200 Ohm




Von 50 Ohm auf 75 Ohm tranformieren mit zwei in Serie geschalteten Zwölftelwellenleitungen







Ferrit HF Transformatoren für verschiedene Impedanzübertragungsverhältnisse

• Ferrittransformator

Das Foto zeigt einen 1:1 Transformator, blaue und schwarze Drahtwicklung
sind im Verhältnis 1:1 aufgebracht. Dieser ist für Anwendungen im Kurzwellenbereich. Für VHF / UHF müssen die Dimensionen viel kleiner sein.

Windungsverhältnis N1/N2 zum Quadrat ergibt das Übertragungsverhältnis der Impedanzen:

Beispiel: Za = 50 Ohm, Zb = 200 Ohms ...
Na = 6 wdg; Nb = 12 wdg => Na/Nb = 6/12 = 0.5
Transformationsverhältnis = (Na/Nb)xy2 = 0.25 = 1/4 or 1:4
200 ohms x 0.25 = 50 Ohm

• Balun Transformer (engl.: core = Innenleiter; shield = Schirm)

Der Balun Transformator ist zwei-in-eins:
Das Transformationsverhältnis ist wie oben beschrieben, aber hier ist die 50 Ohm Seite "unbalanced" (Koax-Speisung)
während die 200 Ohm Seite "balanced" bzw. symmetrisch ist.

Ein oft benötigtes Transformationsverhältnis könnte 50 zu 75 Ohm sein.
Das kann realisiert werden mit 6 und 9 wdg. respektive 6 + 3 wdg auf dem Balun Transformer.

• Zur Größe des Ferritkerns

Für Empfangszwecke kann dieser sehr klein sein, ebenso wie die Querschnitte der benutzten Drähte. Eine winzige Ferritperle, bewickelt mit etwa 0.12 mm Kupferlackdraht wird für die meisten Anwendungen ausreichen. Für das Übertragen von Sendleistung gibt es eine wichtige Regel: Der Ferrit darf nicht in Sättigung gehen. Größe ist wichtig hier. An Sendeantennen auf Kurzwellen finden wir relativ häufig Ferritbalune. Anders bei VHF/UHF Anwendungen, hier gibt es bedeutend weniger Daten und nutzbare Ferritmaterialien. Als Faustregel kann man sagen, der Ferrit soll nicht heiß werden. Er soll sich im Sendebetrieb eigentlich nicht merklich erwärmen. Der Benutzung eines sehr großen Ferrits und dicker Drahtwicklungen steht der Notwendigkeit, auf VHF / UHF nur kurze Verbindungen zuzulassen, entgegen.

Reale Dimensionen: Ein sehr kleiner Doppellochkern in einem 144 MHz RX Eingangsteil.

Die Ferrite brauchen nicht so klein zu sein, aber das Foto gibt einen Eindruck ...



Wie auch immmer, hier ist eine kleine Tabelle mit brauchbaren Typen, Herstelleren und Größen von für den Sendebetrieb auf VHF / UHF brauchbaren Ferriten.

Amidon T37 oder T50, Innendurchm. = 5.21 / 7.70 mm für RG58 und RG142 B/U Teflon Koax.
Amidon T80, Innendurchm. = 12.60 für RG213 Koax, Aircell ...
Code T50-0 (Farbecode: braun) eignet sich für 50-300 MHz

Material 43 eignet sich zum Blocken von VHF/UHF Frequenzen

Eine gute Wahl sind die folgenden Kerne:

FT 50 B-43 Innendurchm. 7.9, Außendurchm. 12.7 mm, Länge 12.7 mm (ca. EUR 3 / Stück)
FB-43-5621 Innendurchm. 6.4, Außendurchm. 14.3 mm, Länge 28.6 mm
FB 43-1020 Innendurchm. 12.7, Außendurchm. 25.4 mm, Länge 28.2 mm







Ein kommerziell gefertigter Breitbandtrafo zur Anpassung von 75 Ohm Speisekoaxleitung an eine 300 Ohm UHF TV Antenne

Platine mit Induktivitäten.
So etwas hier zu designen ist sehr komplex und wird gewöhnlicherweise mit "EM" Software wie Sonnet EM, FEKO, ADS ... ausgeführt. Also zeige ich hier nur ein Beispiel. Für alle, die sich selbst tiefergehend mit dem Thema beschäftigen wollen: Es gibt freie, in der Projktgröße begrenzte Versionen wie 'Sonnet EM Lite'.


Hier befindet sich ein Platinentrafo für des 70 cm Amateurfunk Band, der von 50 auf 28 Ohm umsetzt







Von 50 Ohm auf 200 Ohm transformieren für die Speisung eines Faltdipol

Das Transformationsverhältnis der Halbwellen-Umwegleitung beträgt 1:4. Das Prinzip lässt sich auf 60:240 Ohm oder jede andere Impedanz anwenden. Dabei muss das Koaxkabel der Umwegleitung dem der Zuleitung vom Wellenwiderstand her entsprechen.




Was zu vermeiden ist wenn Faltdipole gespeist werden

Das Zuleitungs-Koaxkabel soll nicht wie oben gezeigt, so dass die Schleife irgendeinen Bezug zu einer Viertelwellenleitung in Serie zu Balun bildet, befestigt werden. Wenn die Schleife nahe an einer Viertelwellenlänge ist, kann sie möglicherweise schwerwiegend in Wechselwirkung mit der Umwegleitung treten und als Resultat ein schlechtes VSWR auf der guten Antenne ergeben. Die größte Aufmerksamkeit muss darauf bei nicht mit dem Boom leitend verbundenen Versionen der Umwegschleife oder des Faltdipol selbst gelegt werden.

Eine Befestigung dicht hinter dem Stecker bzw. Anschlusskasten, oder aber die Zuleitung wesentlich länger als λ/4 x V-Faktor frei hängen zu lassen, sorgen für Abhilfe.







Achtung: Jedes ungradzahlige Vielfache von λ/4 wie 5/4 λ oder 7/4 λ transformiert genauso wie das einzelne λ/4 Stück. Warum?
Weil eine Halbwellenleitung absolut nichts verändert, abgesehen von ihren Verlusten. Denn jede ungerade Zahl von λ/4 kann als Anzahl von Halbwellenleitungen plus einer einzelnen λ/4 Leitung angesehen werden.

Auf diese Weise kann jeder Viertelwellenleitung bei gleichbleibenden HF Eigenschaften in ihrer physikalischen Länge erweitert werden. Das kann auf UHF Bändern nützlich sein, wo die Abmessungen des Booms relativ gesehen groß sind gegen die Länge der einzelnen λ/4 Leitung.

Ein Hinweis aus der Praxis: Ich habe eine qualitativ hochwertigen koaxialen 4 x Splitter für 432 MHz bei etlichen Contesten mit gutem Erfolg benutzt, um damit 1296 MHz Yagis zusammen zu schalten.

Das gleiche funktioniert auch mit Splittern für 144 MHz auf 432 Mhz und so weiter. Jede dritte Harmonische ...




Speisung gestockter Antennen mit Koaxkabel



Speisen zweier 25 Ohm Antennen mit 50 Ohm Koax





Speisen zweier 50 Ohm Antennen mit 50 Ohm Koax

  Attenzione! Aufbau dieser 75 Ohm Koaxkabel-Splitter mit 50 Ohm T-Stücken wird nicht zufriedenstellen. Eine kleine Länge 50 Ohm statt 75 Ohm gerade vor dem Summenpunkt ist eine Stoßstelle für die Impedanz, schwerwiegend genug um das VSWR nicht unter ca. 1:1.2 kommen zu lassen.


Speisen von vier 50 Ohm Antennen mit 50 Ohm Koax

Dies ist eine einfache Art um eine Vierergruppe zu speisen. Zwei Stücke von λ/4 oder ungeradzahligen Vielfachen davon, gefolgt von 4 x 50 Ohm Kabel, gleich welcher Länge, aber alle gleich lang.



Speisen von vier 50 Ohm Antennen in typischer H-Konfiguration mit 50 Ohm Koax

Eine klassische Vierergruppe "im H" gestockt kann mit horizontalen Leitungen aus ungeradzahligen Vielfachen von λ/4 wie 5/4 λ effektiv gespeist und angepasst werden. Ein Beispiel: Bei gegebenem Stockungsabstand von 3,0 m bietet sich 5/4 λ an, was auf 144 MHz etwa 5 x 0.34 m = 1.7 m entspricht wenn wir den V-Faktor von PTFE-Kabel zugrunde legen. Das macht dann 1,7 m nach links und 1,7 m nach rechts. Genug, um die Rohre des H-Rahmens zu überbrücken.
Die Länge der vertikalen Kabel ist beliebig, aber alle müssen gleiche Länge aufweisen.



Vier Faltipole in Phase speisen

Es ist klar, daß die Speiseleitungen von gleicher Länge sind und die Impedanzen passend transformiert werden müssen, s. ohen oder mittels eines Anpasstopfes

• Alle Schirme sollen auf die gleichen Seite zugeführt werden
• Alle Faltdipole zeigen nach oben

... was in einer typischen Gruppe "in H" Konfiguration bedingt, daß die Unterzüge der unteren Yagis anders herum montiert werden.







Vier gestreckte Dipole in Phase speise

Es ist klar, daß die Speiseleitungen von gleicher Länge sind und die Impedanzen passend transformiert werden müssen, s. ohen oder mittels eines Anpasstopfes

• Alle Schirme sollen auf die gleichen Seite zugeführt werden








Eine vierfach vertikal gestockte Yagigruppe speisen

Allgemein:

Es ist klar, daß die Speiseleitungen von gleicher Länge sind und die Impedanzen passend transformiert werden müssen, s. ohen oder mittels eines Anpasstopfes

Spezifisch:

Wenn man gleiche Längen Koax für alle Zuleitungen nimmt, müssen die innerern (Nr. 2, 3) irgendwie aufgewickelt werden. Es geht auch geschickter. Wenn man deren Länge um volle 360 Grad kürzt, erhält man weiterhin eine phasenrichtige Speisung der Gruppe. weil 360 Grad oder ganzzahlige Vielfache davon nichts an der Phasenlage ändern. Mit einer um n x 360 Grad verschobenen Phase liegen wir immer noch auf dem gleichen Punkt des Sinus, wie wir ihn auf den äußeren Yagis finden. Wir speisen also korrekt alle Dipole 'in Phase'.

Ein Beispiel: 360 Grad is genau eine Wellenlänge, multipliziert mit dem wahren v-Faktor des Koaxes bei vorgesehener Frequenz. So ergibt etwa v = 0.82 für ein Koax mit geschäumtem Dielektrikum auf 144.1 MHz (2.080 m) eine Länge von 1,706 m. Einfach gesprochen: Die Kabel Nr. 2, 3 können um 1,706 m kürzer sein, als die Speiseleitungen der äußeren Yagis.

• Alle Schirme sollen auf die gleichen Seite zugeführt werden






Flag Counter


73, Hartmut, DG7YBN