Applikationen
Applikationen Applikationen mit dem Smithdiagramm: Hintergründe zur Impedanztransformation mit dem Double-Slug-Tuner Datenblatt, einen Frequenzbereich von 300 MHz bis 1.7 GHz ab. Bild 1: Beispiel für Double Slug Tuner (Quelle: Microlab, SF-Serie). Die Impedanztransformation durch einen Double- Slug-Tuner ermöglicht das stufenlose Einstellen von fast jedem gewünschten VSWR bzw. Reflexionsfaktor. Bild 2: Mechanischer Grundaufbau (Längsschnitt) Der mechanische Aufbau und das Prinzip Kaum zu glauben, dass eine so einfach anmutende Konstruktion die stufenlose Einstellung des VSWR bis hin zu 10:1 ermöglicht. Die maximal übertragbare Leistung liegt bei 500 Watt, die Durchgangsdämpfung beträgt 0.2 dB. Für einen Kurzwellen-Antennentuner, aufgebaut aus diskreten Bauelementen, gestaltet sich der Aufwand ungleich höher. Was verbirgt sich nun in diesem knapp 0,5 m langen Metallrohr mit N-Anschlüssen? Das Prinzip zeigt Bild 2 im Längs- Damit ist einerseits das optimale Anpassen von z.B. Antennen realisierbar, andererseits lassen sich bewusst Fehlanpassungen mit gezielt gewählten Parametern erzeugen. Das verwendete Funktionsprinzip ist sicherlich nicht trivial, mit dem Smithdiagramm werden die Hintergründe sehr schnell transparent. Anpassnetzwerke werden in der Regel durch Kondensatoren und Spulen realisiert, für Antennen im Kurzwellenbereich kommen dafür z.B. Antennentuner zum Einsatz, die in einem weit gesteckten Bereich das VSWR von fast jedem Antennengebilde anpassen lassen. Das geschieht automatisch über Relais durch zu- oder abschaltbare Grundglieder, die in diskreter Technik aufgebaut sind. Bild 3: Double-Slug-Tuner im Laufzeitdiagramm Für Frequenzen ab einigen 100 MHz aufwärts ist dieses Prinzip nicht mehr anwendbar, die Eigenresonanzen von diskreten Bauteilen setzen hier die Grenzen. Dort greift man auf den Effekt der Leitungstransformation zurück. Prinzipiell funktioniert das Bauteil „Leitung“ (Leitungstransformation) auch im Kurzwellenbereich, allerdings sind die Abmessungen nicht praktikabel, erst mit Frequenzen im 3-stelligen MHz- Bereich sind die Abmessungen vernünftig zu handhaben. Der in Bild 1 gezeigte Double- Slug-Tuner hat eine Länge von 460 mm und deckt dabei, laut schnitt. Der Grundkörper wird als stabiler, koaxialer Leiter (50 Ohm) mit Dielektrikum Luft aufgebaut. Innerhalb dieser 50-Ohm-Luftleitung sind meist zwei verschiebbare Elemente, die Slugs (übersetzt – „Kerne“) angeordnet. Die mechanische Ausführung erfordert äußerste Präzision, die Slugs müssen in der Luftlei- 26 hf-praxis 6/2012
Applikationen Bild 4: Auswirkungen der Leitungstransformationen Bild 5: Auswirkungen bei Verringerung des Slug-Abstandes tung leicht zu bewegen sein. Das Verschieben und Fixieren muss außerdem frei von Spiel sein, nur so ist eine präzise und reproduzierbare Einstellung möglich. Besonders kritisch ist, wie wir noch sehen werden, der Bereich der nahe dem VSWR 1 liegt. Die mechanische Abmessung des koaxialen Systems, also der Luftleitung, wird auf die Systemimpedanz, meist 50 Ohm, ausgelegt. Damit definieren sich die Durchmesser des Innenleiters und des umhüllenden Rohres. Entscheidend für den Wellenwiderstand eines koaxialen Systems ist das Verhältnis der beteiligten Durchmesser zueinander. Die Slugs beeinflussen, aufgrund ihrer von Luft abweichenden Dielektrizitätskonstante, den Wellenwiderstand, und zwar genau begrenzt auf ihre Position innerhalb des Luftleiters und über ihre mechanische Länge. Der Wellenwiderstand verharrt auf der gesamten Länge des „Fremdkörpers“ bei einem abweichenden Wert zur ursprünglichen Impedanz der Luftleitung. Das lässt sich mit einer TDR-Messung sichtbar machen, ein dem Autor vorliegendes Exemplar wurde so vermessen, die Ergebnisse zeigen Bild 3. Betrachtet man den Kurvenverlauf von links nach rechts, so erkennt man einen Einbruch der Impedanz von ursprünglich 50 Ohm auf 37 Ohm. Über eine gewisse Breite bleibt die Impedanz auf 37 Ohm stehen, um dann wieder auf 50 Ohm anzusteigen. Hier ist der erste Slug mechanisch zu Ende und das Dielektrikum Luft wieder wirksam. Nach etwas Abstand erscheint der zweite Slug in gleicher Weise. Anschließend folgt erneut ein kurzes Stück mit der Systemimpedanz 50 Ohm, schließlich wechselt die Kurve zu dem für ein offenes Leitungsende charakteristisch steilen Anstieg (hochohmiger Impedanzwert). Verschiebt man nun die Slugs, wandern die „Impedanzeinbrüche“ auf der Laufzeitachse synchron mit. Die Gesamtabmessungen des Tuners und die Wahl des Dielektrikums der Slugs orientieren sich an dem gewünschten Frequenzbereich. Die Funktion wird transparent durch das Smithdiagramm Bei allen nachfolgenden Betrachtungen werden die Verluste innerhalb des Tuners als vernachlässigbar angenommen. Es erscheint schwer vorstellbar, wie es mit dieser doch relativ einfachen Vorrichtung möglich sein soll, ein in doch weiten Grenzen stufenlos einstellbares VSWR zu bewirken. Bedienen wir uns für die Erklärung des Smithdiagramms, Bild 4. Dazu konstruieren wir den Fall, der Tuner wird an einem Ende mit einem 50-Ohm-Präzisionswiderstand abgeschlossen. Diese 50 Ohm entsprechen einem VSWR von 1 bzw. Reflexionsfaktor 0 und sollen nun durch den Tuner auf andere (schlechtere) Werte gebracht werden. Das erscheint zunächst paradox, denn eigentlich ist das übliche Ziel, eine verbesserte Anpassung zu erzielen. Zur Untersuchung der Funktion des Tuners ist dieser Umweg zunächst sinnvoller, denn was in die eine Richtung funktioniert, gilt auch für deren Umkehr. Schließt man an den Tunereingang die gleichwertige Fehlanpassung an, erreichen wir am gegenüberliegenden Ende nämlich präzise 50 Ohm. Weiterhin besteht eventuell der Bedarf, zu Messzwecken einen definierten Missmatch zu erzwingen, um das Verhalten z.B. eines Verstärkers bei Fehlanpassung zu studieren. Auch hier wäre es sinnvoll, die vorhandenen 50 Ohm zu „verschlechtern“, wie wir später noch sehen werden. Aus Gründen der besseren zeichnerischen Darstellung wurde für die in den folgenden Bildern 4 und 5 verwendeten Beispiele eine bewusst niedrige Impedanz von 26 Ohm für die Slugs gewählt. Der Slug-Tuner basiert auf dem Effekt der Leitungstransformation. Daher ist die elektrische Länge der Slugs bestimmend für den Frequenzbereich, den der Tuner abdecken wird. Wir unterstellen für unsere Betrachtung, dass der Slug aufgrund seiner Abmessungen bei einer bestimmten Frequenz exakt eine λ¼-Transformation bewirkt. Im Smithdiagramm ist die Transformation des 50-Ohm-Abschlusses (roter, offener Marker) als dunkelgrüner Verlauf dargestellt. hf-praxis 6/2012 27
