DG7YBN / Symmetrierglieder & Baluns
  Letztes Update Sept. 23rd 2017




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Symmetrierglieder ⁄ Transformationsleitungen & Baluns

Viertelwellenglieder

Klassischer λ/4 Sperrtopf
F9FT Style Sperrtopf-Rohr
Pawsey Stub Symmetrierglied
EMI Stub Symmetrierglied
Viertelwellenstück aus Koaxkabel
50 zu 28 Ohm Koax Viertelwellenkonzept
50 zu 12,5 Ohm Koax Viertelwellenkonzept
Auf Platine geätzter Viertelwellentranformator


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?

Wie man Strom auf dem Schirm des Koaxkabel messen kann

Das HF Strom-Meter

Angewandte Konzepte, Beispiele, Fotos

Koaxiales Viertelwellenkonzept, (DG7YBN) EA1DDO concept





Einführung: Über die Bedeutung der richtigen Länge von Koaxkabeln und Stubs

  Attenzione!

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.


Ein Beispiel

Gegenstand ist die 144 MHz YBN 5 Ele. mit Faltdipol - im Einsatz bei Messungen für On-Boom-BC auf rundem 30 mm Boom. Diese soll ihre beste Rückflussdämpfung um 144,300 MHz haben, da die Arbeit noch im Gange ist hat sie gerade noch etwas zu wenig BC.

(1) Ein Plot mit Halbwellenbalun mit falscher Länge des Koaxkabels, weil geschnitten nach "gemeinem" V-Faktor gültig für um 1 MHz


(2) Ein Plot der identischen Yagi, nur diesmal ist der Halbwellenbalun gemessen und getrimmed auf 144.2 MHz
= 38 mm kürzer
, der Unterschied beträgt 500 kHz. Für ein auf einer Viertelwellenleitung basiertes Symmetrisierglied wäre es der halbe Einfluss auf Länge wie Verlagerung des SWR.


Welche Bedeutung hat dieser Unterschied an Länge? Wenn man das richtige SWR durch einen zu langen Balun, Symmetrierglied, Anpassleitung oder Viertenlwellenleitung erzielt wird diese Yagi zu kurze Elemente haben. Was sich in weniger Gewinn und auf jeden Fall in nicht mit dem Design übereinstimmenden Eigenschaften des Strahlungsdiagramms bemerkbar macht. Hätte ich diesen Mechanismus nicht gekannt, hätte ich höchstwahrscheinlich nur noch +1 mm als BC addiert wo, es in Wirklichkeit aber plus +3.2 mm braucht, um die Yagi von ihrer momentanten Ist-Frequenz auf 144,30 MHz herunter zu bringen.

Und das hier ist genau der Grund, warum einige der beliebtesten Desginer von VHF und UHF Yagis die Notwendigkeit einer präzisen Boom-Korrektur ignorieren oder mit ultra hoher Segmentierung des Modells für Standardyagis antworten, wo in Wirklichkeit ein zu langes Symmetrierglied den Frequenz-Plot der Yagi ungefähr dahin bringt, wo er sein soll.

Jetzt ist es klar, dass die Überprüfung der Segmentierung eines NEC Modells im Hinblick auf echte Aufbauten und die Notwendigkeit eines BC und seiner Größe zu nicht passenden Werten führt, wenn lediglich nach V-Faktor geschnittene Leitungen eingesetzt werden. Wenn man daraufhin noch beginnt, die Länge des DE und die Position des D1 zu verändern, so hält das Drama nur an.

Wie kommt das? Die Überschusslänge des Symmetriegliedes addiert sich "virtuell" zur Länge des DE's, so dass dessen elektrische Länge äquivalent zu einer etliche Millimeter größeren elektrischen erscheint als geplant, modelliert oder gesägt wurde.


  Weitere Informationen gibt es hier: Phasing & Matching Lines




Klassischer Sperrtopf (engl. "Sleeve Balun" oder "Bazooka")

Wie funktioniert der Sperrtopf?

Das Erden des Rohres am Koaxmantel ergibt einen Reihenschwingkreis. Jeder unbalancierte Strom "sieht" die hohe Impedanz auf der Seite des Erregers dieser Viertelwellenleitung - und sucht daher einen einfacheren Weg um "zu entkommen". Was auf dem Element zu bleiben und abgestrahlt zu werden bedeutet.

Eine besondere Herausforderung, zusätzlich zu der Aufgabe, die Enden des Rohres wasserdicht zu bekommen, ist es, die Verküzung des Rohres und des Koaxmantels mit passendem V-Faktor zu versehen. Das Dielektrikum zwischen den beiden ist in der Regel Luft. Beinahe, denn ein Teil des Querschnitts wird vom Plastikmantel des Koaxkabels eingenommen. Die zweite Herausforderung wartet auf der Seite zum Anschluss des Dipol. Wie kommt man möglichst nahe an die Anschlüsse des Erregers um ohne lange freie Koaxenden auszukommen und ohne mit dem Boom oder parasitären Elementen zu kolidieren ...

Ich habe ein paar schöne Lösungen gesehen, welche mit einem Stück Mantel von dickerem Koax als Sperrtopf über das eigentliche Kabel geschoben gefertigt waren.








F9FT (Antennes Tonna) Sperrtopfrohr

Diese Abwandlung des Sperrtopf umschifft fast alle der oben angeführten Schwierigkeiten. Die vereinfachte Version des klassischen Sperrtopf besteht aus einem Rohr mit Länge λ/4 welches so dicht wie möglich an die Antennenanschlüsse über das Zuleitungskabel geschoben wird. Das andere Ende wird gegen den Boom geerdet. Die Länge muss λ/4 elektrisch entsprechen. Der einzige Weg das zu erreichen scheint über akkurate Messungen zu führen. Die Erdung soll niederimpedant erfolgen.







Pawsey Stub Symmetrierglied

Der Pawsey Stub macht vom gleichen Prinzip Gebrauch. Nur dass hier ein λ/4 langes Stück Koaxkabel parallel mit der Zuleitung läuft und auf der den Antennenanschlüssen abgewandten Seite gegen den Mantel des Zuleitungskabels geerdet wird.

Die Herausforderung beide Leitungen genau auf elektrisch λ/4 zu trimmen habe ich schon erwähnt - hier haben wir gleiche Bedingungen auf beiden Leitungen. Dennoch muss die zusätzliche Leitung um den Betrag, den die Erdungsverbindung an Induktivität einbringt, gekürzt sein.







EMI Stub Symmetrierglied / EMI - Schleife

Ein praktischer Aufbau von M0ABA: bitte anklicken zum Vergrößern
Diese Dipol ist Teil einer GTV 70-30m Seilyagi, mit der schon erfolgreich 70 cm EME mit 60 W am Speisepunkt gemacht wurde


  EMI stub on a 432 MHz bent Dipole, photo on courtesy of Thomas, M0ABA


Einfacher Aufbau EMI Stub an einer 70cm GTV70-14m von Mike, G3LGR.
Er macht damit erfolgreich QRP EME mit nur 80 W:



Was für den Pawsey Stub gilt, gilt auch für den EMI Stub. Mit der Ausnahme, dass hier die zweite Leitung zu einem Draht oder Metallstab reduziert wird - für das nun wiederum die exakte elektrische Länge von λ/4 bestimmt werden muss. Gegebenfalls mit einem Dip-Meter. Aufgrund des Skin-Effekt wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle durch etwaige Plastikisolierung das Metallstreifen verlangsamt (s. oben).

Übrigends heisst diese Symmetrierglied EMI Stub, weil es in den 60er Jahren von Technikern der Firma EMI Sound & Vision für Sender der BBC entwickelt wurde.







Viertelwellenstück aus Koaxkabel

Viertelwellenleitung nach DG7YBN

Jede Art von Viertelwellenleitung führt am äußeren Ende keinerlei Strom, denn sie aggiert als als resonanter Leitungskreis. Indem wir die koaxiale Zuleitung bei genau dieser Entfernung erden, schaffen wir eine solchen Kreis; nun als Teil der Zuleitung. Wieder "sehen" etwaige unbalancierte Sröme auf dem erregten Element die hohe Impedanz des Kreises, was sie davon abhält, auf dem Mantel der Zuleitung herum zu vagabundieren.

Fall 1 - Unter Verwendung von Koaxkabel mit Plastik als Dielektrikum

Die Viertelwellenleitung ist auf λ/4 * V-Faktor getrimmt. So aggiert das Innere des koaxialen Stub als resonater λ/4 Kreis während die Außenseite zu kurz gerät um volle λ/4 zu erreichen. Mit einem über das Kabel geschobene Ferritkern wird dieser "Fluchtweg" für HF blockiert. Wenn diese immer noch das Koaxkabel hinunter laufen will, müss sie nun den Weg durch das Innere nehmen. Welches allerdings mit dem hohen Innenwiderstand der abgestimmten Leitung aufwartet. Weiter Erklärungen und Aufbauhinweise finden sich hier.

Fall 2 - Unter Verwendung von Koaxkabel mit Luft als Dielektrikum (EA1DDO's Variante)

Bei Verwendung von starrem Koaxkabel mit so gut wie ausschließlich Luft als Dielekrikum und nur wenigen Plastikhaltern für den Mittelleiter, wie 1/2" or 7/8" Flexwell oder 5/8" Andrews geht der Verkürzungsfaktor auf etwa 0,93 ... 0,97 hoch. Nun sind innere und außere Länge um elektrische λ/4 zu erreichen beinahe identisch. Daher kann der Ferritkern als Blockade entfallen wenn die Verbindung um den Schirm zu erden idealerweise genau den Restbetrag an fehlender äußerer Länge liefert.

Ein Pro Version der Viertelwellenleitung

Während der normale Aufbau mit einem Ferritkern so dicht am Anschluss des Dipol wie mölich für die allermeisten Anwendungen mehr als ausreichend arbeitet erreicht man mit mehr Ferritkernen dennoch eine Leitung höherer Güte.

Drei Kerne, auf die Länge der Leitung verteilt, sind gut genug für was ich benutze, wenn ich Referenzmessungen vornehme. Eine noch höhere Zahl verdirbt das Konzept nicht. Je mehr Kerne, desto besser ... bis die ganze Länge voll besetzt ist. Ich denkt, der erste Kern soll der angedachten Speiseleistung entsprechend ausgelegt sein, die folgenden dürfen kleiner sein. Denn deren Aufgabe besteht darin, die Leitung gegen was auch immer für Kopplungen mit der Struktur der Antenne zu desensibilisieren. Gerade bei Verwendung an Kreuzyagis.




Fall 2 ist, was EA1DDO bemerkte und so daraus eine neue Variante dieser symmetrierenden Viertelwellenleitung hervor gebracht hat.

Fotos der angewandten EA1DDO line befinden sich am Ende dieser Seite



Starre Koaxiale Viertelwellenleitung

Leitung aus Kupferrohr gefertigt von Thomas, M0ABA

Man beachte die eng um den Boom geführte Form der offenen Enden und die nützliche Stoßstelle für die 1/4 Lambda Länge auf der geerdeten Seite ausgeführt mit einem Kupferdraht statt die N-Flanschbuche auf ganzen Radius zu verlöten (der Blade Dipol ist hier eine einstellbare Testversion um die exakte nötige Form zu finden).

Die Länge so einer starren Leitung beträgt ca. 152 mm für 432 MHz. Die exakte Länge variiert um ein paar Millimeter, je nach den verwendenen Plastikteilchen, die den Innnenleiter im Rohr zentriert halten.








Auf Platine geätzte Viertelwellenleitung

Eigentlich wird jede HF-Leitung transformieren oder symmetrieren, ganz gleich, wie die physikalische Realisierung ausfällt - , wenn sie nur von passender Länge, Z und Form ist. Wir finden 'Striplines' von 50, 75 oder anderem Z in Transvertern und anderen Gerätschaften fü den UHF Bereich. Warum nicht auch eine Streifenleitung für Antennen entwerfen?

Mit solch einer Platine können wir die Herausforderung umgehen, Transformationsglieder aus parallelen 2 x 75 Ohm oder 2 x 50 Ohm Koaxkabeln zu fertigen. Weiter können wir das Prinzip Yagis für genau 50, 28 oder 12,5 Ohm Fusspunktwiderstand zu entwerfen umgehen, weil uns die Verfügbarkeit von Koaxialkabeln mit passendem Z dazu zwingt. Eine auf Platine aufgebrachte Streifenleitung als Transformator kann dagegen leicht für ganz verschiedene Tranformationsverhältnisse ausgelegt werden.

Ein weiterer Grund für die Anwendung von auf Platinen basierten Tranformationsleitungen kann in der Präzision und Wiederholgenauigkeit, wie auch der Performace wenn PTFE Substrat benutzt wird liegen. Wir können uns leicht vorstellen, daß für eine Gruppe von Yagis für 432 oder sogar 1296 MHz jeder einzelne Millimeter bezüglich gleicher Leitungslänge entscheidet. Was bestimmt leichter zu erreichen ist, wenn man 8 Platinen ätzt, anstatt mit 2 x 8 Stücke Sat-TV Koaxkabel zu ringen.

Eine Skizze zu diesem Prinzip: Anwendung im Dipolkästchen einer UHF-Yagi.

(A) zeigt eine Zweidrahtleitung auf einer einfach kaschierten Platine, (B) das Gleiche auf eine zweiseitigen Platine (hellere Farbe = Layer auf Unterseite), (C) mit zusätzlich eingefügter Induktivität.

•   Es ist klar, daß die Leitungslänge eine Viertelwelle oder ungerade Vielfache betragen muss, um als Transformator zu wirken.
    Wenn niedrige Güte Q ausreicht, mäge sogar 1/3 von 1/4 wl ausreichend sein. Die Breite der Streifen und ihr Abstand in Kombination
    mit dem V-Faktor des Substrates bestimmt die Impedanz der Streifenleitung.

•   (C) zeigt eine gefaltete Leitung; was zwei Vorteile bringt:
    1. wir erhalten kompaktere Dimensionen für die Platine, sie läßt sich leichter in einen Dipolkasten einfügen
    2. Wir fügen eine Induktivität ein, die ggf. noch leicht als "Choke Balun" wirkt. Man beachte, daß wir uns für diese Anwendung
    eine zweifache Funktionalität wünschen.
    Das sind Transformation zw. Impedanz der Antenne und Speiseleitung und zu symmetrieren. Was die geerdete Viertelwellenleitung prinzipiell zwar
    schon leistet, aber ein wenig Hilfe dabei darf auch sein.


Eine Realisation für eine echte Anwendung um auf 432 MHz von 50 zu 28 Ohm anzupassen von OK1VPZ.
Das Return Loss liegt damit lt. OK1VPZ bei etwa -24 dB.

Das Foto wurde freundlicherweise von OK2KKW / OK1VPZ, Vladimir zur Verfügung gestellt

Vladimir berichtet: "Die "Microstrip" Platine ist mit doppelseitigem FR4 Material mit einer Dicke von 0,8mm hergestellt"
Hier ein Link zu Vladimirs vollständigen Artikel mit Layout der Platine auf www.ok2kkw.com








50 zu 28 Ohm Viertelwellen-Konzept

Dies Symmetrierglied transformiert zusätzlich wie untenstehend gezeigt von 50 zu 28 Ohm Ohm. Es besitzt also eine Doppelfunktion.

(Basisschema der 50 zu 28 Ohm transformierenden Viertelwellenleitung)

Das Erden der zwei 75 Ohm Leitungen von je λ/4 an dem DE abgewandten Ende führt auf die 50 zu 28 Ohm Viertelwellen-Match nach DK7ZB. Die DK7ZB-Match befindet sich im selben Dilemma der nicht passenden äußeren Koaxlänge wie die einfache 50 zu 50 Ohm Version. Martin Steyer erklärt das einige zusätzliche Induktivität, gegeben durch den Einsatz zweier Leitungen, die Außenlägen der Koaxleitungen auf in etwa λ/4 verlängeren kann; besonders wenn diese Leitungen als Schleife gelegt werden. Er fügt hinzu, dass vorzugsweise Koaxialkabel mit höherem Verkürzungsfaktor wie Schaum-Dielektrikum verwendet werden soll um die Fehlanpassung innen zu außen zu minimieren.

Die Ferritkernlösung zu kopieren, um das Dilemma der nicht passenden äußeren Koaxlänge zu beheben, könnte auch hier eine gute Idee sein ... so also könnte eine verbesserte DK7ZB-Match aussehen








50 zu 12.5 Ohm Viertelwellen-Konzept

Was für das Viertelwellen-Konzept gilt, kann auch auf das 50 zu 12,5 Ohm Konzept angewandt werden.

(Basisschema der 50 zu 12,5 Ohm transformierenden Viertelwellenleitung)

Das Erden der zwei 50 Ohm Leitungen von je λ/4 an dem DE abgewandten Ende führt auf die 50 zu 12,5 Ohm Viertelwellen-Match nach DK7ZB.

Die Ferritkernlösung zu kopieren, um das Dilemma der nicht passenden äußeren Koaxlänge zu beheben, könnte auch hier eine gute Idee sein (siehe 50 zu 28 Ohm Version).







Klassischer Balun für Faltdipole

Wie von 50 auf 200 Ohms transformiert wird um einen Faltdipol as erregtes Element zu speisen

Schema

   
432 MHz Balun aus RG-142


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.

Ausgemessene Längen für RG-142B/U PTFE Koax sind genau 700 mm für 144 MHz und 231 mm für 432 MHz, von Ende Schirm zu Ende Schirm.
Die ungeschirmten überstehenden Längen addieren sich zum Faltdipol. Ich rate dazu, den Balun NICHT zu erden.

Näheres s. mein Artikel
"Angewandte Umsetzung von segmentierten Drähten aus NEC2 in 144/432 MHz Yagi Elemente für semi-isolierte Montage auf dem Boom mit Standardhaltern - Teil 4, Simulation von Faltdipolen", Dubus 1/2012







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 einzelne n x λ/4 Leitung. Ich benutze daher für 70 cm zumeist 3 x λ/4 Leitungen.







Die HF Stromzange

Jetzt wurde hier viel darüber gesprochen, wie korrekt symmetriert wird. Aber wer es wirklich wissen will, der muss messen.
Nicht nur um die Theorie bestätigt zu finden, sondern auch um die Konstruktion eigener Aufbauten zu prüfen.

Als ich nach einer geeigneten Methode suchte fand ich G3SEK's Webseite zu "Anclip HF-Metern" (engl.: clamp-on RF meters). Die prinzipielle Idee dabei ist mit einem Klappferrit eng an den Mantel der koaxialen Zuleitung anzukoppeln. Dazu wird der Klappferrit mit einigen Windungen isolierten Drahtes bewickelt, um mit dieser Spule auf dem Kabelmantel laufenden Strom abzugreifen. Hier ist meine Interpretation des Messgeräts:

Ich benutze 10 Windungen von 0,8 mm lackisoliertem Draht, gewickelt auf einen 28 x 28 mm Klappferritkern. Das Schaltbild ist recht einfach zu verstehen. Der 47 Ohm Widerstand produziert etwas Potential, welches mit einer Schottky Diode gleichgerichtet wird. Jeder Typ, der bis zur angestrebten maximale Messfrequenz funktioniert, ist geeignet. Die Empfindlichkeit des Instruments ist 22 uA für Vollausschlag. Die Werte der verwendeten Teile sind recht unkritisch.

Um auf "hohe" und "niedrige" Leistung umschalten zu können habe ich noch einen Schalter dazugefügt und ein 1kOhm 10-Gang Poti um beliebige Referenzpegel einstellen zu können. Das kann entweder eine bekannte Leistung in eine Last oder der (Rest)Gleichtaktstrom aus Mantelwellen, erzeugt bei einer bekannten Leistung in eine Referenzantenne sein.

Und so sieht es aus



Unter dem Link zu G3SEK'S website finden sich noch mehr Details







Angewandtes EA1DDO Konzept

Maximo, EA4DDO wollte einem Freund helfen eine 28 MHz 4 Element Quad mit einer Viertelwellenleitung als Symmetriergleid zu speisen nachdem er mich das Konzept in "Angewandte Umsetzung von segmentierten Drähten aus NEC2 in 144 MHz Yagi Elemente - Teil 1", Dubus 2/2010 hatte vorstellen sehen.

Die Herausforderung: Diese Quad sollte mit seriöser QRO-Leistung gespeist werden. Daher würde ein ausreichender Feritkern immense Dimensionen erreichen, Gamma Match Kondensatoren würden ausfallen, die Plastikisolation in mit aufgewickeltem Koaxkabel gefertigten Baluns wahrscheinlich schmelzen
... aber nichts davon bei der quasi driekten Speisung mit starrem Heliax 1-5/8" was durch diese Methode ermöglicht wurde.

Maximos Lösung


Nahaufnahme der Erdung der Viertelwellenleitung


Diese Fotos wurden von EA1DDO zur Verfügung gestellt

Quelle: http://www.ea1ddo.es/balun/balun_ea1ddo_para_antenas_cubicas.html







73, Hartmut, DG7YBN



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