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Transformationen im Smith-Diagramm (Anpassung) - 1. Beispiel


Die zeichnerische Antennenanpassung im Smith-Diagramm
Serienschaltung von Induktivität und Kondensator an der Antenne
Einfache Anpasung einer 5/8tel (0,64-lambda) Antenne.



Eine 5/8tel hat eine ungefähre Impedanz Z von 50 ohm -j 150 ohm.
Der entsprechende Punkt im Smith-Diagramm befindet sich vom 50ohm-Punkt ausgehend auf dem Kreis nach unten rechts bis zur roten Markierung.
Jeder weiß, dass eine 5/8tel eine Induktivität zur Anpassung benötigt. Diese Induktivität wird von diesem Punkt aus (1,0-j3,0) im Uhrzeigersinn drehend gezeichnet (roter Pfeil). Der dazu gehörende Widerstand X läßt sich außen ablesen: 3,0 (blau) und entspricht j150ohm (3,0*50=j150ohm).
Die passende Induktivität läßt sich errechnen, wenn man

nach L auflöst: ,

eingesetzt, bei beispielsweise 28Mhz ergibt sich

L=0,85µH.5/8tel. Die Stromverteilung ist rot gekennzeichnet
Kondensatoren in Serie geschalten drehen die Antennenimpedanz gegen den Uhrzeigersinn.





Übersicht über Schaltungsvarianten und Konzepte


Mit einer Serieninduktivität oder einem Kondensator gegen Masse (parallel) wird die Impedanz im Uhrzeigersinn transfomiert.









Mit einer Induktivät nach Masse oder einer Serienkapazität wird die Impedanz gegen den Uhrzeigersinn transfomiert.









Wird das Anpasselement hier in Reihe geschalten, wird auf dem im Diagramm aufgetragenen Widerstandskreis transformiert (wie in Beispiel 1). Wird das Anpasselement Parallel geschalten, also nach Masse, wird eigentlich auf dem Leitkreis (grün) transformiert. Im Smith-Diagramm sind die Leitkreise NICHT eingezeichnet. Darum muß bei einer Parallelschaltung jedes mal der Widerstandswert vor der Transformation (blau) mit einem parallelen Element gespiegelt und dann wieder zurückgespiegelt werden (roter Pfeil). Zur Vorstellung der Anpassung brauchen wir aber den Leitkreis. Der Leitkreis der durch 50 ohm geht läßt sich ja leicht eintragen. Jeder andere Leitkreis der (für unsere Vorstellung) benötigt wird (hier grün) muß erst eingezeichnet werden.


Transformation von 1 nach 2: Spule nach Masse



Im Programm Smith-Chart sind die Leitkreise bereits aufgetragen und hellgrün gekennzeichnet. Im Programm wird direkt auf den Leitkreisen transformiert, ohne Spiegelung.

Ausgabe von Smith-Chart. Es wurde von 1 (130,9ohm -j122,8ohm) nach 2 (50,37ohm +j98,05ohm) mit einer Spule nach Masse auf dem Leitkreis transformiert.




Anpassung über den Leitkreis - 2. Beispiel

Anpassung über Serien und Parallelschaltung

Eine Antenne läßt sich nich nur durch eine Serienschaltung von Induktivität und Kondensator anpassen, sondern auch insbesondere durch die Parallelschaltung. Die abgebildete Schaltung soll für eine Halblambda-Antenne analysiert werden. Die antenne hat ein Z von 2000ΩΩ±j0Ω (blau). Von der Antene aus gesehen wird hier zunächst eine Induktivität nach Masse geschalten. Dies geschieht, indem zunächst die Impedanz am Mittelpunkt des Diagramms punktgespiegelt wird (hellblau) . Man sticht also am besten mit dem Zirkel in die Mitte ein und trägt die selbe Entfernung auf der gegenüberliegenden seite auf. Mit einem geraden Strich vom Ausgangspunkt (2000ohm±j0ohm) durch den Mittelpunkt des Diagramms erhält man den neuen Punkt, den Leitwert (hellblauer Pfeil) . Für jeden weiteren Schritt ist es notwendig, bei ca. 3,2 (rote Markierung) einen Kreis (Leitkreis, hier schwarz) einzuzeichnen. Nun läßt sich von dem Leitwert aus nach oben oder unten entlang der Radien ein Schnittpunkt ablesen (grüner Punkt) . Der Abstand bis dorthin Symbolisiert den Blindleitwert B. Er beträgt hier ca. 0,17. Bei der Parallelschaltung (nach Masse geschalten) wird eine Induktivität gegen den Uhrzeigersinn und eine Kapazität im Uhrzeigersinn aufgetragen. Um auf den richtigen Blindleitwert B zu kommen muß der der abgelesene Abstand 0,17 (grün) durch 50 ohm (unsere Normierte Impedanz) geteilt werden :

B= 0,17 : 50
B = 0,0034Siemens
Da hier gegen den Uhrzeigersinn aufgetragen wurde, stellt dies eine Induktivät dar. Also muß L nach folgender Formel
nach L aufgelöst werden:
eingesetzt für 28Mhz

ergibt dies eine Induktivät von: L = 1,67µH






Da in der Schaltung als nächstes eine Serienkapazität angeordnet ist, muss duch eine erneute Punktspiegelung am Mittelpunkt die Impedanz zurücktransformiert werden (roter Punkt). Mit hilfe des Schnitpunktes des Hilfskreises wird hier genau auf einen Reellen Anteil der Impedanz von 50ohm transformiert (50ohm +j255ohm)
Hier tritt die eigentliche Qualität des Smith-Diagramms auf. Eine Lösung der Transformation mit nach Masse geschalteten Induktivitäten oder Kapazitäten wäre ansonsten nur mit einer Komplexen Rechnung möglich.




Jetzt muß zu der bisherigen Anpass-Schaltung lediglich noch die Induktive Komponente beseitigt werden um auf 50 ohm ±j0 ohm zu kommen.

Der Reelle Anteil der Antennenimpedanz ist ja bereits 50 ohm. Da sich die Impedanz oberhalb der Waagerechten befindet kann einfach mit einer Serienkapazität (Drehung gegen den Uhrzeigersinn) , also einer Kapazität zwischen Antenne und Innenleiter Koaxkabel auf 50ohm±j0ohm transfomiert werden.


Es muß jetzt nurnoch die Entsprechende Normierung außen am Diagramm abgelesen und umgerechnet werden: 5,1 entsprechen hierbei: jX = 5,1 * 50 ohm

jX = 255ohm

Zur Anpassung wird der Kondensator in Serie geschalten und im Uhrzeigersinn transfomiert.

Die jetzt entsprechende Kapzität errechnet sich nach:

aufgelöst:

eingesetzt für 28Mhz:

C= 22pF

28Mhz: 22pF & 1,7µH

Wird ein Element der Anpassung nach Masse geschaltet, muß also die Impedanz durch eine Punktspiegelung in den Leitwert übertragen werden. Nach einer erfolgten Transformation mit einem Parallel-Glied (nach Masse) muß aus dem Leitwert wieder die Impedanz zurückgespiegelt werden.


Wahl der geeigneten Anpass-Schaltung

Impedanzen im eingefärbten Bereich sind für diese Anpassung geeignet.

A
Serien-L
Parallel-C

Diese Schaltung ist besonders geeignet für Kapazitäten die mit Relais geschalten werden. Es liegt nur sehr wenig Spannung an der Kapazität an.

B
Parallel-C
Serien-L

Volle Antennenspannung am Kondensator! Je weiter rechts im Smith-Diagramm, desto mehr Spannung hat die Antenne.


Werden beide Schaltungen zu einer vereinigt entsteht die (pi)-Schaltung

Mit der - Schaltung läßt sich grundsätzlich der gesammte Impedanzbereich des Smith-Diagramms anpassen.

Hier soll jedoch klar darauf hingewiesen sein, dass diese Schaltung wesentlich mehr Verluste erzeugt, als eine Schaltung mit zwei Anpassenementen. Abhilfe: bei niederohmigen Antennen (links) sollte der Antennenseitge Kondensator auf Minimum, bei hochomigen Antennen (links) der Senderseitige Kondensator auf Minimum gestellt werden.




C
Parallel-C
Serien-L

Diese Anpassung findet kaum verwendung weil dieser Impedanzbereich bei Antennen nur selten vorkommt.

D
Parallel-L
Serien-C
Diese Anpassung beinhaltet alle gängigen Impedanzbereiche einer Antenne. Vorsicht: Volle Antennenspannung an L und C!

Werden beide Schaltungen vereinigt ensteht die T-Schaltung. Hier soll jedoch klar darauf hingewiesen sein, dass diese Schaltung wesentlich mehr Verluste erzeugt als eine Anpassung mit nur zwei Anpasselementen. Abhilfe: Bei niederohmigen Antennen sollte der Senderseitige Kapazität auf Maximum, bei hochohmigen Antennen der Antennenseitge Kondensator auf Maximum gestellt werden.





Andere Schaltungsvarianten

Die 4 kennengelernten Schaltungen lassen sich auch in folgender Form kombinieren. Allerdings ist hierzu jeweils statt einer Induktivität eine zweite nötig. Induktivitäten haben die größeren Verluste gegenüber Kondensatoren. Daher sind die oben gezeigten Schaltungen den unteren vorzuziehen.



Nun wird die erreichbare Impedanz nurnoch durch die Größe der Kapazitäten und Induktivitäten, bei Variablen Anpassgliedern (Tuner), durch den Variationsbereich beschränkt. Der Variationsbereich bestimmt, ob und wieviel der grau markierten Fläche der Anpass-Schaltung tatsächlich erreichbar sind. Drehkondensatoren haben den kleinsten Variationsbereich (maximal 1:15). Das ist für eine Variable Anpass-Schaltung eigentlich sehr ungeeignet. Bei Vakuum-Kondensatoren ist der Variationsbereich größer (ca. 1:50 bis 1:100). Rollspulen hingegen haben den größten Variationsbereich. Um den Variationsbereich für Kondensatoren zu vergrößern ist es in Schaltung A (siehe oben) möglich, die Kapazitäten durch eine Parallelschaltung einer Staffelung durch Relais oder einfach Schalter vorzunehmen. In dieser Schaltungsvariante ist das möglich, da die anliegende Spannung nur sehr klein ist. Beispiel: 50pF , 100pF, 200pF, 400pF, 800pF, 1600pF. Damit läßt sich zwischen 50pF und 3150pF jeder gewünschte Wert in 50pF-Schritten einstellen.

Außerdem gibt es noch vier Anpassungschaltungen:

Diese werden jedoch nur selten verwendet.

Aus zwei Induktivitäten lassen sich zwei Kombinationen bilden

Eine Beschaltung mit zwei Induktivitäten ist ungünstig, da Induktivitäten mehr Verluste haben als Kapazitäten


Aus zwei Kapazitäten lassen sich zwei Kombinationen bilden




Eine Beschaltung mit zwei Kapazitäten wäre aus Gesichtspunkten der Verluste günstig. Jedoch haben Drehkondensatoren einen sehr eingeschränkten Variationsbereich , so dass die im Diagramm zu sehende Fläche zur Anpassung nicht zu erziehlen ist! Verglichen mit einer vorherigen Schaltung ist die Fläche die man damit anpassen kann außerdem viel kleiner. Auch kommt dieser Impedanzbereich selten vor.


Ergänzung

Transformation mit Ringern-Übertragern

Übertrager oder Baluns sind nur dann sinnvoll eingesetzt, wenn die Impedanz die Transformiert werden soll rein reell ist, also ohne Blindanteil. Ist das nicht der Fall, steigen die Verluste und die Transformationseigenschaften sind nicht mehr überschaubar. Es sollte daher nur auf der Waagerechten Achse mit Ringkern-Übertragern gearbeitet werden. Weiterhin sind Impedanzen oberhalb 600ohm nur schwer zu handhaben, unter anderem weil die Spannungen hier sehr hoch sind und leicht Überschläge produzieren, für Ringkern-Transformatoren deshalb Unerreichbar.


Transfomationseigenschaften von Leitungen

Leitungen Transformieren im Smith-Diagramm Kreisförmig im Uhrzeigersinn um die Leitungsimpedanz als Kreismittelpunkt. Ist die Leitung lambda ½ lang, so wird im Diagramm um eine volle Drehung transformiert,

bei einer Länge von lambda ¼ um eine halbe Drehung, etc. Auch läßt sich der Widerstand von Stub- bzw. von Stichleitungen leicht ermitteln. Eine kurzgeschlossene Leitung beginnt am niederohmigen Punkt (bei 0), eine offene Leitung am hochohmigen Punkt (bei unendlich), und dreht sich jeweils im Uhrzeigersinn, bleibt aber am äußeren Rand des Diagramms.


Symetrische Anpassung

Genauer nachzulesen unter: Janzen, Gerd, Kurze Antennen, Seite 148

Für eine Symetrische Anpassung muß natürlich vor der Anpassung bereits die Symetrie, zb. mit einem Balun-Übertrager erzeugt werden.

Soll eine Anpassung von Unsysmetrisch auf Symetrisch umgerechnet werden, ist nach folgender Skizze vorzugehen. Hier ist es unerheblich, in welche Richtung angepasst werden soll, die Antenne kann also rechts (Z1) oder links (Z2) angeschlossen werden. Es ergeben sich insgesammt zwei Möglichkeiten, in welchen jeweils das in Reihe geschaltete Element entweder die Kapazität verdoppelt oder die Induktivität halbiert.

Zusammenfassung

Die Antennenimpedanz Z besteht aus zwei Widerstandswerten, dem Reellen Widerstand R und dem Blindwiderstand X, der positiv oder negativ sein kann +jX oder -jX. Im Smith-Diagramm werden auf der waagerechten Achse die Reellen Widerstandände R aufgetragen, nach unten die negativen Blindwiderstände (-jX), nach oben die positiven Blindwiderstände (+jX). Eine Impedanz wird ins Smith-Diagramm eingetragen indem der Reelle- und der Blindanteil normiert werden, d.h. es werden beide Werte durch 50 geteilt. Der Impedanzverlauf einer Antenne im Smith-Diagramm ist meist Kreis- oder Spiralförmig und hat fast immer eine Drehrichtung im Uhrseigersinn. Wird eine Induktivität oder ein Kondensator in Reihe geschalten wird auf dem Widerstandskreis transformiert. Wird eine Induktivität oder ein Kondensator parallel geschalten wird auf dem Leitkreis transformiert. Der auf der Leitkreistransformation abgelesene Blindleitwert B mußt für eine Berechnung vom normierten Wert rückgerechnet werden und durch 50 geteilt werden.

Für die Spezialisten

Die Güte der Induktivitäten und der Kapazitäten bleibt bei einer rein zeichnerischen Anpassung zunächst unberücksichtigt. Hierfür ist eine Lösung mit Computerprogramm besser geeignet. Das einfache Programm smith-chart kann die Güte nicht direkt berücksichtigen, sondern man muß es in Form eines Serien oder Parallelwiderstandes angeben. Vipec erlaubt direkt die Angabe der Güte und weiterhin ein tuning der Bauelemente. Es gibt auf wunsch die S, Z oder Y-Parameter aus. Außerdem erlaubt Vipec beliebig viele Messpunkte.

P STYLE="margin-bottom: 0cm; text-decoration: none"> Software: Sämmtliche Programme sind auf der CD im Verzeichnis programme


Smith Chart Version 1.82

Ist erhältlich auf: www.4ham.de

Smith Chart ins ein Windows-Programm zur Berechnung einer Anpass-Schaltung. Die Demo-version (1.82)ist frei und erlaub maximal 5 transformationen (bzw. Elemente). Leider erlaubt diese Version auch kein Speichern. Das Programm ist einfach zu bedienen und zeigt im Smith-Diagramm übersichtlich das Verhalten der gewählten Elemente zur Anpassung. Impedanzwerte von Antennen können einfach mit R und X eingegeben werden und dann mit Elementen wie Kondensator, Induktivität und Widerstand transformiert werden.


Vipec

Ist zu finden auf: http://vipec.sourceforge.net (linux-version)

Ist eigentlich für Linux geschrieben (über www.freshmeat.net leicht zu finden), aber es gibt auch ein windows-binary. Das Programm erfordert fundiertere Kenntnisse der Elektrotechnik. Die Schaltung muß mit Ports aufgebaut werden (ähnlich Touchstone, msdos). Das Programm erlaubt über einen beliebig großen Frequenzbereich mit genügend vielen Messpunkten zu arbeiten. Die Ausgabe erfolgt über ein Smith-Diagramm und ein Rechtwinkliges Diagramm. Beide Diagramme sind vom Benutzer frei definierbar für S, Y oder Z-Parameter. Es ist in der neuesten Version (Linux) ein Tuner-tool vorhanden, um mit Variablen Elementen sofort ein Verhalten der Anpassung zu sehen. Das Programm wird noch weiterentwickelt und es ist beabsichtigt auch aktive Bauelemente mit aufzunehmen.


4nec2

Ist zu finden auf: http://www.qsl.net/wb6tpu/swindex.html

4nec2 ist ein Antennensimulationsprogramm. Es beinhaltet eine Fernfeldsimulation, Nahfeldsimulation, Ausgabe der Antennenimpedanz und einen Optimierer. Das Programm ist sehr umfassend. Die numerische Berechnung erfolgt mit dem alten nec2 Antennensimulationsprogramm. 4Nec2 ist sozusagen nur die Grafische Bedienoberfläche hierfür.


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