Anpassning av antenner och flerbandsantenner

Som vi redan har lärt oss kan en halvvågsdipol också matas i ena änden. Matningsresistansen är vid en trådlängd på $\lambda / 2$ eller multipler av den högohmig (ca $\qtyrange{2000}{2500}{\ohm}$).

För att anpassa en sådan ändmatad antenn finns flera möjligheter. Vi tittar nedan på tre typiska varianter:

  • Fuchs-krets
  • Transformator för impedansanpassning
  • Zeppelinantenn

En möjlighet till anpassning är den redan behandlade Fuchs-kretsen (jfr figur HAREC-19.10.1). Det är en parallellsvängningskrets som ställs in på driftsfrekvensen. Den transformerar matarledningens låga impedans till den ändmatade halvvågsantennens höga matningsimpedans och kompenserar samtidigt eventuella reaktiva delar.

1) Kort beskrivning: Kopplingsschema med rektangulär ledningsdragning; från vänster en koaxialkabel märkt ”50–75 Ω”: den inre ledaren är via en vertikal spole (två halvbågar vända åt höger) ansluten till jord, den yttre ledaren är direkt ansluten till jord; spolens nedre ände är åt höger ansluten till en parallellsvängningskrets av spole och vridkondensator; parallellsvängningskretsens övre ände är ansluten till en horisontell ledare.

2) Utförlig beskrivning: Kopplingsschemat visar en rektangulär krets av raka ledare. Från vänster är en koaxialkabel ritad, märkt ”50–75 Ω”. Dess inre ledare är via en vertikal spole (två halvbågar vända åt höger) ansluten till jord, den yttre ledaren är direkt ansluten till jord. Spolens nedre ände är åt höger ansluten till en parallellsvängningskrets av en vertikal spole (fyra halvbågar vända åt vänster, ritad parallellt med den första spolen) och en vridkondensator (två horisontella streck med en pil som pekar snett uppåt höger). Parallellsvängningskretsens övre ände leder till en något tjockare ritad, horisontell ledare med en anslutningspunkt i änden.
Figur HAREC-19.10.1: Fuchs-krets för anpassning av en ändmatad halvvågsantenn

En annan möjlighet är en transformator (jfr figur HAREC-19.10.2) med omsättningsförhållandet $ü = 1:7$. Eftersom både spänning och ström multipliceras respektive divideras med faktorn $\num{7}$, blir transformationen för resistansen $1:7^2 = 1:49$, motsvarande $(1 \cdot \qty{50}{\ohm}) : (49 \cdot \qty{50}{\ohm}) = \qty{50}{\ohm} : \qty{2450}{\ohm}$.

TODO
Figur HAREC-19.10.2: 1 till 49 un-un för anpassning av en ändmatad halvvågsantenn
Kort beskrivning: Kopplingsschema med en lång horisontell ledare (≈ λ/2), en stor spole med omsättningsförhållandet ”ü = 1 : 7”, ett block ”MWS” anslutet till vänster och måttangivelsen ”≥ 0,05·λ” vid den avgående vertikala ledaren.

Utförlig beskrivning: Från vänstra änden av en lång, vågrät ledare med begränsningspilar åt vänster och höger och märkningen ”≈ λ/2” går en lodrät, stor spole ut. Den är betecknad ”ü = 1 : 7”. Till vänster om spolen löper parallellt en streckad lodrät linje. Nederst på spolen finns en knutpunkt, från vilken en ledare går lodrätt nedåt; bredvid visar en dubbelpil med märkningen ”≥ 0,05·λ” den krävda vertikala längden. Från knutpunkten vid spolens nedre ände går en ledare till ett block märkt ”MWS”. Blocket innehåller två små spolar till vänster (övre och nedre) samt till höger om spolarna en kondensator mellan två plintar. Den högra plinten är ansluten till den stora spolens nedre anslutning. Till vänster på ”MWS”-blocket finns en ingång märkt ”50 Ω”.
Figur HAREC-19.10.3: Ändmatad halvvågsdipol med pigtail
Den här alternativtexten har ännu inte granskats.

Ett kopplingsschema visar en uppställning av elektriska komponenter. Till vänster går en ledning på 50 ohm, följd av en spole märkt MWS. Ytterligare en spole och en kondensator är parallellkopplade. Till höger visas en större spole vars omsättningsförhållande anges som ”ü = 1 : 7”. Ovanför den står ett avstånd markerat med ”0,05·λ”. Upptill finns en pil med beteckningen ”≈ λ/2” som sträcker sig över den stora spolen.
Figur HAREC-19.10.4: Ändmatad halvvågsdipol med koaxialkabel som motvikt

Vid impedanstransformation (transformation av resistansen) ingår en transformators varvtalsförhållande i kvadrat, dvs. en transformator med varvtalsförhållandet 1:7 ger en impedanstransformation på 1:49. För baluner och un-un anges ofta inte om det gäller varvtalsförhållandet eller impedansförhållandet. Det finns alltså risk för förväxling. Vanligast är att impedansförhållandet anges. För en transformator med varvtalsförhållandet ($ü$) 1:7 talar man då t. ex. om en 1:49-un-un.

Som motvikt används ofta en kort trådända (minst en tjugondels våglängd), jfr figur HAREC-19.10.3, eller en del av den koaxiala tilledningen (minst $\qty{0,05}{\lambda}$), jfr figur HAREC-19.10.4. En mantelvågsspärr (förkortat MWS) förhindrar att den fortsatta tilledningskabeln blir en del av antennen.

I stället för en Fuchs-krets eller transformator kan man också använda en tvåtrådsledning med längden $\lambda / 4$. Då talar man om en zeppelinantenn (jfr figur HAREC-19.10.5). Hur en ledning transformerar en impedans går vi igenom närmare i ett senare avsnitt.

Namnet kommer från att dessa antenner användes på luftskepp. Genom den $\lambda / 4$ långa tvåtrådsledningen uppträder den höga spänningen först i dess ände och därmed långt från det gasfyllda luftskeppet (jfr figur HAREC-19.10.6).

Den här alternativtexten har ännu inte granskats.

Kort beskrivning: Schematisk teckning med en vågrät ledning vars längd är markerad med ”λ/2” och en till vänster anslutande lodrät dubbelledning vars höjd anges med ”λ/4”.

Detaljerad beskrivning: En kraftig, vågrät linje löper från vänster till höger; ovanför den finns en dubbelriktad pil (vänster–höger) med märkningen ”λ/2”. Till vänster visas en lodrät dubbelledning: två parallella linjer med flera korta tvärförbindelser (stegliknande), som upptill är ansluten med en ifylld punkt till den vågräta linjen. Till höger om denna lodräta ledning står en dubbelriktad pil (upp–ned) med märkningen ”λ/4”. I den vågräta linjens ändområden är grupper av små, öppna cirklar ritade; i den lodräta dubbelledningens nedre ände finns två ifyllda punkter. En fin streckad horisontell linje löper i höjd med den vågräta ledningen ut över bildens vänstra och högra kant.
Figur HAREC-19.10.5: Uppbyggnad av en zeppelinantenn
TODO
Figur HAREC-19.10.6: Zeppelinantenn (illustrationsbild)

Liksom för en ändmatad halvvågsdipol kan man även för andra antennformer använda en matarledning med avvikande karakteristisk impedans för anpassning. I Instegscertifikatet och HAREC har vi redan lärt känna helvågsslingantenner; hit hör även delta loop och quadantennen. En delta loop-antenn (jfr figur HAREC-19.10.7) har vid lika långa sidor en matningsimpedans på ungefär $\qty{100}{\ohm}$. Genom att sätta in en $\lambda / 4$-ledning med karakteristisk impedans $\qty{75}{\ohm}$ sker en transformation till de $\qty{50}{\ohm}$ som är vanliga inom amatörradion.

Den här alternativtexten har ännu inte granskats.

Kortversion: Schematisk teckning av en triangelformad trådslinga med matningspunkt nedtill, ansluten till ett λ/4-stycke 75-Ω-koax och därefter en 50-Ω-koax.

Detaljer: En stor, uppåtpekande triangel (sluten slinga) är ritad symmetriskt i mitten; inuti står märkningen ”l = 43,18 m för 7,1 MHz”. Från triangelbasens nedre mittpunkt går två korta, parallella vertikala ledare nedåt till ett kort, cylindriskt ritat avsnitt (öppen ellips upptill), som är märkt ”λ/4” till vänster och ”75 Ω” till höger; små svarta punkter markerar anslutningspunkter upptill och nedtill på avsnittet. Därunder är ett längre, likaså cylindriskt ritat avsnitt anslutet, märkt ”50 Ω” till höger; upptill är en förbindelsepunkt ritad, den nedre änden är öppen och fortsätter antydningsvis nedåt (streckad mittlinje). Alla linjer är svarta på vit bakgrund; det finns inga ytterligare komponenter, axlar eller skalor.
Figur HAREC-19.10.7: Delta loop-antenn

Det optimala värdet för karakteristisk impedans hos en $\lambda / 4$-matarledning som används för anpassning beräknas som det geometriska medelvärdet av de två impedanserna, t. ex. $\qty{50}{\ohm}$ och $\qty{100}{\ohm}$, motsvarande $\sqrt{\qty{50}{\ohm} \cdot \qty{100}{\ohm}} \approx \qty{70,7}{\ohm}$.

Utför man helvågsslingan som en kvadrat måste längden på varje sida motsvara en fjärdedels våglängd.

Liksom hos dipolen avviker den mekaniska längden hos en helvågsslingantenn från den elektriska längden. Till skillnad från förkortningsfaktorn hos dipoler finns det hos helvågsslingor överraskande nog en förlängningsfaktor, dvs. antennen måste vara några procent längre än en våglängd i fritt rum.

Eftersom frekvensband har olika utbredningsförhållanden vid olika tider på dygnet, året och solcykeln vill radioamatörer gärna kunna köra på så många frekvensband som möjligt. Två exempel på flerbandsantenner är G5RV-antennen med två lika långa sidor (jfr figur HAREC-19.10.8) och en tvåtrådsledning samt den osymmetriskt matade Windom-antennen (jfr figur HAREC-19.10.9), där skickligt valda mått ger många resonanser och därmed användning på så många amatörradioband som möjligt.

Den här alternativtexten har ännu inte granskats.

1) Kort sammanfattning: Schematisk teckning med en horisontell ledning och en central avgrening till en vertikal, parallellförd tvåledarledning; måttangivelser ”31,2 m” horisontellt och ”10,3 m” vertikalt, nedtill märkningen ”75 Ω”.

2) Detaljerad beskrivning: Ett vågrätt, tjockt streck löper över hela bredden. Ovanför det står en dubbelriktad måttpil med texten ”31,2 m”. Nära den horisontella ledningens båda ändar är små öppna cirklar ritade. I mitten av den horisontella ledningen finns två ifyllda punkter; därifrån går en lodrät tvåledarledning av två parallella linjer med flera korta tvärstag (stegliknande) nedåt. Till höger om denna lodräta ledning visar en vertikal dubbelpil från den horisontella ledningen nedåt, märkt ”10,3 m”. I tvåledarledningens nedre ände finns två ifyllda punkter; direkt under står ett litet ”x” vid vardera. Under dessa markeringar står i mitten texten ”75 Ω”.
Figur HAREC-19.10.8: G5RV-antenn
Den här alternativtexten har ännu inte granskats.

Diagram över en antenn med en pil från vänster mot höger uppåt som anger 41,5 m. I mitten finns ett kvadratiskt element märkt ”1:6”. Ett vertikalt rör går från detta element nedåt. En ytterligare pil åt vänster anger 13,8 m.
Figur HAREC-19.10.9: Windom-antenn

Att en antenn är resonant betyder inte att den också har bra strålningskaraktäristik. Ofta vill man uppnå en så låg strålningsvinkel som möjligt. För mot jord matade vertikalantenner är en längd på ca $5/8 \lambda$ optimal.

En enkel tråd med jord som motpol är inte resonant vid längden $5/8 \lambda$. Resonanser uppstår bara vid $1/4$, $3/4$, $5/4$ osv. Därför behövs en anpassning. Den åstadkoms vanligtvis genom att sätta in en spole som förlänger den elektriska längden från $5/8$ till $6/8$ (alltså $3/4$). Sådana spolar ser man ofta på antenner för fordon.

Optimum på $5/8 \lambda$ gäller bara för mot jord matade antenner. Betraktar man till exempel mittmatade dipoler som befinner sig antingen i fritt rum eller vertikalt, strax ovanför marken, ligger optimum i stället på $5/4 \lambda$.


Fortsätt till nästa avsnitt: Antennlängd och resonans