Menu

6.6. A negyedhullámú illesztőcsonk (stub)

A negyedhullámú illesztőcsonk segítségével egyszerűen és kényelmesen érhető eloptimál is illesztés, ugyanakkor mechanikailag igen könnyen valósítható meg. Az angolszász irodalomban az illesz tőcsonk matchingstub néven ismeretes. A legfontosabb alkalmazási területe az egyhuzalos rövid hullámú antennák illesztése tetszőleges szimmetrikus tápvonalakhoz. Széleskörű alkalmazását csupán az a körülmény gátolja, hogy frekvencia függő tulajdonságai miatt az antenna sávszélességét bizonyos fokig csökkenti, ezért széles sávú antennákhoz nem célszerű használni.

Mint az 5.2.3. pontban a kéthuzalos tápvonal  hangolási viszonyainak tárgyalásakor kimutattuk,  a λ/4-nél rövidebb vonalszakasz mindig tiszta reaktanciát képvisel. Ez a reaktancia rövidrezárt táp vonal esetében induktív jellegű (XL), míg nyitott tápvonalnál kapacitív jellegű (XC).

Ha egy λ/4-nél rövidebb tápvonalat Zkim ellenállással zárunk le és a Zkim ellenállás kisebb, mint a tápvonal Zs hullámellenállása, akkor a tápvonal másik végén megjelenő Zbem értéket az Rbem rezisztencia és az Xbem reaktancia párhuzamosan kapcsolt eredőjének tekinthetjük. A helyzetet a 6.10.(a)  ábrán látható helyettesítő vázlat szemlélteti.

 

6.10. ábra. λ/4-nél rövidebb vonalszakasz induktiv meddőhányadának kompenzációja:

(a) helyettesítő áramkör ZA> ZS esetére; (b) XE kompenzációja XC-vel

Mivel Zkim<ZS, az Xbem reaktancia induktív jellegű. A rezisztív ZS eléréséhez ezt az induktív reaktanciát azonos nagyságú kapacitív reaktanciával kell kompenzálni. Ezt a 6.10.(b) ábra szerint érhetjük  el, vagyis megfelelő értékű kondenzátor párhuzamos csatlakoztatásával.

6.11. ábra. λ/4-nél hosszabb vonalszakasz kapacitív meddőhányadának kompenzációja:

(a) helyettesítő áramkör ZA> ZS esetére; (b) XE kompenzációja XL-lel

A fordított esetet tüntettük fel a 6.11.(a) ábrán,  amikor Zkim lezáróellenállás nagyobb, mint a táp vonal ZS hullámellenállása. Ekkor Zbem olyan Xbem,  kapacitív jellegű reaktancia-összetevőt tartalmaz, amelyet párhuzamosan kapcsolt induktivitással lehet kompenzálni [6.11.(b) ábra]. Ilyenkor a Zbem bemeneti impedancia csak Rbem valós (vagyis rezisztív) részből áll, és értéke a tápvonal elektromos hosszának függvénye: ha a tápvonaldarab hossza nulla, akkor Zbem = Rbem = Zkim lesz, míg pontosan λ/4 hossznál Z2S /Zkim.

A negyedhullámú illesztőcsonk elvi működése megfelel az elmondottaknak. A 6.12. ábra szerint a ZS hullámellenállású tápvonalat közvetlenül a Zkim ellenállással jelképezett antenna talppontjára csatlakoztatjuk. Ha ZS és Zkim nem egyforma értékű, az illesztés rossz, és állóhullámok alakulnak ki.

6.12. ábra. Negyedhullámú illesztőcsonk vázlata:

(a) nyitott illesztöcsonk, ha ZA<ZS, (b) rövidrezárt illesztőcsonk, ha ZA>ZS

Az s hullámossági tényezőt, mint tudjuk, a ZA és ZS viszony adja meg:

A Zkim táplálási ponttól C távolságra levő pontnál mérhető impedancia megfelel a tápvonal ZS hullámellenállásának, amelynek azonban reaktív összetevője is van. Ezt a reaktanciát kompenzáljuk, ha ehhez a ponthoz illesztőcsonkot csatolunk. A Z rezisztív értéket vesz fel, és ezzel az illesztettség állapotát el is értük, vagyis a tápvonalon állóhullám nem lesz.

Ha Zkim kisebb, mint ZS, akkor  kapacitív jellegű  nyitott illesztőcsonkkal végezzük a kompenzálást [6.12.(a) ábra]. Ha azonban Zkim nagyobb, mint ZS, akkor a 6.12.(b) ábra szerint - induktív jellegű-rövidrezárt tápvonalat használunk.

A fentiekből következik, hogy a gyakorlatban először azt kell kideríteni, vajon Zkim nagyobb vagy kisebb, mint ZS. Ez általában nem okozhat különösebb gondot, hiszen az alkalmazott tápvonal ZS hullámellenállása többnyire ismeretes, míg az elterjedtebb rövidhullámú antennák Zkim talpponti ellenállása irodalmi adatok alapján aránylag kis hibával becsülhető meg. Így az áramtáplálású antennák (pl. félhullámú dipólus) talpponti ellenállása viszonylag kicsi, ezért Zkim gyakorlatilag mindig kisebb, mint Zs. Feszültségtáplálású antennák esetében (teljeshullámú dipólus vagy egyik végén táplált sugárzó) a talpponti ellenállás nagy, ezért Zkim általában nagyobb, mint ZS.

Az antennabemenet és az illesztőcsonk csatlakozási pontja közötti C távolság, továbbá a csonk B hossza a tápvonal, illetve az illesztőcsonk hullámellenállásától, pontosabban a Zkim/ZS viszonytói függnek. Mivel azonban Zkim/ZS, illetve ZS/Zkim egyúttal s hullámossági tényezővel azonos, ezért a C távolság és a B hossz az s hullámossági tényező függvényei. Ha a tápvonal és az illesztő csonk hullámellenállása megegyezik, Zkim>ZS  esetében (rövidrezárt illesztőcsonk) az alábbi összefüggések érvényesek:

tg C ="s                 (6.7)

és

Ha Zkim < ZS (nyitott illesztőcsonk) a B és C hossza az alábbiak szerint számítható:

 

ctg C="s                     (6.9)

 

és

 

 

Fenti összefüggésekből B és C hosszát fokokban kapjuk. Az átszámításához hullámhosszra a kapott értékeket 360-nal kell elosztani

 

hosszfokban/360 =hossz λ-ban.                   (6.11)

 

Az összefüggéseket a 6.13. és 6.14. ábrák nomogramjaiban foglaltuk össze. Segítségükkel az A, B és C értékei (A=B+C) számítás nélkül, közvetlenül leolvashatók az állóhullám-arány, illetve a hullámossági tényező ismeretében.

6.13. ábra. A nyitott illesztőcsonk B hosszának, továbbá a C és A méretek változása  az s hullámossági tényező függvényében (hosszméretek A-ban)

6.14. ábra. A rövidrezárt illesztőcsonk B hosszának, továbbá a C és A méretek változása  az s hullámossági tényező függvényében (hosszméretek λ-ban)

A nomogram csak akkor használható, ha a negyedhullámú illesztőcsonk ZL hullámellenállása azonos a tápvonal ZS hullámellenállásával, továbbá ha az antenna Zkim talpponti ellenállása nem tartalmaz reaktív összetevőt. Ez azt jelenti, hogy az antennának pontosan rezonanciában kell lennie az üzemi frekvenciával.

Minthogy a negyedhullámú illesztőcsonk esetében lényegében hangolt tápvonalról van szó, méretezésekor az alkalmazott kábeltípus rövidítési tényezőjét figyelembe kell venni. Légszigeteléses, kéthuzalos tápvonalnál a k rövidítési tényező átlagos értéke 0,975; a nomogram segítségével kiszámított A, B és C távolságot ezzel meg kell szorozni. A kereskedelmi műanyag-szigetelésű szalagkábelek rövidítési tényezőit a műszaki adatok tartalmazzák.

Példa. Egy 40 m-es félhullámú dipólus talpponti ellenállása 65Ω; a rezonaciafrekvencia 7025kHz vagy 42,7m. Az antennát műanyag-szigeteléses szalagkábellel akarjuk táplálni (ZS hullámellenállás 300Ω; k rövidítési tényező 0,8). Az illesztést azonos kábelből készített negyedhullámú illesztőcsonkkal oldjuk meg. Elsőként megállapítható, hogy a kábel ZS hullámellenállása (300Ω) nagyobb, mint az antenna Zkim talpponti ellenállása (65Ω), vagyis nyitott illesztő csonkot kell készíteni és a méretezésre a 6.13. ábrabeli nomogramot használjuk.

Az s hullámosságot a ZS/Zkim viszonyból számitjuk:

A függőleges rendezőn megkeressük a 4,6 értéket és innen vízszintesen kivetítjük a C görbére; a metszéspontot levetítve a vízszintes rendezőre, közvetlenül  leolvashatjuk a C szakasz hullámhosszban kifejezett  hosszát: C=0,068λ. A B görbéből hasonló módon megszerkesztett metszéspontot levetítve, megkapjuk az illesztőcsonk hosszát: B=0,165λ. Az A méret meg határozása az A görbe segítségével is megoldható, de B és C összege ugyancsak kiadja: A=0,233λ.

A tényleges, méterben kifejezett hosszakat meg kapjuk, ha a fenti értékeket A=42,7m hullámhosszal megszorozzuk

C=0,068 " 42,7=2,904m; B=0,165 " 42,7=7,046m.

Ezután még a kábel rövidítési tényezőjével kell szorozni:

C=2,904 " 0,8=2,323m; B=7,046 " 0,8 =5,636m.

A fentiekből következik, hogy ha a tápvonalat az antennacsatlakozási ponttól C=2,32 m távolságra megcsapoljuk, és oda egy ugyanabból a kábelből készített B=5,636m hosszú nyitott illesztő csonkot forrasztunk, az illesztés feltételeit teljesítettük. A számítási példát a 6.13. ábrán szaggatott vonallal jelöltük be.

Optimális illesztést csak állóhullámarány-mérő segítségével lehet elérni. Ha ilyen birtokunkban van, az illesztés menete a következő lesz: a tápvonalat először illesztőcsonk nélkül csatlakoztatjuk az antennára, majd meghatározzuk az állóhullám arányt. Így az s hullámossági tényezőt pontosan megmérve, a 6.13. és a 6.14. ábrabeli nomogramok segítségével meghatározhatók B és C értékei. Ez után  anélkül, hogy a tápvonalat az antennáról lekötnénk  attól C távolságban B hosszúságú illesztőcsonkot forrasztunk fel, majd az állóhullám arány-mérővel ellenőrizzük az illesztés jóságát.

A 6.12. ábrán, valamint a 6.13. és 6.14. ábrán vázolt illesztés eltérő ábrázolásmódja alapján úgy tűnik, mintha két különféle illesztési módról lenne  szó. Valójában csupán konstrukciós szempontból van egy kis eltérés, elektromosan mindkét meg oldás teljesen azonos értékű. A 6.15. ábrán a negyedhullámú illesztőcsonk néhány alkalmazási  módját tüntettük fel, míg a 6.16. ábrán ugyanazon antennák elektromosan teljesen egyenértékű hangolócsonkos illesztési megoldásai láthatók.

6.15. ábra. Negyedhullámú illesztőcsonk félhullámú dipólus (a);

teljeshullámú dipólus (b) és végtáplálású antenna (c) esetében

Az (a) vázlata jól ismert félhullámú dipólust, a (b) vázlat a nagy talpponti ellenállású teljeshullámú dipólust, a (c) vázlat pedig az egyik végén táplált sugárzót mutatja, amelynek elektromos hossza λ/2 egész számú többszöröse.

A B illesztőcsonkot úgy kell elhelyezni, hogy a tápvonalhoz merőleges helyzetben legyen. E követelmény figyelembevételével, a mindenkori adott körülményeket mérlegelve, kell a 6.15. ábrabeli negyedhullámú illesztőcsonkot, vagy a 6.16. ábrabeli hangolócsonkot alkalmazni.

6.16. ábra. Hangolócsonk félhullámú dipólus (a); teljeshullámú dipólus (b) és végtáplálású antenna (c) esetén

Mint ismeretes, minden hangolt tápvonalon állóhullámok alakulnak ki. Ezért a jelentősebb veszteségek elkerülése céljából a B és C tápvonal darabokat lehetőleg minél nagyobb átmérőjű huzalból és minél veszteségmentesebb, jó minőségű szigetelőkkel kell elkészíteni. Különösen meg szívlelendő ez abban az esetben, ha a Zkim/ZS, illetve a ZS/Zkim viszony nagy, vagyis nagy állóhullám arány esetében. Gyakorlatilag azonban s=5 hullámossági tényezőig még szokásos méretű huzalok és átlagos minőségű szigetelők alkalmazásakor sem kell jelentősebb veszteségtől tartani; a kereskedelemben kapható szalagkábelek jól használhatók.

Hangolócsonk segítségével még akkor is jó illesztés érhető el, ha a Zkim antenna talpponti ellenállása reaktív összetevőt is tartalmaz. Ha ugyanis Zkim impedancia, a tápvonal áram- és feszültségelosztása a reaktancia jellegétől és mértékétől függően megváltozik. Ennek következtében az állóhullámok feszültség-és árammaximumai és-minimumai nem az antenna bemenetétől számított λ/4, illetőleg n" λ/4 távolságban alakulnak ki a tápvonalon, mint ahogy ez valós talpponti ellenállás esetében bekövetkezik. Ezért alkalmas mérőeszköz segítségével az antenna-talppontból kiindulva a táp vonalon kialakult árammaximumot, illetve -minimumot meg kell keresni, majd ebből a pontból az adó irányába, illetve vevő irányába mérjük le a C távolságot, és csatlakoztatjuk a B hosszúságú illesztőcsonkot. Ha áramminimumból (feszültségmaximumból) indulunk ki, a C és B méreteket a 6.13. ábra nomogramjának segítségével határozhatjuk meg, míg ha a vonatkozási pontban árammaximum (feszültségminimum) van, akkor a 6.14. ábra nomogramját használhatjuk.

A vázolt eljárás azonban csak megfelelő mérő eszközökkel ad jó eredményt. Ezek hiányában mindig arra kell törekedni, hogy az antenna az üzemi frekvenciával rezonanciában legyen: ekkor a Zkim talpponti ellenállás nagy valószínűséggel valós lesz.

 

A negyedhullámú transzformátor (Q-Match)

Tartalom

Az aszimmetrikus hangolócsonk