Antenne tuners (also in English)

Al weer een stuk over tuners. Ach ja, waarom niet. Alleen nu geen kant en klaar recept maar uitleg over wat zo’n ding doet. Dat is namelijk best handig om te weten als je er een wil maken.

Another peace on tuners, why not. This is no recept but the things you must know to build a decent one. Here some examples. Do not look at the values. You can use a program like Qucs, LTspice or simetrix to simulate one. Use AC analysing.

Hier zie je de nodige voorbeelden. Kijk niet naar de componentwaarden. Je kan een tuner ook simuleren in smithchard programma’s en in qucs, LTspice of simeterix. Gebruik de AC analyse.

Klik voor een vergroting

Zo’n simulatie zie je hier: Here is a sim:

Klik voor een vergroting

Klik voor een vergroting

Laten we eens beginnen met een vooroordeel. Een Tuner is een kassie-belazer. Je stookt al je vermogen in een tuner op en zo’n ding is niks. Dit is helemaal waar en tegelijk de grootste onzin. Raar ? Nee. Een tuner doet niets meer dan het aanpassen van de impedantie van de antenne en transmissielijn naar de 50 ohm die onze zender graag ziet. Een tuner maak je het beste met hele goede onderdelen. Dus met een hoge Q. Een hoge onbelaste Q om precies te zijn. Alleen moet die tuner zijn vermogen wel kwijt kunnen. Kan hij dat niet omdat de antenne niet goed is (veeeeel te kort en coax gevoed) dan zal dat vermogen ergens heen moeten den dat ergens is de spoel van je tuner.

Let’s start with some lore. A tuner is a source of loss. It just transforms the impedance of your antenna and feeder to 50 ohms. The value our transmitters like. Use good parts to get a high Q. A high unloaded Q that is. The tuner must be able to transduce it’s energy so it must see a good load. If the antenna is not a good load the tuner must dissipate the power, it has no other option.

Je moet het zo zien. We hebben een watervat met een gootje naar een tweede vat. Nu is het ene vat aangesloten op een waterleiding en wordt op een constante druk gehouden. Onderin zit een opening en daar loopt water in het gootje. Nu zitten er in dat andere vat 2 kleine gaten. Om dat toch op elkaar aan te passen maak je een verdeelsluisje wat die goten splitst, dat past de twee vaten op elkaar aan. Als dat tweede vat nu heel kleine gaatjes heeft en minder water kan nemen dat er uit het volle vat komt dan loopt je verdeelsluisje en je goot over. Je verliest dus water. Is je sluisje nu niet goed. Nee. Dat doet zijn best. Het ontvangende vat is gewoon niet goed. Zo is het met antennes ook. Als de antenne het vermogen niet aankan dan zal het in de tuner/kabel gedissipeerd moeten worden.

The way it works: The transmitter is a water barrel that is connected to the water net.. There is a constant presure. There is one hole the water is blown out. It has to go to a second barrel by means of a gutter. The problem is, our second barrel has two smaller holes. So we make a splitter/regulator in between. If the holes are very small the splitter (tuner) will not be able to deliver the amount of water it is receiving the gutter/regulator/splitter will spill the water. Is the splitter wrong, no the receiving barrel is the problem. We give it more water it can handle.

Een antenne heeft een complexe impedantie. Een ohms deel. De stralingsweerstand. Het deel wat het vermogen dissipeert. Zoals eem lamp straalt door stroom te dissiperen doet je antenne dat eigenlijk ook. Daarnaast is er een stuk inductie en/of capaciteit. Een pure reactantie zoals een capaciteit of inductie kan geen vermogen dissiperen dus het straalt ook niet. Als je antenne maar 1 ohm is en een hele hoge reactantie, zoals bv een magloop of sterk verkorte antenne dan kan dat een heeeeeeeel groot deel van dat vermogen de antenne niet in en is je tuner de klos. Spanningen lopen hoog op, vonken slaan over en spoelen worden heet. Dat is zijn schuld niet, we moeten er gewoon een echte antenne achter hangen. :twisted:

The antenna has a complex impedance. One part is ohms. The radiating resistance. This is the part that dissipates the power and like a lamp radiates light this part radiates radio waves. Beside the ohms part there is a capacitive or inductive part. Called reactance. A pure reactance can not dissipate power. So it won’t radiate. If your antenna has a ohms part of 1 ohm and the rest a reactance, like a magnetic loop, EH antenna or to short antenna’s then a large part of your power can not be radiated. The tuner, your transmitters dearest friend offers itseklf and dissipates that power. It is not his faultm we should use an antenna behind a tuner :twisted:

Maar als je antenne wel stralingsweerstand heeft, de transmissielijn bij voorkeur open lijn is dan kun je een erg effectieve multbander maken. Een open lijn heeft verwaarloosbare verliezen dus een hoge swr daar is geen probleem. De tuner heeft als taak om de impedantie om te zetten naar 50 ohm. Daar heeft hij in basis twee dingen voor nodig. Een spoel en een condensator. De tuner wordt juist belast en dat veroorzaakt een lage belaste Q. De Q staat voor de energie die in een zit. Bij een oscillator of filter belangrijk dat je die zo min mogelijk belast. Bij je tuner wil je die wel belasten. De energie loopt dan namelijk uit de kring naar je antenne.

But if an antenna has radiating resistance and we feed it with open line we can make a very good multiband antenna. An open line has almost no loss so a high swr is not an extra loss. The tuner needs to transform the impedance towards 50 ohms. To do that he needs two parts . An inductor and a capacitor. If we load the tuner enough it can transduce its energie. The Q is about stored energy. A high Q in a component means it can store a lot of energy without spilling. A tuner with a low loaded Q will tell you it is loaded right so the energie transfers on. For an oscillator you want a high loaded Q. The energy has to cycle in that oscillator. In a tuner you don’t.

De preciese werking heeft met wiskunde te maken. Maar simpel gezegt: een reactantie kun je compenseren/aanpassen door hem te resoneren. Dat doe je met een tegengestelde reactantie in serie. Is de antenne capacitief dan zet je er een spoel mee in serie. Je kan ook absorbsie gebruiken. Dat doe je door een zelfde element er parallel aan te zetten. Een shunt heet dat. Dus met een shunt en serie component kun je te veel aan reactantie wegwerken en door de werking van dat mechanisme tevens het omse deel verhogen of verlagen. Tenminste, de zender laten denken dat dat gebeurd.
Je ziet dat hieronder in het smith diagram. De gele punt is de complexe impedantie (150-j150 ohm) van de antenne. In dit geval rechts onder het midden dus meer dan 50 ohm reeel en capacitief. Boven het midden is inductief en links ervan kleiner dan 50 ohm. Eerst zie je een lijn omhoog. De shunt spoel compenseert hier (adsorptie) de capaciteit van de antenne en veranderd de geleiding en dus impedantie. We verplaatsen ons over een admitance circel die hier niet zijn afgebeeld. Een spoel gaat linksom, een condensator rechtsom. Je ziet een hele boel circels die naar rechts toe steeds kleiner worden. Elke circel is een impedantie circel. Elk punt op die lijn heeft de zelfde impedantie (|Z|). Alleen opgebouwd uit steeds een andere R+jx deel. De spoel stopt op de 50 ohm circel. We hebben nu dus gelijk de antenne naar 50 ohm gebracht. De zender wil echter een ohmse 50 ohm zien en niet een “synthetische”. In dit geval is hij nu inductief. Met een series element resoneren we dat weg. Dat moet dus een condensator zijn. Daarnaast moeten we linksom over de circel naar het middelpunt wat 50 ohm voorstelt. Een spoel beweegt zich in serie rechtsom dus hebben we hier inderdaad een condensator nodig. Hoe groot de waarden zijn kun je in LINsmith gelijk aflezen.
Je moet wel de impedantie van je antenne weten maar die meet je vrij makkelijk met de ruisbrug elders op mijn forum bij zelfbouw. Je hoieft helemaal niet moeilijk te toen met ijken. Je hoeft alleen te weten in welk kwadrant je zit in smith. Dan kun je de beste component keuze maken. Dus of je eerst een shunt of eerst een serie deel nodig hebt bv. Het tweede plaatje toont de zelfde situatie maar dan nu met eerst een shunt condensator en dan een serie spoel

This has to do with math but to keep it simple. An impedance can be transformed by resonating it with a series element or absorp it by a shunt. . Besides getting the reactance out of the way you also can it look like the ohms part changes. It is still te same load but the transmitter thinks it’s 50 ohm. You see here some smithchards. The yellow dot is the antenna. It is capacitive so we use a shunt to walk along an admitance circle (not in this picture but most times they are) towards the 50 ohm impedance circle. A coil goes against the clock. A capacitor the other way round. So now it is 50 ohms but the transmitter wants the real stuff so after that we use a serie element, a capacitor to move over an impedance circle towards 50 ohms real. We were in the inductive quadrant so we had to use a capacitor to resonate. That 50 ohm is the centre. The series capacitor goes against the clock a coil the other way round. So you can combine element to get you towards 50 ohms. The pictures are made with LINsmith, an open source program. There are several free others to find.

Klik voor een vergroting

Klik voor een vergroting

Er zijn veel variaties op tuners maar ze komen bijna allemaal op de zelfde basisvarianten uit. L, Pi en T zijn vrij bekende kreten. Er zijn genoeg sites waar recepten staan. Heel goede en vooral betrouwbare bouwbeschrijvingen vindt je op de site van PA0FRI. Ik probeer je te vertellen hoe een tuner werkt.

There are many tuners but basically they are based on L, T or PI configurations,
There are very good building instructions on the international site of PA0FRI. I just tell you how it works. There are some rules:

Regel 1:
Hoe meer onderdelen hoe minder het rendement.
More parts=less efficiency
regel 2:
Hoe beter de kwaliteit van de delen hoe beter het rendement kan worden. Denk hierbij aan de Q van je spoel, overgangsweerstanden in schakelaars enz. Dus grote afmeting spoelen in een goede vorm en van dik materiaal.
Use quality parts, the better they are, the smaller the losses. So big massive air or roller inducors.
Regel 3:
een goede tuner heeft een hoge onbelaste Q maar een lage belaste Q. De tuner moet dus juist belast worden zodat het vermogen weg kan. Zie het watervat voorbeeld. Je moet dus een tuner ontwerpen bij je antenne. Hij hoeft niet alle antennes ter wereld aan te passen als hij jou antenne maar aanpast.
Be sure the Q is high, the loaded Q must be low
Regel 4:
Een commerciele tuner moet wel alle antennes ter wereld kunnen aanpassen anders levert dat veel ontevreden klanten op. Daarom is een commerciele tuner bijna altijd een T-tuner. Deze heeft tevens het laagste rendement. Geen voordeel zonder nadeel.
A commercial tuner is made to adapt to almost every antenna or excuse for an antenna. Otherwise customers complain. This is the T-tuner.
It also has the highest loss.

Regel 5:
Pas als je weet wat de kenmerken van je antenne per band zijn kun je bepalen wat je nodig hebt. Is bij jou antenne het ohmse deel laag dan heeft een tuner die hoge ohmse lasten aan kan zinloos. ik heb voor mijn antenne een tuner die 3 tot 50 MHz aanpast met normale waarden en zonder om of bijschakelen. Hij kan echter alleen hoge impedanties omzetten. Een 10+J100 of 75-j20 ohm kan hij niet aan. 270-j720 of 150+j500 echter op zijn sloffen.
For a good tuner you have to measure the specs of the antenna and design the tuner that does it job. So not a broad all adapting tuner but a specialized one for your needs. My F-match cab tune my antenna from 80 to 6 meters without switches but it can only do high impedances because that is what my antenna represents. So it can not tune 10+J100 or 75-J20 but 270-J720 or 150+J500 it does without problems.
Regel 6:
Als er een balun in moet dan het liefste een stroombalun en dan aan de zender kant. Daar ziet hij altijd 50 ohm en kan hij dus op zijn slofjes veel vermogen aan. Als materiaal gebruik je Ferriet, liever geen ijzerpoeder. Deze hebben veel te veel windingen nodig om voldoende choke werking te krijgen. Ik stuur 100W door een 2,5 cm grote Ferriet ring zonder problemen. Zo’n zelfde kern zou je aan de antenne kant oproken. Ik gebruik 4C65 kernen.
A balun needs to be at the TX side. There the impedance is always 50 ohms so you do not need a hefty one. I used a 1″ ferrite without problems at 100W. The only thing important is not power but voltage. That will be seldom to high with our legal 400W. But a bigger one is save, I use 4C65 for this.

Wat is het rendement van een antenne. Dat is lastig te meten maar het kan wel.
Het moeilijke is dat het afhankelijk is van de belasting. Dus je moet meten bij die belasting. Nu kun je gewoon een hoogohmige probe over de feeders hangen en de spanning meten maar je weet de load niet. Je kan wel de antenne tunen en daarna met een potmeter en varco in serie proberen de swr weer op 1 te krijgen. Dan weet je R en jX. Die load is complex, daarom de varco. Lukt dat niet dan moet er een spoel in serie. Stroom meten kan ook maar de impedantie van je meter beinvloed de metig en geijkte stroom probes moeten het ook weer op die frequentie kunnen. Veldsterkte metingen enzo zijn niet betrouwbaar. De beste methode is met een vna. Je meet de return loss en fasehoek. Deze is om te rekenen naar Rho, het reflectie coöficient. dan doe je 10xlog(1-|Rho|²) en je weet het vermogen wat er uit moet kunnen komen zonder verlies. Daarnaast meet je het insertion loss wat je vna (met zijn 50 ohm ingang) weergeeft nadat je eerst de tuner op de antenne getuned hebt. Het verschil tussen de twee waarden is je verlies. Bij een goede antenne is dat bij een L-tuner of S-match een paar tiende dB. Maar een T-tuner getuned naar 50 ohm kost 4dB. (3dB is de helft van je vermogen) Dit geeft alleen bij hoge impedanties vrij makkelijk meetfouten. Daar is een betere methode voor. Zie meet experimenten. viewtopic.php?f=80&t=1262&p=5094#p5094

How you measure the efficienty of a tuner. It is hard to do but possible. The worst part it all depents on the load (loaded Q, remember) So you have to meassure it with the load your antenna represents on the band of choise. You can use a High Z probe to measure the in and output. You know the input Z but not the output Z. However you can use a resistor and capacitor in series to imitate a load. Tune on your antenna and after that use a potentio meter and variable capacitor and try to find the swr=1 point again. Then you can measure the voltage over your load (you need a differential probe for it but sometimes two probes and A-B on digiscopes work to). You can also measure the current but that is also not easy. You need good currentprobes for that. The antenna wire is the primairy turn of the probe transformer so that does things with the impedance of your antenna. Measuring the radiation with a sniffer is also not a good methode. Most times your in the near field. The best way is with a VNA but it is still hard on big Z values. You need to measure Rho (or the return loss and phasor agle and calculate Rho) Then you measure S21, the insertion loss as a result of the missmatch towards 50 ohms. Then you calculate 10xlog(1-|Rho|²) and the difference between the two is your loss. You can also use a SWR/power meter. SWR can be calculated back to Rho (on the configuration of you tuner you can see if your load is above or below 50 ohm. You connect TX-swr meter-tuner-antenna. Tune for swr=1 and measure power. Then disconnect antenna and place dummy. Meassure SWR again and note it. Remove SWR meter ( and best connect a 50 ohm pass-through terminator) and fit it between dummy and tuner. Measure power. 10xlog(Puit/pin) gives you the S21 value. You find below an excel sheet with formula’s. This gives problems with high Z loads. The error factor becomes to big.

Nu kun je ook de swr meten met je swr meter en dat omrekenen naar Rho. (je weet ook aan de opbouw van je tuner of je met hoog of laagohmig vamn doen hebt). De shunt staat meestal aan de hoog ohmige kant. Dan tune je de antenne en koppelt deze af. De uitgang gaat nu maar de 50 ohm uitgang van een spectrum analyser, power meter of scoop/dummyload. Je kan ook je swr/power meter tussen dummyload en tuner zetten, na de tuner dus. Stel. Je meet 5W voor de tuner en 2,5 Watt er na (spanning over dummyload meten kan dus ook P=U²/R ). Je berekent nu 10xlog(Puit/pin). Het verschil tussen 10xlog(1-|Rho|²) en je gemeten verlies is het echte verlies in de tuner.

Hier een rekenblad om diverse dingen om te rekenen: complex_formules

En hier wat rekenwerk mbt transducer verlies:

This entry was posted in Theory and tutorials. Bookmark the permalink.

Comments are closed.