Antenne Systeem Aansluitingen en Berekeningen van de afmetingen van de pijp bestemd voor 90 graden Fase Verschuiving : voor de Belangstellenden

WAARSCHUWING

In tegenstelling tot de andere artikelen in deze site kunnen nu beschrijvingen
voorkomen die geen garantie geven tot een 100 % functioneren bij constructie. Dit artikel is uitsluitend geschreven om de lezer te attenderen op de diverse mogelijkheden.

De bijbehorende plaatjes zijn opvraagbaar via het sub menu, het betreft twee tekeningen en twee foto's, ook met de muis aan te klikken in de tekst.

HET NUT VAN EEN FASE PIJP

Bij 'misaanpassing' aan een kwart golf stuk coax kan in een systeem het magnify effect optreden.

Mede vanwege het 'loep' effect kan men met voordeel een fase pijp
toepassen vanwege de constante en nauwkeurige parameters.

Bij gebruik van een antenne systeem zoals hier van toepassing is het erg belangrijk dat in beide antennes bij een zelfde impedantie gelijke stromen lopen ( er moet sprake zijn van een perfecte en gelijkmatige aanpassing ) !
Met andere woorden, de aansluitingen en afregelingen moeten zodanig zijn
dat de vermogens ( bij zenden ) precies gelijk verdeeld worden over de antennes ( voor ontvangst is het dan ook in orde ). Indien dit niet het geval is
zal er een circulair verlies ontstaan, er bestaat dan een ellipsvormige polarisatie met een steeds grotere lineaire component naarmate de onbalans toeneemt.

Het systeem moet in balans zijn. Kleine afregel fouten kunnen grote effecten hebben op de 'power division and phasing' ( satelliet handboek ARRL ).

AANSLUITINGEN

Vanaf de antennes lopen ( onderling ) gelijke lengten coax RG58 ( 1/4 lambda
of veelvouden ) naar alweer ( onderling ) gelijke lengten coax RG59
( 1/4 lambda of oneven veelvouden, kies het aantal zo klein mogelijk ), deze
zijn vervolgens weer aangesloten op de relais coax contacten, samen met de
aansluitingen van de fase pijp.

Opmerking : de RG58 delen kunnen gewoon worden weggelaten, ik had ze nodig ter verlenging opdat alles mooi past. Wil je ze wel gebruiken kies dan
bij voorkeur voor 1/2 lambda lengten ( voor als er eens iets te meten valt,
minder kans op fouten maken etcetera ) ook al is hier in dit specifieke
geval 1/4 lambda toegestaan omdat RG58 wordt toegepast ( Zk = 50 ohm ), echter bij andere impedanties moeten 1/2 lambda lengten of veelvouden worden toegepast ( 1/4 lambda lengten of oneven veelvouden zijn dan niet
toegestaan ) ! Zie ook de opmerking ( na het voorbeeld met de rekenfactor
6.535 ) over een mogelijk optredende kleine misaanpassing bij gebruik
van 1/4 lambda lengten.

De RG59 delen moeten 1/4 lambda lengten of oneven veelvouden betreffen
( het gebruik van 1/2 lambda lengten of veelvouden is hier niet toegestaan ) !

FASEPIJP BEREKENINGEN EN CONSTRUCTIE

Enkele van de voordelen zijn de zeer grote nauwkeurigheid ( die je nu zelf
bepaalt ) en de perfecte aanpassing aan het coax netwerk en het antenne array.
Verder is de verkregen impedantie zeer constant, het systeem is
mechanisch stabiel, geen impedantie verloop met het verstrijken van de
tijd. Ten aanzien van het mode J werken zijn er ook voordelen.

Met betrekking tot de impedantie trafo's is er nog een en ander te vermelden.

Uitgaande van een toegepaste coax RG59 met een impedantie van 73 ohm
( er zijn ook typen met karakteristieke impedanties van 72 en 75 ohm ) zal bij een antenne impedantie van 52 ohm de impedantie van het fase deel nu
102.5 ohm moeten zijn volgens :

imp fasedeel = Zk kwdrt coax / imp input ( antenne zijde ) =
= 73 kwdrt coax / 52 input ( antenne zijde ) = 102.5 ohm .....

Ik had hier nog een stukje pijp liggen met een lengte van circa 20 cm
( voldoende lang voor een 1/4 lambda deel op 435.5 MHz ) en een
inwendige diameter van 17.2 mm.
Daar nu de gewenste impedantie van dit toekomstige fase deel bekend was
( 102.5 ohm ) kon de gezochte factor benodigd voor het berekenen van de
binnengeleider erg gemakkelijk afgeleid worden.

We weten : Zk = IMP pijp = ( 138 / wortel Er ) maal LOG ( D / d )
Tevens geldt voor lucht een Er van 1 :
Er = 1 => Zk = IMP pijp = 138 maal LOG ( D / d ) =>
=> LOG ( D / d ) = IMP pijp / 138
LOG ( D / d ) = 102.5 / 138 => D / d = ANTILOG ( 102.5 / 138 )
We vinden : D / d = 5.529 => d = D / 5.529 = 17.2 / 5.529 = 3.10 mm .....

Dit is dus de diameter van de binnengeleider die in de pijp moet
worden gemonteerd, mocht deze geleider hol zijn dan betreft het uiteraard
de uitwendige diameter, in verband met de constructie ( afmetingen ) werd
hier voor een massieve uitvoering gekozen.

Opmerking : in deze site bevindt zich een javascriptje dat voldoende nauwkeurigheid biedt, en voert de betreffende berekeningen uit. Klik hier.

De gevonden factor ( 5.529 ) kunnen we voor iedere berekening van d of D
toepassen voor een impedantie van 102.5 ohm, als voorbeeld geef ik nog
de factor voor een karakteristieke fase pijp impedantie van 112.5 ohm :
6.535 ..... deze impedantie van 112.5 ohm treedt op, is benodigd bij
gebruik van 75 ohm coax kabel en antenne impedanties van 50 ohm .....

Opmerking : bij gebruik van 1/4 lambda lengten ( RG58 50 ohm coax kabel )
zullen er kleine misaanpassingen ontstaan indien de antenne impedanties
52 ohm zijn ( zie boven onder AANSLUITINGEN ) in plaats van 50 ohm,
resulterend in een SWR van 1 : 1.04 in de betreffende stootpunten ( x/y overgangen ). Dit kan worden voorkomen door het gebruik van 1/2 lambda lengten. In de berekening kan je daardoor uitgaan van een aan te sluiten 52 ohm impedantie naar de ( 73 ohm ) kwart golf trafo ( ook al is de antenne verbonden met de RG58 50 ohm coax kabel die dus wel een 1/2 lambda lengte of veelvoud moet betreffen ..... ).
In het voorbeeld is er slechts sprake van een kleine afwijking, het is echter gemakkelijk in te zien dat het gebruik van een 1/2 lambda lengte in een enkel
geval voordelig kan zijn ( er treedt eliminatie van ongewenste impedantie transformatie op, vooral bij een groter verschil kan dit interessant zijn ).
Realiseer je dat in een 1/2 lambda deel sprake is van trafo werking indien er een x/y overgang optreedt, dus in zo'n geval het aantal veelvouden beperkt houden ! Merk op dat in dit artikel wordt uitgegaan van een karakteristieke impedantie van 50 ohm voor RG58 coax kabel, in SATELLIET ANTENNES was dat 52 ohm.

Wees zuinig met x/y overgangen, houd er in het ontwerp al rekening mee ! Maak indien mogelijk steeds gebruik van x/x overgangen ( geen optredende stootpunten ).

Lengte van de pijp : het delay moet zijn 90 graden en dit zal optreden
over een lengte van 1/4 lambda : l = ( 300 / 435.5 ) / 4 = 0.172.2 m.
Afhankelijk van het materiaal en de dikte zal de hier geldende
verkortingsfactor liggen tussen circa 92 % en 99 %, dit resulteert
in een lengte die ligt tussen 158 mm en 170 mm.

Met betrekking tot het vervaardigen, solderen is nog te vermelden dat er
diverse methoden zijn : van het monteren van bijvoorbeeld N chassis delen
op de uiteinden van de pijp tot rechtstreeks aan solderen van coax kabels.
Hoe dan ook, indien je naar een grote nauwkeurigheid streeft : zorg dat
behalve de verhouding tussen de binnendiameter van de pijp en de buitendiameter van de centrale geleider ook de effectieve lengte juist is.

Bij montage van N chassisdelen wordt de binnengeleider eerst aan een
middencontact van een van de chassisdelen gesoldeerd waarbij het andere
chassisdeel voorheen ontdaan is van het middencontact, bij sommige
uitvoeringen gaat dit zeer goed, de binnengeleider wordt nu op maat
gebracht en vervolgens aan het losse middencontact gesoldeerd.
Tot slot worden dan de beide chassisdelen op de pijp gesoldeerd ( fluitje
van een cent bij gebruik van een soldeerbout met voldoende vermogen,
afhankelijk uiteraard van de toegepaste afmetingen van de pijp en soort
materiaal, zorg overigens voor een goed schoon oppervlak ).

Mocht het nodig zijn in verband met de dikte en het toegepaste materiaal
van de binnengeleider ( stevigheid ) : het betreffende middencontact
vast zetten.

Met een beetje voorbereiding en accuraat werken maak je een fase deel dat
niet alleen effectief werkt maar er ook professioneel uitziet. Als je dat in
de mast bevestigt mag het gezien worden en de buren voelen zich veiliger
bovendien als het goed is .....

Let op ! Het kan gemakkelijk voorkomen dat deze pijp niet precies tussen
de relais aansluitingen past : geen probleem, ga dan met een ( 'easy' )
coax kabel naar de relais aansluitingen, gebruik bijvoorbeeld 50 ohm coax
RG58C/U met een lengte van 1/2 lambda of veelvouden. Geen oneven veelvouden van 1/4 lambda gebruiken !
Je hebt dus twee extra coax kabeltjes nodig : hulpkabeltjes. De eerste tekening verduidelijkt een en ander.

Waarom nu hier een 50 ohm coax zullen sommigen zich afvragen, mag dat
zomaar ? Het mag inderdaad, zie verder, en de reden voor deze keuze is
dat de betreffende kabel vaak voorhanden is en meestal makkelijk te
verwerken.
Je kan hier echter net zo goed 75 ohm ( of 72 of 73 ohm ) coax toepassen of nog weer andere waarden.

Je hebt hopenlijk al begrepen dat de weersomstandigheden nu mogelijk minder invloeden uitoefenen, ook al zouden de karakteristieke coax kabel
impedanties verlopen dan blijven de resulterende impedanties ( aan de
uiteinden ) toch goed ( transformator werking van een 1/2 lambda coax deel ) !
De impedantie van de fase pijp blijft gelden !
Echter, bij verloop van de coax kabel moet de verkortingsfactor niet extreem
veranderen .....

Voor lengten van 1/2 of 2/2 lambda geldt in het gebied waar gewerkt wordt
( hier dus rond 435.5 MHz ) dat de impedantie Zk voor wat betreft de
aanpassing geen rol speelt !

In de genoemde specifieke situatie is het dus mogelijk om
coax kabel te gebruiken met een 'afwijkende' impedantie ! Maar het hoeft
natuurlijk niet als je het niet vertrouwt .....

Is nu de coax afgesloten met de systeem impedantie dan is de impedantie
aan beide uiteinden gelijk, hier dus 102.5 ohm, als alles goed aangesloten is.
Realiseer je verder dat de fase delay nu niet 90 graden maar ( bij
toepassing van de twee 1/2 lambda 50 ohm coax kabeltjes ) 450 graden
is ( 90 plus 360 ). Elk hulpkabeltje veroorzaakt 180 graden delay.

De verkortingsfactor dient weer in acht genomen te worden en is voor
RG58 en RG59 hetzelfde : 0.66 ( Er PE = 2.3 ) echter voor de RG59 'foam'
uitvoering is het 0.79 !

Nogmaals : de hulpkabeltjes kunnen zonder meer weggelaten worden
indien je kans ziet een en ander rechtstreeks aan te sluiten !

Een andere, betere oplossing ( door mij zelf toegepast ) ziet men in de : tweede tekening ..... vanaf het relais gaan nu twee kabeltjes naar de fase pijp die tevens direct is aangesloten op de 73 ohm ( of 72 of 75 ohm ) coax kabels.

De allerbeste oplossing is uiteraard het rechtstreeks aansluiten van de
fase pijp op de relais aansluitingen ( zie begin artikel ), maar de nu
genoemde oplossing geeft ook zeer goede resultaten, het verschil is
nauwelijks aanwezig.

De nu optredende fase verschuiving is uitsluitend 90 graden ongeacht de
lengte van de relais kabeltjes.

De tekeningen en de foto's verduidelijken waarschijnlijk een en ander voor
als je het eens zou willen nabouwen, ik adviseer je echter om bij het
opzetten van zo'n systeem zelf enige berekeningen uit te voeren omdat dit
toch wel erg voordelig kan zijn, wellicht heb je nog ergens geschikt
materiaal liggen ( met andere afmetingen als in dit schrijven genoemd ).

De resultaten : ook bij opdraaien van de gevoeligheid van de SWR meter
was er geen wijzer uitslag ( neen, het meetpunt viel niet samen met een
nulpunt hi ) en bovendien is de nu beperkte bandbreedte erg gunstig
( 'filter' werking ) te noemen, er is echter voldoende ruimte om zonder enig
probleem te kunnen werken in het satelliet gebied.

PS : Met betrekking tot de hierboven beschreven SWR meting : dit betreft
een fase pijp niet geconstrueerd op basis van de uitgevoerde berekeningen
in het voorbeeld ( zie ook WAARSCHUWING ).

PS : mocht het zo zijn dat je van mening bent dat zich in dit schrijven
fouten of onwaarheden bevinden, gaarne een berichtje !

Bij foto 1 van de fasepijp :

bijgevoegd is een coax home made meetkabel ( 3 lambda 435.0 MHz ) om een idee te geven van de afmetingen ( zie de connectors ), de pijp kan zo nodig ( veld werk ) met tape in de mast worden vast gezet of ( home qth ) met een ( plastic ) klem.

Bij foto 2 van een iets andere constructie :

aansluitingen door middel van soldeerlippen, echter minder nauwkeurig ( voor de 70 cm band althans, de SWR waarden in de ontstane stootpunten lopen snel op ).

Nog enige rekenfactoren voor diverse impedanties volgens :

______________________

D / d = antilog IMP pijp / 138
______________________

090 4.489
091 4.565
092 4.642
093 4.720
094 4.800
095 4.880
096 4.962
097 5.045
098 5.130
099 5.217
100 5.304
101 5.394
102 5.484
103 5.577
104 5.671
105 5.766
106 5.863
107 5.962
108 6.062
109 6.164
110 6.268