QRP Z-Match-Mini return
Z-Match-Mini
Projekt: QRP Z-Match-Mini
Kontakt: DL2LTO
 
Einleitende Worte:
Ein Antennentuner ist schon ein mystisches Gerät.
Er ist aber oft zwischen dem Antennensystem und der Übertragungsleitung erforderlich damit der TRX zur Zufriedenheit spielt. Die korrekte Anpassung ist ein komplexes Thema, das oft auch Verwirrungen aufkommen läßt.
Der Antennentuner ist ja ein variables Impedanzwandlergerät, der durch Transformation die Impedanz eines Antennensystems an den TRX als 50 Ω Last erscheinen läßt, wodurch fast die gesamte Sendeleistung von der Antenne abgestrahlt wird und zwar so, als wenn alles abgestimmt ist.
Der Z-Match Antennentuner ist einer von Vielen und wurde in der Vergangenheit vernachlässigt. In letzter Zeit wurde er aber immer beliebter. Ich nutze ihn ausschließlich zur Anpassung meiner portablen symmetrischen Antenne.
Für simple, symmetrische Dipole mit Hühnerleiterspeisung, die ich auf fast allen Bändern an meinem QRP TRX gut angepasst bekomme, nutze ich diesen Tuner.
Front- und Rückseite im Detail
Grundlegendes:
Das Z-Match ist aus der Multiband-Tankkreis-Schaltung entstanden, welche in den fünfziger Jahren die unangenehme Arbeit der Bandumschaltung in den damaligen Röhrengeräten reduzierte. Diese Schaltung stimmt gleichzeitig über zwei Frequenzbereiche ab, einmal 3,5 bis 10 MHz und 10 bis 30 MHz.
Das Z-Match arbeitet grundsätzlich als L-Netzwerk.
Z-Match PrinzipC1 im Inputstrang funktioniert als Serienbein des L-Netzwerks. Der Tankkreis, der von C2a/b und L1 gebildet wird, dient in der Schaltung als Parallel- oder Nebenschlussbein. Im Betrieb ist der Tankkreis oberhalb der Resonanzfrequenz fehlabgestimmt und bildet so einen induktiven Blindwiderstand zwischen der Ausgangsseite von C1 und Masse. In einem normalen L-Netzwerk, das sein Nebenschlussbein auf der Ausgangsseite hat, würde der Belastungswiderstand parallel zum Shuntwiderstand erscheinen. Hier wird jedoch der Output an dessen Stelle durch die Output Wicklung entnommen.
Dabei besitzt die Induktivität L1 einen Anzapfpunkt, an dem ein Plattenpaket C2b eines Doppeldrehkos angeschlossen ist, das andere Paket, gebildet von C2a, liegt am oberen Punkt des Schwingkreises.
Beim Durchdrehen ist man stets auf zwei Frequenzen in Resonanz. Bei richtiger Wahl der Induktivität und des Anzapfpunktes wird mit dem unteren Spulenteil und C2b von 10-28 MHz abgestimmt, die Bänder 3,5 und 7 MHz werden mit C2a und der vollen Induktivität erfasst.
Ein Problem mit Z-Matches ist der teils begrenzte Abstimmbereich. Im Mini-Tuner, siehe untenstehende Schaltung, erweitert die schaltbare zusätzliche Kapazität zu C1 den Abstimmbereich vornehmlich bei den niedrigen Bändern. Ähnlich erweitern die zwei Outputlinks den Impedanz Bereich beträchtlich.
Ein weiteres Problem des Z-Matches ist, dass die Effektivität abnimmt, wenn die Output Linkwindungen nicht fest gekoppelt sind. In der fertigen Schaltung wird die notwendige starke Kopplung durch Dazwischenlegen der Windungen des Outputlinks zwischen die Windungen von L1 erreicht. Der Ringkern hilft dabei. Auch die getrennte Hochimpedanz-Linkwindungen mit mehr Windungen dient dem gleichen Zweck.
Ein drittes Problem ist, das sich die Output Symmetrie unter gewissen Belastungsbedingungen verschlechtert, vor allem bei Belastung mit hoher Impedanz. Eine feste Kopplung trägt zur Verbesserung bei und erhöht dadurch die Effektivität. Die Output Symmetrie kann geringfügig im Einzelspulen-Z-Match durch Änderung des Massepunktes der Tankspule gesteigert werden. Die Linkwindungen sind symmetrisch um den Massepunkt angeordnet, aber eine geringe Unsymmetrie verbleibt im Tankkreis. Unter den meisten Bedingungen mit echten Antennen und offenen Speisungssystemen, ergibt die Schaltung Speiseleitungsströme, welche innerhalb von 1dB unterschiedlich symmetriert sind. Ich spreche hier vom Strom auf dem einen Feederleiter verglichen mit dem Strom auf dem Anderen und das kann vernachlässigt werden.
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Ganz wichtig, der induktive Blindwiderstand kann durch eine geeignete Kapazität und der kapazitiver Blindwiderstand durch eine geeignete Induktivität kompensiert werden. Du schaltest einfach einen betragsgleichen 'Blindwiderstand' dazu und kannst somit den Gesamtblindwiderstand auf 'fast' Null bringen. Das ist einen Momentbetrachtung für eine bestimmte Frequenz. Bei Frequenzwechsel werden die 'Karten neu gemischt', Hi.
Z = R [+-]jX
Bei Anpassung wird der Blindwiderstand X der Antenne weggestimmt und der Wirkwiderstand R durch Transformation an den TRX-Eingang angepasst. Es wirkt somit 'nur' der reelle Widerstand. Ein prakischer Restblindwiderstand ist sicher immer vorhanden. Eine Anpassung mit dem Ergebnis eines Null-Blindwiderstands ist sicher nur auf dem Papier zu realisieren.
Du betrachtest das offene Ende der Hühnerleiter und stellst fest das sich dort bezogen auf eine bestimmte Frequenz ein Widerstand einstellt. Dieser hat einen ohmschen Teil und einen Blindanteil. Meist ganz schön verschieden. Mein TRX will aber genau 50 Ω rell sehen.
Ich muss also den Blindanteil wegstimmen, gleichzeitig aber auch den Widerstand vom Hühnerleiterende auf die geforderten 50 Ω transformieren.
Zu guter Letzt ist noch die Anpassung symmetrisch [Hühnerleiterende] auf Koaxkabel [TRX] zu beachten.
Du hast ja gesehen, das Z-Match hat keine Spulenanzapfungen zur Induktivitätsveränderung. Die Induktivität ist fest, der Drehkondensator aber variabel. Und genau das wird beim Z-Match ausgenutzt.
Z-Match Prinzip Im Idealfall mit 0jΩ stimme ich den Resonanzkreis auf ca. 7.027 MHz ab. Angenommen, die Werte sind:
L=4,5uH
C=114pF
Damit komme ich auf ca. F=7,027MHz und kann den Schwingkreis z.B. auf diese EINE Frequenz abstimmen.
Nun nehme ich an, dass am Hühnerleiterende noch ein kapazitiver Blindwiderstand von sagen wir mal -600jΩ anliegt. Kompensieren kann ich den mit einem Kondensator in entsprechender Größe.
Z-Match Prinzip Hier sind es ca. 38pF. Soweit so gut.
Leider stimmt nun die Frequenz nicht mehr. Denn 114pF + 38pF ergeben 152pF und somit eine Frequenz von ca. 6,1 MHz. Nun kommt der Drehkonensator zum Einsatz, den ich ja leicht verdrehen kann, bis ich wieder auf meiner Frequenz von ca 7.027 MHz lande. Die Kapazität muss verkleinert werden. Somit habe ich den Blindwiderstand weggestimmt ohne die Induktivität zu verändern.
Es kann ja aber auch ein induktiver Blindwiderstand am Hühnerleiterende auftreten. Ich nehme einfach mal +780jΩ an. Das entspricht einer Induktivität von ca. 17,7uH die zu kompensieren ist.
Z-Match Prinzip Beide Induktivitäten 4,5uH und 17,7uH parallel ergeben ca. 3,6uH. Damit lande ich bei ungefähr 7,9 MHz.
Wieder muss der Drehkondensator herhalten und verändert werden. Jetzt aber muss ich die Platten reindrehen um die Kapazität zu vergrößern. Ich muss auf etwa 143pF kommen, um wieder bei meiner Ausgangsfrequenz von 7,027 MHz zu landen.
So einfach kannst du ohne die Induktivität zu ändern, kapazitive und induktive Blindwiderstände wegstimmen.
Ausschlaggebend ist lediglich der Variationsbereich des Drehkondensators. Durch Zuschalten von Kapazitäten kann der Variantionsbereich des Drehkondesators verändert werden.
Die Transformation und Symmetrieanpassung wird durch die Wicklung des Ringkerns vorgenommen.
Es können nach diesem Prinzip auch gleichzeitig kapazitive und induktive Blindwiderstände in einem Ratsch kompenisert werden. Einfach durch Veränderung der Kapazität.
Angestrebt wird eine resonante Antenne. Der Blindanteil sollte gegen Null gehen. Das erfolgt einmal durch Änderung der Strahlerlänge oder wie hier gezeigt durch Kompensationsmaßnahmen der Blindwiderstände.
Schaltung:
C1 ist ein Drehkondensator mit zwei Sektionen [C1a, C1b], wobei die zweite Sektion parallel zur Ersten ein und ausgeschaltet werden kann. Beide Sektionen werden nicht dauerhaft parallel verdrahtet, weil manchmal ein niedriges Minimum an Kapazität gebraucht wird. Die Zuschaltung übernimmt S2.
Schaltskizze
C2 ist ebenfalls ein Zweisektions-Drehkondensator. Das obere Ende von C2a geht zum oberen Ende von L1.
Das obere Ende von C2b geht zur Mittelanzapfung von L1. Mit diesem Punkt ist auch C1 verbunden.
Das untere Ende, der Rotor, von C2a-C2b geht an das untere Ende von L1. Die Gehäuse von beiden C1 und C2 müssen von Masse isoliert sein!
Mit S3 schalte ich eine Zusatzkapazität parallel, um die Bänder 80 und 160m abstimmen zu können.
L1 ist die Tankkreisspule. Die Masseverbindung geht an die untere der beiden Anzapfstellen von L1.
L2 ist die Hochimpedanzoutputlinkkopplung, welcher um die Masseanzapfung von L1 zentriert ist und zwischen die Windungen von L1 gewickelt wird.
L3 ist der Niederimpedanzoutputlinkkopplung, welche gleichmäßig um die Masseanzapfung von L1 zentriert gewickelt ist Sie liegt damit zwischen die Windungen von L1 und L2.
Mit S4 wird zwischen den beiden Outputlinkkopplungen umgeschaltet.
Details:
Die Spuleninduktivität des Multibandtankkreises ist für einen Zweisektionsdrehkondensator von ca- 5-280pF ausgelegt worden. Damit wird die Minimalkapazität so klein, dass ein resultierendes Maximum/ Minimum Verhältnis eine volle Erfassung von 80m bis 10m erlaubt.
Ausgewählt wurde ein Ringkern T130-6, welcher eine hohe Güte Q durch den ganzen HF Bereich erzielt. Darauf bezogen werden die Windungen berechnet.
L1 [Haupttankkreisspule] hat 34 Windungen Kupferlackdraht 0,5mm. Angezapft wird bei 8 Windungen von unten [Masseanzapfung] und bei 16 Windungen [Mittelanzapfung zu C1 und zu einer Sektion von C2]. Das obere Ende der Spule geht zur anderen Sektion von C2.
L2 [Hochimpedanzlinkkopplung] hat 16 Windungen Kupferlackdraht 0,4mm zwischen die Windungen von L1 mit 8 Windungen auf jeder Seite der Masseanzapfung von L1.
L3 [Niederimpedanzlinkkopplung] bekommt 4 Windungen Kupferlackdraht 0,4 mm zwischen die Windungen von L1 und L2 mit je 2 Windungen auf jeder Seite der Masseanzapfung von L1.
Über eine der beiden Linkkopplungen wird die Last angeschlossen, hier die Zweidrahtleitung zur Antenne.
Der Tuner verkraftet mit Sicherheit 15 bis 20 Watt HF. Aber bitte nicht mehr!
Die Widerstandswerte der Brücke sind so ausgewählt, dass das höchste SWR, welches der TRX während der Abstimmung sieht, nicht über 2:1 ist.
Auf einer kleinen Platine, 40 x 80 mm, wurde die Schaltung realisiert. Die zwei Drekos, vier Kippschalter, eine BNC-Buchse, zwei Feederbuchsen und eine LED wurden direkt in die Gehäuse Front- bzw. Gehäuse Rückseite integriert. Siehe fertigen Tuner.
Details:
Links der Transformator [FT37-43 Ringkern] für die Brückenschaltung zur optischen SWR Anzeige.
Gelb, Ringkern T130-6 für die Windungen L1, L2 und L3. Für L1 wurde 0,5 Cul und für L2/L3 jeweils 0,4 CuL genommen.
Details ...
Der Gehäusedeckel wurde abgenommen und öffnet so einen Blick in die Verdrahtung. Ist auf den ersaten Blick etwas verwirrend. Aber es ist durch die Farbcodierung der Drähte einfach zu verkabeln.
Links die Frontseite mit C1, C1, LED und S1. Rechts die Rückseite mit Antennenbuchse zum TRX, S2, S3, beiden Buchsen für die symmetrische Feederleitung zur Antenne und noch S4.
sichtbare Details bei abgenommenen Gehäusedeckel ...
Front und Rückseite noch einmal nebeneinander. Die Länge der Streichhölzer gestattet einen Größenvergleich.
Größenvergleich ...
Abstimmen:
Beim Abstimmen des Z-Match sind zwei Punkte zu beachten.
In Fällen, wo du mit beiden Linkkopplungen Anpassung erzielen kannst, muss die Hochimpedanzkopplung verwendet werden. Diese lädt den Tankkreis stärker und erzeugt eine merklich höhere Effektivität. Es können bis zu 1 dB mehr sein, abhängig von der Beschaffenheit des Lastwiderstands, den der Tuner ,sieht'.
In Fällen, wo man 30m und manchmal auch 20m auf der niedrigen und auf der großen Kapazitätsseite von C2 tunen kann, muss die Niedrigkapazitätseinstellung verwendet werden. Dabei ergibt sich ein niedriges L/C-Verhältnis und wiederum höhere Leistungsfähigkeit.
Spezielle Hinweise für das Abstimmen sind nicht notwendig.
Die beiden Drehkondensatoren sind wechselseitig in mehreren Abstimmvorgängen auf minimales SWR der Einkoppelseite zu ziehen.
Nimm dir etwas Zeit, denn die erstmalige Bandeinstellung kann etwas dauern. Besonders bei Portabelbetrieb hat man keine ‚feste‘ Antennenkonfiguration und muss so immer wieder eine neue Einstellung finden. Aber mit der Zeit kennst du deine Portabelantenne. Beachte aber den Hinweis, dass die Abstimmung von C2 sehr spitz sein kann.
Im unteren Bild ein Anpassungstest mit dem vektoriellen Analyser. Als Feederleitung kommt hier eine eine kommerzielle UKW Bandleitung von ca. 250 Ω zur Anwendung.
ZMMINI in Aktion ...