Tuner

Viele HAMs benutzen Antennen Tuner, eingebaut im Transceiver oder als externes Gerät, um "schlechte" Antennen anzupassen. Passen Antenne als Last und der Sender als Quelle nicht zusammen gibt es Ärger. Vielen HAMs sind Mantelwellen als Problem bekannt, das ist Energie die von der Antenne nicht abgestrahlt werden konnte und zum Sender zurück läuft. Mit dem SWR Meter kann man diese unerwünschten Signale messen und anzeigen. Der Antennen Tuner beseitigt aber keine Mantelwellen, das ist nicht seine primäre Aufgabe. Einige Tuner schaffen es die Mantelwellen zu dämpfen. Die klassische Tuner Schaltung lässt kaum eine Wirkung gegen Mantelwellen erwarten. Der Tuner selbst ist für HF in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung gut passierbar. Mantelwellen laufen außen am Koaxkabel und würden wohl über das Gehäuse von der Antennen zur Senderbuchse laufen.

Was ist dann aber die Idee eines Tuners? Jeder weiß aus der Praxis daß man mit einem Antennen Tuner schlechte Antennen an einem Sender betreiben kann. Was machen die dann genau?

Tuner

Many HAMs use areal tuners, either built in the transceiver or as external box. Usually to match a lousy antenna. If the load here the areal and the source transceiver don't match some trouble can be expected. Most HAMs have heard about common-mode currents, this is energy which could not be radiated off the antenna bit runs back to the transceiver. A SWR meter can display that unwanted energy. A tuner does not primarily work against common-mode currents. Some tuners are able to reduce it. As you can read out of the basic tuner circuit HF can easily pass the circuit forward and backward. Common mode current will usually take the path from the 2 connectors via the metal case of the tuner.

What is the idea of a Tuner? As everybody can see tuners are able to match lousy antennas what are they doing?

Impedanz

Zur Übertragung von Energie muß die Impedanz der Quelle zu der des Ziels passen. Für die Erklärung werde ich Hier einige Ding vereinfachen und als rein Ohmsche Schaltkreise betrachten. Selbstverständlich ist das in Wirklichkeit im HF Bereich wesentlich komplexer. Um die Lösung zu erklären wird das vereinfachte Bild ermöglichen zu verstehen was der Antennen Tuner macht. Schon eine Simple Leitung, Koax oder Steegleitung, ist HF Technisch betrachtet eine Reihenschaltung von Spulen und dazwischen quer liegenden Kondensatoren. Daraus ergeben sich vielerlei Komplexe Folgen. Sogar die Ersatzschaltung mit L/C ist weit entfernt von der Wirklichkeit. Parallel zu den C sind Widerstände des Dielektrikums wenn auch hochohmig und in Serie zu den Spulen sind Widerstände. Das würde das ganze noch weit verwirrender machen.

Impedance

To transfer energy it is necessary that the impedance of the source matches the one of the load. To explain the issue I will be using a simplified ohm variant of the circuit discussion. In reality it is much mire complex. To explain the solution the simplified picture will allow to understand what a antenna matcher does. Even a simple cable, coax or 2 wire cable, is complex on the HF point of view. It is a complex circuit of coils and capacitors. This causes hard to understand consequences. Even the L/C circuit is far away from true, parallel to the C and in series of L there are resistors which would make the drawing more irritating.

Die Sender haben üblicherweise am Ausgang eine 50Ω Impedanz. Das bedeutet die Senderseitige Schaltung hat einen "Innenwiderstand" von 50Ω. Damit eine möglichst gute Abstrahlung über die Antenne erfolgen kann sollte der Ausgang mit eben dieser Impedanz belastet werden. Falls das nicht so ist kann man verschiedene Anpassungsglieder wie BANUN, UNUNs und eben Antennentuner verwenden.

The sender circuit offers a 50Ω output impedance. This means the circuit is designed to have 50Ω internal "resistance". To get as much energy as possible out to the antenna we need a load of 50Ω. If this is not the case, several circuits are used to convert that as good as possible to 50. BALUNs UNUNs and antenna matchers are used to do that job.

Im Beispiel 50Ω : 50Ω kann man folgendes Beispiel berechnen.
Bei einer Impedanz von 50Ω und 10W hat man einen Strom von etwa 0,447A durch den Schaltkreis die treibende Spannungsquelle hat etwa 2 x 22,3V. Zur Berechnung kann man das Ohmsche Gesetzt U=R*I bzw. die Leistung als P=U*I und die Umformung P=I²*R. Das ist vereinfacht soll nur die Auswirkung einer Fehlanpassung erläutern.
Wenn nun die Antenne sehr Hochohmig ist kann der Sender seine Leistung gar nicht mehr in die Antenne "hineinschieben" weil die Aufteilung das unmöglich macht. Zum Beispiel die Antenne hat 500Ω Impedanz. Damit hat sich die Aufteilung der Spannung von einem 1:1 Verhältnis zwischen Impedanz des Senders und der Antenne auf ein Verhältnis von 1:10 geändert. Statt 100Ω in der Schaltung haben wir plötzlich 550Ω. Dadurch sinkt der Strom bei gleichbleibender Treiberspannung gewaltig, somit ist auch die Leistung deutlich geringer. Betrachtet man nur die vereinfachte Ohmschen Bedingungen sieht man der Sender bekommt deutlich weniger Energie durch die Antenne.
Hat man eine Antenne mit sehr geringer Impedanz klappt das auch nicht. Bei angenommen 5Ω teilt sich die Spannung 10:1 auf Sender und Antenne auf. Auch hier bleibt durch den nun deutlich größeren Anteil des Senders an der Gesamtimpedanz wiederum wenig Leistung an der Antenne über.
Die obigen Betrachtungen zeigen, daß eine Fehlanpassung im Schaltkreis Sender/Antenne die Leistung die an der Antenne ankommt gegenüber dem Fall einer Anpassung absenkt. In der Realität sind die Impedanzen der Bauteile stark Frequenz abhängig. Die Schaltung Sender - Kabel - Antenne verhält sich daher bei unterschiedlichen Frequenzen immer anders.

On the ideal balances example 50Ω : 50Ω we get the following result
With an impedance of 50Ω and 10W power we get an current of 0,44A through the circuit. The driving source has a voltage of 2 x 22,3V. We use her the ohm law with the formula U=R*I and for the power P=U*I which gets transformed P=I²*R. This calculation is simplified it should only show the result of a mismatching.
If the antenna has high impedance the amplifier will not be able to drive energy into the aerial. For example the areal has 500Ω impedance. Now the distribution of voltage in the circuit is not any more 1:1 but 1:10. The circuit has instead of 100Ω niw 550Ω. Simply based on the high impedance it is not possible to drive the same energy to the antenna.
Other way around, now let's assume we have an aerial with jus 5Ω impedance. Now the distribution of impedance is 10:1. Again more energy is lost on the amplifier internal impedance and one a small part reaches the antenna.
As you can see if there is a mismatching between transceiver and antenna the possible energy at the antenna is lower compared to the matched situation. In reality the circuit is depending on frequencies. So the circuit amplifier - cable - antenna beavers differently depending on the frequency.

Die Tuner-Schaltung besteht im Prinzip aus Kapazitäten und Spulen. Damit ist klar daß sie extrem Frequenzabhängig ist. Das bedeutet bei jeder Änderung der Frequenz muß neu getunt werden um die Anpassung neuerlich herzustellen.
Das Schaltprinzip funktioniert nur für HF Signale. Man kann durch verändern der Bauteilwerte eine Veränderung der Impedanz zwischen Ein- und Ausgang erreichen. Damit kann der Sender mehr Energie in die Antenne liefern. Durch die Anpassung verringert sich auch der Anteil der Mantelwellen am Kabel, der Tuner selbst kann die Mantelwellen aber nicht direkt abhalten. In "Längsrichtung" in der die Mantelwellen Laufen hat der Tuner keine Induktivität die die Mantelwellen aufhalten würden.

The tuner circuit has coils and capacitors. It is obvious that this circuit is extremely frequency depending. As a result it is necessary to retune as soon as the frequency is changed.
The circuit works only on HF. Changing the component values allows to transfer the impedance between the input and the output side. Through the impedance match the areal works better and the amount of common mode current is reduced. The tuner itself can not block them. Reading the circuit it is easy to see that there is no blocking mechanism available.

OE1IAH.at

Tuner

Tuner

Impedanz

Impedance

vereinfachte Ersatzschaltung einer Leitung

Ersatzschaltung einer "Quelle"

Sender und Antenne

Leistungs Anpassung

Tuner Schaltung

Tuner Circuit

Tuner Grundschaltung