Fallstudie Universelles HF-Anpaßnetzwerk / Home

Beschrieben wird ein universelles HF-Anpaßnetzwerk, wobei dieses beispielhaft für den 70cm-Bereich (um 440MHz) dimensioniert wurde. Es zeichnet sich durch einfache Bedienbarkeit aus und ist ohne Spezialbauelemente leicht herstellbar. Die Dimensionierung erfolgt mit den AdLab- bzw. ELEKTA 2000-Tools. Gewählt wurde eine Tiefpaßstruktur. Diese hat den Vorteil Oberwellen zu dämpfen, was in der Praxis oft ein erwünschter Nebeneffekt ist. Eine Gleichspannung wird 1:1 übertragen, falls dies nicht erwünscht ist, kann man die Schaltung um einen (genügend großen) Serienkondensator ergänzen. Damit wirklich (nahezu) jede Impedanz eingestellt werden kann wurden drei Abgleichelemente vorgesehen. Dafür werden der leichten Verfügbarkeit wegen Trimmkondensatoren verwendet. Bild 1 zeigt die Gesamtschaltung, die insgesamt ein elliptisches Tiefpaßfilter 3. Ordnung darstellt (das muß man nicht wissen um die Schaltung zu verstehen!).

Pi-Anpaßschaltung

Bild 1 : Gesamtschaltung (C4 ist optional). Der bewegliche Teil der Plattenkondensatoren sollte an Masse liegen.

Aufgebaut werden kann die Schaltung je nach Frequenzbereich. Günstig ist oft ein fliegender - möglichst kompakter - Aufbau in einem kleinen Metallgehäuse mit SMA-Buchsen. Für größere Leistungen empfehlen ist N- oder PL-Buchsen und Lufttrimmer mit genügenden Plattenabstand.

Dimensionierung

Die Schaltung hat gewisse Ähnlichkeit mit dem Ersatzschaltbild einer Leitung, und mit einer l/4-Leitung kann man bekanntlich recht gute Anpaßschaltungen realisieren. Wenn man nun die Werte des Ersatzschaltbildes einer l/4-Leitung für den betrachteten Frequenzbereich berechnet, dann erhält man gute Startwerte für die Schaltung. Für das 70cm-Band erhält man folgende Werte (siehe Bild 2) :

Ersatzschaltbild einer Leitung

Bild 2 : Ersatzschaltbild einer 50W-l/4-Leitung bei 440MHz (Berechnung mit LTRANS : L1=18,08nH, C1=C2=7,235pF)

Die Trimmer C1 und C2 sollten die berechneten Werte (7,2pF) gut überstreichen können (Endwert ca. 3x größer als errechnet). L1 wird etwa halb so groß gewählt (hier 8,2nH statt der errechneten 18nH), da durch die Parallelschaltung von C3 die effektive Induktivität ansteigt (Bild 3). C3 kann man genauso groß wie C1 bzw. C2 wählen.

Berechnung der effektiven Induktivität

Bild 3 : Die effektive Induktivität bei Parallelschaltung mit einem Kondensator (Berechnung mit LCFILT : 8,2nH || 9pF ergeben 18,8nH bei 440MHz)

C4 sollte mindestens 5·C1 betragen. Wenn man für eine niedrige untere Grenzfrequenz einen sehr großen Wert benötigt (z.B. 470nF), sollte man zusätzlich Keramikkondensatoren parallelschalten (z.B. 470pF). Um die Schaltung für das 2m-Band oder für den UKW-Bereich abzuändern kann man ganz analog vorgehen oder aber einfach alle Bauelemente umskalieren. Für den UKW-Bereich multipliziert man z.B. einfach alle Kapazitäts- und Induktivitätswerte mit 440MHz:100MHz=4,4. Man kann die Schaltung zwar auch im Kurzwellenbereich einsetzen, jedoch werden dann große Drehkondensatoren nötig, die u.U. nicht leicht zu beschaffen sind.

Abgleich

Man könnte meinen mit drei Trimmern ist die Schaltung recht kompliziert abzugleichen. Jedoch kann man sich die Funktionsweise im Smith-Diagramm leicht veranschaulichen. Wenn man alle drei Trimmer in etwa in Mittelstellung bringt, stellt man fest, daß die Schaltung sich näherungsweise tatsächlich wie eine l/4-Leitung verhält, daß nämlich 50W am Eingang auch zu einer Ausgangsimpedanz von 50W führen. Diese Einstellung ist also als Grundeinstellung gut brauchbar (Bild 4).

Berechnung der Schaltung mit dem Smith-Diagramm

Bild 4 : Die Schaltung mit Grundeinstellung im Smith-Diagramm (Berechnung mit CSERPAR)

Allerdings ist im Gegensatz zur Leitung der Frequenzgang nicht periodisch, sondern zeigt Tiefpaßcharakter (Bild 5). Die 1. Oberwelle wird z.B. um 14dB gedämpft.

Frequenzgang

Bild 5 : Frequenzgang in Grundeinstellung (Berechnung mit CSERPAR)

Im Smith-Diagramm kann man die Werte nun abändern. Dabei stellt man fest, daß C3 in erster Linie eine Veränderung des Realteils der Impedanz mit sich bringt, während C1 und C2 eher den Imaginärteil beeinflussen. In der Praxis wird man von der Grundeinstellung ausgehend die Trimmer einen nach dem anderen umlaufend varieren. Beginnen sollte man mit dem, der die stärkste Wirkung zeigt. Wenn man die Impedanzen schon relativ gut kennt, weil man seine Schaltungen z.B. mit einem Netzwerkanalysator durchgemessen hat, kann man natürlich auch zuerst die Anpaßschaltung im Smith-Diagramm dimensionieren und dann die Trimmer entsprechend voreinstellen. Die Feineinstellung erfolgt dann in der Praxis.

Die Bandbreite ist in Bild 5 recht groß, wenn jedoch extremere Impedanzen eingestellt werden, dann sinkt sie entsprechend. Bild 6 zeigt den Fall einer Anpassung eines 8W-Generators auf 50W (Stehwellenverhältnis VSWR 6,25:1). Eine kleine restliche Fehlanpassung von 1,45:1 bleibt übrig, da die Trimmer realistischerweise nicht von Null an einstellbar sind. Allerdings beträgt die Dämpfung trotzdem nur minimale 0,3dB (statt 3,3dB ohne Anpaßnetz). Die -1dB-Bandbreite reduziert sich auf rund 200MHz und die Oberwellendämpfung verbessert sich, vor allem oberhalb 1,5GHz .

Anpaßschaltung

Bild 6 : Schaltung getrimmt für Anpassung von 6W auf 50W (CSERPAR)

Für viele Impedanzen gibt es durchaus verschiedene Kombinationen der Trimmerstellungen mit der selben Anpaßwirkung (bei der Grundfrequenz). Diese Stellungen können sich allerdings durchaus in der Bandbreite und der Oberwellendämpfung unterscheiden. Bei Leistungsverstärkern können die Stellungen durchaus hinsichtlich der Ausgangsleistung gleichwertig sein, jedoch im Wirkungsgrad verschieden. Wählt man C3 recht hoch, so ergibt sich ein steilerer Abfall im Frequenzgang, da der Parallelschwingkreis eine Nullstelle nach sich zieht. Kleine Kondensatorwerte bewirken einen flachen Frequenzgang, die Schaltung wird breitbandiger und toleranzunempfindlicher.

Anwendungsbeispiel

Häufig werden Anpaßnetze bei HF-Verstärkern oder Antennen eingesetzt. Eine erste Anwendung war die Anpassung zwischen einem kleinen 70cm-Handfunkgerät und einem HF-Sendeverstärker. Ohne Anpassung konnte das Funkgerät den Verstärker nur unzureichend aussteuern, so daß die Ausgangsleistung bei direkter Verbindung über 50W-Leitung unbefriedigend gering blieb und auch die automatische Sende-/Empfangsumschaltung (HF-VOX) nicht immer funktionierte (zu wenig Ansteuerleistung). Die Anpaßbox wurde einfach in Serie zwischen Funkgerät und Verstärker geschaltet und die Trimmer auf maximale Ausgangsleistung an der Antenne abgeglichen. Ob man die Anpaßschaltung direkt am Funkgerätausgang oder am Verstärkereingang anschließt hängt von den Gegebenheiten ab : Sowohl vom Funkgerät zum Kabel, als auch vom Kabel zum Endverstärker kann ein Fehlanpassung vorliegen. Man sollte die Anpassung dort vornehmen, wo das Stehwellenverhältnis größer ist. Im vorliegenden Fall gab das Funkgerät an 50W ziemlich genau die nach Datenblatt spezifizierte Leistung ab, während für den Endverstärkereingang ein VSWR von 3:1 spezifiziert war. Wenn das VSWR generell nicht allzu hoch ist bzw. das Verbindungskabel nicht allzu lang ist, sind beide Positionen problemlos möglich. Ist dies nicht der Fall, so kann die Bandbreite recht gering werden. Auch diese Zusammenhänge lassen sich im Smith-Diagramm leicht nachvollziehen.

Da bei Extremstellung der Trimmer die Anpassung auch leicht verschlechtert statt verbessert werden kann, sollte man immer vorsichtig, in kleinen Schritten abgleichen, speziell bei HF-Leistungsverstärkern, da diese bei starker Fehlanpassung zerstört werden können oder starke Oszillationen aufweisen.

Pi-Anpaßschaltung

L1 = 8,2nH (Luftspule : ca. 3 Wdg. 0,5mm-Cu-Lackdraht, Innendurchmesser 2,5mm)
C1=C2=C3=1..22pF
C4=470pF

Bild 7 : Anpaßschaltung für das 70cm-Band

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Stand: April 22, 2001.