S-match enligt PA0FRI

[SM7EQL]

Då har jag gjort några kompletterande S21/S11mätningar på AOM:s begäran.

Mätobjektet består av en transformator med primär 2 varv och sekundär 2 varv på en FT114-43 kärna. Lindningarna är fysiskt separerade på var sin "sida" av ringen. Även 1 +1 varv och 3 + 3 varv provades men gav betydligt sämre resultat än 2 + 2 varv som då får anses vara optimalt för 50 ohm. Mätningen har gjorts med en HP 8753D nätverksanalysator. Kalibrering i anslutningsplanet för primärlindningen.

Bild ovan; S21 genomgångsdämpning -4,8 dB @ 1,8 MHZ, -3 dB @ 10 MHz och -3,9 dB @ 28 MHz.

Bild ovan; S11 return loss. Gul kurva visar sekundärlindningen terminerad i 50 ohm och grön kurva sekundärlindningen helt öppen. Mätvärden: 50 ohm terminerad -7,6 dB @ 9 MHz. Öppen -6,2 dB @ 9 MHz.

Bild ovan; S11. Gul kurva visar sekundärlindningen terminerad i 50 ohm och grön kurva sekundärlindningen helt öppen.

En första slutsats måste väl bli att FT114-43 inte fungerar för denna applikationen och att förlusterna knappast kan bli lägre när transformatorn monterats in i en S-match, snarare högre?

Kan vi dra fler slutsatser?

/Bengt




.

 

[SM0BRF]

Däremot om samma 43-kärna används i en trafo med hårt tvinnade ledare och med 5 varv så täcker man in c:a 800 kHz - >30 MHz med c:a 0,4 dB dämpning mätt i 50 ohm. Med andra typer av kärnor kommer man ner till under 0,1 dB.


/Bengt

Precis. Jag upptäckte det den hårda vägen när jag satte upp mina bävrar med ett par transformatorer i serie i signalvägen.

 

[SM0AOM]

Om man tittar på impedanskurvan för obelastad sekundär med "artistens syn" så ligger den nära konstant-Q cirkeln för Q=3 i Smith-diagrammet i frekvensområdet 1,8 - 9 MHz.
Detta går i linje med mätningarna som gav Q = 6 vid 250 kHz för 43-materialet.

Estimating Q of Ferrite Cores

Den flödeskopplade ferrittransformatorns magnetiska krets har så stora kärnförluster att den får svårt att kunna överföra energi med någon verkningsgrad alls, det sitter en realdel av c:a 25 ohm i serie med primärlindningen även utan last på sekundärsidan.

Förklaringen till att detta trots allt fungerar med ferrittransformatorer måste vara att de kommer att arbeta som transmissionsledningstransformatorer även med få lindningsvarv.

73/
Karl-Arne
SM0AOM

 

[SM7EQL]

GLD skrev; "Är transformatorn verkligen en balun, vad säger ni?"
----

Transformatorn är en transformator. Jag uppfattar PA0FRI som att han provat en mängd olika konfigurationer och transformatorer lindade på olika sätt där några typer gett bättre resultat än andra.

Jag skall linda upp en T200-2 enligt PA0FRI:s lindningsbeskrivning och göra motsvarande S21/S11-mätningar som jag gjort på FT114-43. Sedan en version med hårt tvinnade ledare som jämförelse.

Förlusterna i transformatorn - vilken som helst - måste bli som allra lägst när sekundären är terminerad i 50 ohm och det måste i rimlighetens namn uppfyllas automatiskt när L/C-förhållandet i resonanskretsen anpassat antennens okända impedans till SVF1:1 mätt mellan TX och matchbox.

Sak samma borde gälla om man använt en annan drivimpedans från TX som 25 ohm eller 12,5 ohm eller varför inte 75 ohm. Bara en något annorlunda inställning på L och C för att åter nå SVF 1:1.

Sedan är frågan huruvida sekundärinduktansen ingår i resonanskretsen eller ej. Det borde vara lätt att undersöka genom att mäta upp resonansfrekvensen i LC-kretsen med en grid-dipmeter och därefter kortsluta sekundären. Om frekvensen ökar vid kortslutning så borde det gå att räkna ut hur stor induktansen är.

Kommentarer på detta?

/Bengt

 

[SM3BDZ]

Kul att du tar dig tid med dessa mätningar, Bengt! Jag håller helt med i vad du skriver här och det ska bli mycket spännande att veta resultatet av förlustmätningen på PA0FRI trafo, liksom om trafons induktans skall adderas till den egentliga resonanskretsen!

Jag har gjort lite prov med mitt exemplar av avstämmaren. Vad jag kan konstatera, så här långt, är att min vakuumkonding är på tok för stor, kapacitansmässigt. Min.-kapacitansen är problemet.

En annan sak är att på alla band från 20m och uppåt i frekvens, är kondingen i princip helt urvriden, vid min. SVF. Jag undrar om ni andra som byggt avstämmaren har noterat samma sak? Det gjorde sig speciellt gällande när jag avslutar avstämmaren med motstånd uppemot 1,5 - 2kOhm. Så har långt har jag bara provat med resistiva laster.

Vid dessa prov kopplade jag bort vakuumkondingen och kopplade istället in ett segment i en vanlig BC-konding.

73/Lasse

 

[SM0GLD]

Sedan är frågan huruvida sekundärinduktansen ingår i resonanskretsen eller ej. Det borde vara lätt att undersöka genom att mäta upp resonansfrekvensen i LC-kretsen med en grid-dipmeter och därefter kortsluta sekundären. Om frekvensen ökar vid kortslutning så borde det gå att räkna ut hur stor induktansen är.

Kommentarer på detta?

/Bengt

Smart tänkt och enkelt att utföra.
Jag väntar med spänning på resultatet.

/Micke

 

[SA6BNV]

En annan sak är att på alla band från 20m och uppåt i frekvens, är kondingen i princip helt urvriden, vid min. SVF. Jag undrar om ni andra som byggt avstämmaren har noterat samma sak?

Över 15 MHz och uppåt måste jag koppla antennen över kondingen istället för spolen. Och då kom kondingen i spel igen. Kan stämma av upp till 28 MHz utan problem.
// Åke

 

[SM7MCD]

Intressant med dina mätningar Bengt. Jag har testat med väldigt enkel mätutrustning och några dB hit eller dit märks inte. Däremot blir det väldigt tydligt med den enkla uppställning som Tore -CBS och jag använde vid mätning av verkningsgraden på S-matchen, där var upplösningen bättre än 1% (vad det absoluta onoggrannheten kan vara har jag inte kollat). Tanken är att försöka hinna med att mäta verkningsgraden på lite fler transformatorer av olika kärnmaterial. Även luftlindade spolar har med framgång använts. Spolarna var upplindade två och två på varsin kärna från toarulle och även den kopplingen fungerade "bra".

Vid första mätningen jämförde vi olika lindningar utan att se någon signifikant skillnad mellan rak lindning och quadrifilär lindning. Den avgjort "bästa" matchen var då dubbelt L-filter med ett mantelströmsfilter av ferritringar.

Tråd om mätningar

 

[SA5A]

Jag tänkte nu linda på en Amidon T225A-2. Har jag fattat rätt om jag tänker att det räcker med ca 60% av antal varv jämfört med T200-2? Jag har nästan bara FK 1,5 till allt, funkar det att linda denna på toroiden, eller ska man välja något annat? Siktar på att kunna köra s-matchen med 800 W.

 

[SM0GLD]

Jag tänkte nu linda på en Amidon T225A-2. Har jag fattat rätt om jag tänker att det räcker med ca 60% av antal varv jämfört med T200-2? Jag har nästan bara FK 1,5 till allt, funkar det att linda denna på toroiden, eller ska man välja något annat? Siktar på att kunna köra s-matchen med 800 W.

12varv ger 3uH på en T225A-2.

/Micke

 

[SA5A]

OK, tack! Hur är det med FK 1,5 är det också ok, eller ska man välja annat för lindningarna?

 

[SM0GLD]

PA0FRI talar om teflonisolerad kabel för att erhålla god isolation.
Jag vet inte hur bra pvc-isoleringen på FK 1,5 är.

nån annan som har koll på FK 1,5?

/Micke

 

[SM0AOM]

Ledningsmaterialet i FK är väl OK, men isoleringen består av PVC som har dålig förlustvinkel i synnerhet på högre frekvenser. Sedan vet man ganska lite om HF-egenskaperna hos det färgämne som finns i isolermaterialet.

PVC har dielektriska förluster som är c:a 100 ggr större än t.ex. polyetylen eller teflon. Risken finns alltså att PVC-isoleringen blir varm och smälter i punkter där det finns en hög HF-spänning. Då blir det "fyrverkeri".

Som alla starkt polära isolationsmaterial har PVC också en ganska odefinierad genomslagshållfasthet vid radiofrekvenser.
De > 1000V RMS som isolationen ska tåla i kraftfrekvensområdet har man inte i radiofrekvensområdet.

73/
Karl-Arne
SM0AOM

 

[SA5A]

Hmmm, ja, man vill förstås inte att det ska bli obalans pga att den blåa har andra egenskaper än den bruna! ;-)
Är det bättre att använda mittledaren (inkl isolering) från RG58?

 

[SM7EQL]

Här följer några mätresultat från utvärderingen av 16 varv-8varv-8varv transformatorn på T200-2 enligt PA0FRI:s lindningsinstruktion.

Tråden består en 19 kardelig koppartråd 0,6 mm2 med isolering av glasfiberarmerad PTFE. Ytterdiameter nom 2,2 mm. Primär 16 varv, sekundär 8 + 8 varv som seriekopplats för omsättning 1:1.

Bild ovan; S21 dämpning

S21 resultat:
1,8 MHz - 2,4 dB
3,5 MHz -1,3 dB
7 MHz -1,2 dB
14 MHz -2 dB
21 MHz -3,3 dB
28 MHz -4,7 dB

Bild ovan; S11 return loss (RL) transformator sekundär terminerad i 50 ohm.

S11 RL resultat
1,8 MHz 3,7 dB
3,5 MHz 6,1 dB
7 MHZ 6,4 dB
14 MHz 4,4 dB
21 MHz 2,9 dB
28 MHz 2 dB

Bild ovan; S11 smithdiagram

S11 resultat markörer utsatta för 1,8 - 3,5 - 7 och 14 MHz. Grön kurva visar transformatorns sekundärlindning med helt öppen utgång och gul kurva med sekundärlindningen terminerad i 50 ohm.

Så här omedelbart ser det inte särskilt bra ut. Möjligtvis kan transformatorn fungera för 3,5 och 7 MHz där förlusterna "bara" är en dryg dB.

Är mätmetoden relevant?

Fler slutsatser?

/Bengt

 

[SM3BDZ]

Det här var intressant!

Instinktivt tycker jag ändå att dämpningen verkar nästan orimligt hög. Speciellt på 14MHz och uppåt. Det känns som att trafon borde brinna bra om man trycker på någon kW!

För att få en jämförelse gjorde jag en lite enklare mätuppkoppling, där jag med en Bird 43 mäter Pin och Pout från S-matchen, inkl transformator. Vid mätningen är S-match terminerad med 50 Ohm. Jag har mätt mellan 1,8 till 14MHz, men inte högre band då min S-match inte klarar det med befintlig kondensator. Jag får återkomma med dessa band senare.

Tendensen är likartad dina mätvärden Bengt, men indikerar betydligt lägre dämpning. För hela avstämmaren dessutom. Vad kan det bero på?
Se nedanstående tabell.

73/Lasse

 

[SM7EQL]

Ja loss är orimligt högt, Lasse. Jag skall senare idag prova att koppla på en vridkondensator och spole så får vi se om det går att mjölka ut mer om utgången anpassas till max utnivå. Skall också prova med 2 mm CU-tråd.

Min T200-2 kommer från KitsAndParts.com och det finns ju också en möjlighet att det är en kinesisk kopia. Fan vet i dessa dagar...

EDIT: Lasse, kan du göra motsvarande effektmätning bara på transformatorn och koppla den för 1:1?

/Bengt

 

[SM7EQL]

Jo en sak till, induktansen i resp lindning mättes till 3,3 uH på 15 MHz och en seriekondensator skulle ju balansera ut den induktiva reaktansen och transmissionsförlusterna därmed minska. Återkommer om detta senare när morgonfikat är avklarat...

/Bengt

 

[SM0AOM]

När man tolkar plottarna av S11 och S21 bör man hålla i "bakhuvudet" definitionerna av S-parametrarna och hur nätverksanalysatorn arbetar.

Den mäter överföringsfunktionen eller transmissionen mellan två 50 ohms portar i S21 läget, och spänningsreflektionsfaktorn i en av portarna i S11 läget.

I ett i övrigt förlustfritt system kommer all effekt som inte överförs att reflekteras.

Om vi börjar i den undre frekvensgränsen (100 kHz) finner vi att nästan ingenting överförs och att allt reflekteras. Detta beror på att kärnarean och antalet lindningsvarv inte är tillräckliga för att kunna åstadkomma en flödeskopplad transformator.

När frekvensen stiger så börjar transformatorn att fungera;
vid 1,8 MHz är |S11| = - 3,73 dB och |S21| = - 2,42dB

I det förlustfria systemet gäller att 1 - |S11| är transmissionskoefficienten T = |S21|
eftersom all effekt som inte överförs måste reflekteras.

Kontrollräkning för 1,8 MHz: 10^(-3,73/10) = 0,423.
T = 1 - 0,423 = 0,576, 10*log(0,576) = - 2,4 dB eller väldigt nära |S21|.

Vid 14 MHz är |S11| = - 4,38 dB och |S21| = - 2,16dB


Kontrollräkning för 14 MHz: 10^(-4,38/10) = 0,365.
T = 1 - 0,365 = 0,635; 10*log(0,635) = - 2 dB eller väldigt nära |S21|.

Förlusterna i lindningar och kärna kan även försummas vid 14 MHz.

Om man sedan tittar på fasvinkeln för S11 så är den hela tiden induktiv.

Det är alltså transformatorns inte försumbara läckinduktanser (c:a 0,8 µH totalt vid 14 MHz) vilka sätter sig i serie med inimpedansen.
Dessutom ser man inverkan av att primärinduktansen inte är tillräckligt stor på frekvenser under c:a 4 MHz. Bristen på primärinduktans strävar att kortsluta ingången vid låga frekvenser.

Man ser även att kopplingen mellan primär- och sekundärlindning förbättras med stigande frekvens, eftersom realdelen i inimpedansen hela tiden närmar sig 50 ohm när transformatorn är terminerad i den andra 50 ohms porten.

När transformatorn ingår i ett avstämt nät kommer emellertid läckinduktanserna att absorberas i resten av kretsen och transformatorn kommer att uppträda som om den vore ideal, resistiva förluster oräknade.

En järnpulvertransformator med T-200-2 har alltså tämligen försumbara inre förluster, vilket går i linje med Lasse/BDZ:s undersökningar.

73/
Karl-Arne
SM0AOM

 

[SM7EQL]

Tack för redogörelsen Karl-Arne. Det förklarar ju skillnaden mellan mina och BDZ:s mätvärden på ett elegant sätt. Återstår nu att se om det går att hamna i samma härad som BDZ:s mätningar när jag rotat fram en spole och vridkondensator ur junkboxen.

/Bengt