UBA HF & VHF zendamateurs: Lengte & Impedantie metingen op coaxkabels

Een oude wijsheid:

zelfs old man Galileo Galilei (IK7SWR) wist het al: "zonder VNWA is een radioamateur stekeblind."

Met een VNWA kunnen we de lengte van een coaxkabel redelijk juist bepalen zonder bvb. een rol volledig te moeten afwinden. Of bvb. ook wanneer een geïnstalleerde kabel moeilijk na te meten is. Zelfs de plaats van een fout in de kabel kan zo worden opgespoord, bvb. een nagel door de kabel, een erge knik erin of een gebroken kabel. We kunnen ook redelijk juist de karakteristieke impedantie bepalen van een onbekende kabel. Soms kan men zich erg vergissen om gewoon op het zicht te zeggen welke coaxkabel men onder ogen krijgt. De meest gebruikte kabel in onze hobby heeft een karakteristieke impedantie van 50Ohm, maar er bestaan dus coaxkabels met andere impedantie waarden zoals o.a. 60Ω, 75Ω en 90Ω. En sommigen daarvan zijn soms moeilijk van elkaar te onderscheiden. En wanneer we de lengte van een coaxkabel kennen, kunnen we de verkortingsfactor ervan bepalen, verder zijn demping in functie van de frequentie en zijn demping per 100m.

Lengte meten:

Bij deze metingen is het noodzakelijk de verkortingsfactor (*) van de kabel te kennen!

We sluiten een uiteinde van de kabel aan op de TX van de VNWA en laten het andere uiteinde van de kabel open.

We vragen de impedantie IZI en programmeren een voldoende grote frequentiezwaai. bvb. 1MHz tot 10MHz.

We hebben een open lijn, dus zal er een maximum impedantie piek te zien zijn bij het passeren van een frequentie waarvan een halve golf gelijk is aan de elektrische lengte van de kabel.

Wanneer er een of meerdere IZI pieken te zien zijn dan zitten we goed. Noteer deze frequentie ( en de bijhorende impedantie. )

Bvb. Een stuk coaxkabel van onbekende lengte:

We zien een piek van 1539.93Ohm op 5.41MHz

We dopen deze impedantie IZI open.

De golflengte = 300/5.41 = 55.453 meter

Met een verkortingsfactor = 0.66 wordt de golflengte op de kabel = 55.453 x 0.66 = 36.6m

De fysieke lengte van de kabel is een halve golf lang of = 36.6 / 2 = 18.3 meter.

Of nog:

We sluiten daarna het uiteinde van de kabel kort door de mannelijke stekker op een kortgesloten vrouwelijke stekker te schroeven. Wanneer er geen stekker aan het uiteinde zit, maak dan een goede verbinding tussen de middelgeleider en de mantel.

We hebben een kortgesloten lijn, dus wanneer de frequentie stijgt zal bij het passeren van een frequentie waarvan een kwartgolf gelijk is aan de elektrische lengte van de kabel, er een impedantie maximum te zien zijn. Wanneer er een of meerdere IZI pieken te zien zijn dan zitten we goed. Noteer deze frequentie (en de bijhorende impedantie).

We zien een piek van 2163.86Ohm op 2.69MHz , ons eerste kwartgolf impedantiemaximum.

Op 5.41MHz hebben we nu 1.79Ohm, die cursor is blijven staan van de voorgaande meting.=IZI kort.

Golflengte = 300 / 2.69 = 111.524 meter of op de kabel 111.524 x 0.66 = 73.61 meter

Een kwart golflengte L = 73.61 / 4 = 18.4 meter

We zien een klein verschil van 0.1 meter of 0.54%

De kortsluitplug maakt de kabel ook iets langer.

De met een rolmeter gemeten lengte van deze kabel was 18.15 meter.

Het verschil = 0.15 à 0.25 meter of 0.8 à 1.4%

We zien nog een tweede impedantiemaximum op 8.11MHz: In volgorde komen we de eerste kwartgolf tegen, daarna de halve golf en de tweede piek is weer een kwart golf verder, dus in totaal 3/4 λ

Golflengte = 300 / 8.11 = 36.99 meter of op de kabel 36.99 x 0.66 = 24.41 meter

3/4 van deze golflengte is de lengte van de kabel, L = ( 3 x 24.41 ) /4 = 18.31 meter.

De impedantie:

We hadden ook de impedanties genoteerd: IZI open = 1539.93Ohm en IZI kort = 1.79Ohm

Formule om de karakteristieke impedantie bij een zelfde frequentie te berekenen:

Impedantie coaxkabel =√ ( IZI open x IZI kort ) = √ (1539.93 x 1.79 ) = √ 2756.47 = 52.5Ohm

Of nog bij 8.11MHz = √ (1233.72 x 2.1 ) = √ 2590.812 = 50.9Ohm

(√ = vierkantswortel)

Nota:

Voor de geïnteresseerden die wensen te weten hoe deze formules bekomen werden zullen naar onze vergadering moeten komen. Om het impedantie gedrag van deze kabels aanschouwelijk te maken kijkt men onder de Tab "lijnstuk en antenne cirkel".

Om de impedantie van een kabel te bepalen moeten we niet noodzakelijk op een kwart of een halve golf meten. Maar daar we toch aan het meten waren konden we deze waarden gebruiken.

Kiezen we bvb. 10MHz en meten we de impedantie van dezelfde kabel met zijn uiteinde open en kortgesloten:

Impedantie = √ ( IZI open x IZI kort ) =√ (96.22 x 26.22 ) = √ ( 2522.8884) = 50.228Ohm

IZI open lijn

IZI kortgesloten lijn

Wanneer de elektrische lengte van de kabel tijdens de frequentiezwaai een veelvoud is van een kwart golf gaan we door een minimum of een maximum impedantie.

Bij een kortgesloten lijn zullen we een maximum zien bij een oneven aantal en een minimum bij een even aantal.

Nog een voorbeeld:

We bekijken een stuk RG58, kortgesloten aan het uiteinde.

Kortgesloten 12.03meter RG58 van 10kHz tot 100MHz

Bij de eerste λ/4 hebben we een maximum. Wanneer de frequentie stijgt en de lengte wordt gelijk aan λ/2 bekomen we een minimum. Dit gebeurt bij 8.13MHz. De frequentie stijgt verder en we bekomen terug een maximum wanneer er in de elektrische lengte van de kabel 3/4λ past, dit gebeurt hier bij 12.3MHz. Als de frequentie verder omhoog gaat en dus de golflengte nog verder verkleind zal er bij een bepaalde frequentie een volledige golf op de kabel zijn. We draaiden zodanig 1 toer op de lijnstuk cirkel of twee maal een halve golf en we hebben weer een minimum.

We zien dat op de grafiek gebeuren bij 16.4MHz. Even rekenen:

De lengte van de kabel = 0.66 x (300/16.4) = 0.66 x 18.2393 = 12.07 meter.

De werkelijke lengte van deze RG58 coaxkabel is 12.03 meter.

Verderop zien we 65.8MHz, we hebben hier al 4 volledige golven op de kabellengte of 4 toeren om de cirkel.

Even rekenen:

L = 0.66 x 4 x ( 300 / 65.8 ) = 12.036 meter.

Nog verder hebben we 5x 3/4 golven op de kabel:

L = 0.66 x 5.75 x (300 / 94.4 ) = 12.06 meter.

De markers bleven op dezelfde frequentie staan en we meten nu op de open kabel. We zien dat de maxima nu minima zijn en omgekeerd.

Laten we nog even de impedantie van deze kabel bepalen:

bvb. op 4.1MHz: Impedantie = √ ( 2.90 x 979.83 ) = 53.3 Ohm

en op 45MHz: Impedantie = √ ( 7.61 x 369.77 ) = 53.04 Ohm

of op 94.4MHz: Impedantie = √ ( 264.25 x 10.8 ) = 53.42 Ohm

Lengte meten van een geïnstalleerde antennekabel.

We kunnen zelfs de lengte van een coaxkabel, dewelke reeds geïnstalleerd is en verbonden met een antenne, redelijk nauwkeurig bepalen. Ook nu is het weer noodzakelijk de verkortingsfactor van de gebruikte kabel te kennen.

Hierbij een praktisch voorbeeld: een gestrekte dipool voor de 40 meterband is verbonden met een coaxkabel die in de shack toekomt en we hadden graag de lengte van de coax geweten.

We sturen op de aansluitstekker van de kabel in de shack een signaal met oplopende frequentie en we meten de daarbij veranderende impedantie. We meten tevens de VSWR omdat we toch aan het meten zijn maar dit is niet nodig om de lengte te bepalen. Deze antenne is enkel in resonantie rond 7MHz en 21MHz waardoor de kabel hier dicht bij 50Ohm zal zijn. Op andere frequenties lijkt het of de kabel zowat open is aan zijn uiteinde. Wanneer 1/4 golflengte van een frequentie op de kabel gelijk is aan de lengte van de kabel tot aan het antenne aansluitpunt zien we een impedantie minimum passeren, op dat ogenblik is de kabel in serie resonantie.(zie onder TAB "antenne cirkel").

Daar de parallel resonantie veel heftiger is en een duidelijke piek laat zien, gaan we eerder het moment bekijken wanneer de impedantie een scherp maximum vertoond. Dit gebeurt wanneer 1/2 kabelgolflengte = lengte van de kabel. ( = golflengte x verkortingsfactor van de kabel)

Wanneer de frequentie hoger wordt zal aan deze voorwaarde weer voldaan zijn wanneer de kabelgolflengte = aan de kabellengte. Dus 2 halve golven.

En er wordt opnieuw aan voldaan wanneer de frequentie verder verhoogd en de 1.5 x kabelgolflengte = kabellengte en er zitten nu dus 3 halve golven op de kabel

En opnieuw bij 2x, 2.5x, 3x enz.

De kabellengte berekenen:

We zien het eerste maximum impedantie verschijnen op 3.85MHz

=" lijkt open lijn" = 1/2λ

Golflengte λ = 300/3.85 = 77.92...m

Golflengte in kabel = 0.66 x 77.92 = 51.428..meter Lengte kabel = λ/2= 25.7m

Tweede Max bij 8.17MHz 300/8.17=36.7.... x0.66= 24.235m x2/2 L = 24.7m

Derde Max bij 11.94MHz 300/11.94=25.126 m...x 0.66 = 16.58m ...L = x3/2 = 24.87m

Vierde Max bij 15.84MHz 300/15.84=18.94m ..... x0.66=12.5m .....x4/2 = L = 25m

Vijfde Max bij 19.69MHz 300/19.69=15.236m..... x0.66= 10.055m..... x5/2 = 25.1375m

Zesde Max bij 23.95MHz 300/23.95= 12.53m..... x0.66 = 8.267m...... x6/2=24.8m

Zevende Max bij 27.77MHz 300/27.77=10.80..... x0.66= 7.13m..... x7/2 = 24.95m

De lengte van deze coaxkabel is dus zowat 25m,

Let wel: de lengte van de gewonden coaxkabel van de aan de antenne gemonteerde stroombalun wordt mee gemeten en is dus inbegrepen in deze bekomen lengte!

Bepalen van de verkortingsfactor (*):

De verkortingsfactor geeft een beeld van de snelheid waarmede de HF golf zich verplaatst doorheen de kabel. In vacuum is de snelheid maximaal, 300.000km/s en doorheen alle andere middens is deze steeds lager. Doordat de snelheid doorheen een coaxkabel lager is zal de afgelegde weg voor dezelfde tijdspanne kleiner zijn en zal bv een volledige golf een kortere lengte bestrijken. De verkortingsfactor is de verhouding tussen de twee snelheden of de verhouding tussen de twee afgelegde lengtes. De maximum snelheid staat in de noemer, dus de verkortingsfactor is steeds <1. Het verschil tussen de voortplantingssnelheid in vacuum t.o.v. lucht is zeer klein. Wanneer er tussen de middengeleider en de binnenwand van de coax lucht zit, zal de snelheid hoger zijn dan bij een volledig gevulde isolatie. Coaxkabels met meer lucht als diëlectricum hebben daarom een grotere verkortingsfactor.

De verkortingsfactor van een coaxkabel bepalen:

We meten op een uiteinde en laten het andere uiteinde open, voor alle frequenties waarvoor we op het uiteinde van de kabel een halve golf hebben, zal aan de andere zijde van de kabel een impedantie MAXIMUM te zien zijn. ( zie antenne & lijnstuk cirkel )

Voor deze meting moeten we ditmaal de juiste lengte van de kabel kennen.

vb. een stuk H100 kabel van 10.36 meter: we zie een eerste maximum bij 11.84MHz en we weten dat voor die frequentie er juist een halve golf in de kabel past, dus 10.36 meter. We kunnen de maximum golflengte berekenen 300/11.84 = 25,3378..m, een halve golf is dus 12.6689...m lang. De verhouding tussen die twee lengtes = 10.36 / 12.67 = 0.84

De verkortingsfactor van deze H100 coaxkabel zal zowat 0.84 zijn.

Verlies in een coaxkabel:

Natuurlijk kunnen ook het verlies in dB bij een bepaalde frequentie bepalen, we nemen als voorbeeld dezelfde kabel:


Verlies voor een lengte H100 van 10.36m

Tabel van metingen op andere banden en omgerekend naar 100 meter:
( De opgegeven waarden door de kabelfabrikanten zijn meestal wat lager, de aansluitplug kan er voor zowat 0.1dB à 0.2dB tussen zitten )

Verlies H100 coaxkabel

Hoe hoger de frequentie, hoe hoger het verlies zal zijn. Wanneer we bvb. een coaxkabel H100 van 10 meter lengte, aansluiten op een dipool voor 80m, dan zal het kabelverlies kleiner zijn dan de verzwakking door de twee aansluitpluggen. De aansluitplug van alle coaxkabels moet aan de antennezijde steeds perfect waterdicht zijn, een kabel met water in de omvlechting of tussen de kerngeleider en de isolatie heeft enorme verliezen. Een kabel in zulke toestand is onherroepelijk defect en volledig waardeloos als antennekabel.

Een stuk coaxkabel RG213:

We hebben maximum IZI bij 5.43MHz

150x0.66/5.43 = 18.23 meter lengte = juiste fysieke lengte.(!)

Verlies of demping van dit kabelstuk in het KG gebied: