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SimSmith für Einsteiger:
Leistungsanpassung für Sender und Antenne

SimSmith berechnet Anpassungsmaßnahmen zwischen Sender (Generator) und einer komplexen Last (Antenne). Die Darstellung der Real- und Blindwiderstände erfolgt mittels Smith Chart, die SWR-Anzeige im gewohnten X-Y-Koordinatensystem. Dieser Text richtet sich an HF-Einsteiger, die sich bisher gescheut haben, einen Smith Chart naher zu betrachten und um Berechnungen zur Anpassung einer Antenne einen großen Bogen machten.

Es handelt sich hier um einen Beitrag für Einsteiger ohne Vorkenntnisse und nicht um eine Abhandlung für Profis. So fängt es auch ganz harmlos an und Sie machen am besten mit, SimSmith finden Sie im Internet (siehe unten [*].

Bild 1: SimSmith unterstützt den Funkamateur bei der Entwicklung von Anpassnetzwerke.

<- Bild 2: Das Smith-Diagramm ist so aufgebaut, dass sich der 50-Ohm-Punkt in der Mitte des Diagramms befindet.

Betrachten Sie bitte Bild 2. Der Smith-Chart in Form eines Kreises besitzt in der Mitte einen 50-Ohm-Punkt. Fährt man auf der rot markierten X-Achse, der Linie der realen Widerstände, nach rechts, steigt der reelle Widerstand, geht man nach links, wird der Widerstand geringer. Klicken Sie im Smith-Chart mit der Maus genau auf diese horizontale Linie, informiert SimSmith über den Widerstandswert unten rechts neben dem Chart. Klicken Sie genau in der Mitte auf den Punkt, wird als Wert Z=50 zu lesen sein. Der Blindwiderstand ist hier Null.

Wir wissen: Der reale Widerstand kann induktiv oder kapazitiv belastet sein. Fügen wir zwischen Sender und Antenne eine Kapazität (Kondensator) ein, wird sich der Blindanteil nach unten in den kapazitiven Bereich verschieben und bei Einfügen eines Induktivität (Spule) in den induktiven Bereich nach oben. Wir fügen dem realen Widerstand also einen kapazitiven bzw. induktiven Blindwiderstand hinzu. Das werden wir später ausprobieren.

<- Bild 3: Sender links, Antenne rechts: Es ist Leistungsanpassung, beide Werte = 50 Ohm.

Betrachten wir das Schaltbild im Bild 3: Rechts ist der Generator (Sender) zu sehen und links als Z bezeichnet die Last bzw. die Antenne. Der Generator ist auf 50 Ohm eingestellt und auf eine Frequenz von 14 MHz. Die Antenne besitzt eine Anschlussimpedanz von 50 Ohm ohne Blindanteil, bezeichnet mit Z0=50. Hier besteht Leistungsanpassung – beide realen Widerstände sind gleich – die vollständige Leistung des Generators / Senders wird auf die Last / Antenne übertragen. Dem entsprechend zeigt der Smith-Chart einen Wert genau bei 50 Ohm ohne Blindanteil wie im Bild 2. Auf ihrem Bildschirm sollte es ebenso zu sehen sein, wenn Sie diese Schritte im Programm mitverfolgen. Verändern Sie nun den 50-Ohm-Wert der Antenne. Klicken Sie mit der Maus in das weiße 50-Ohm-Feld und betätigen das Mausrad. Betrachten Sie, wie sich der Wert im Smith-Chart entlang der horizontalen, realen Widerstandslinie verändert. Stellen Sie danach den Wert auf exakt 50 Ohm zurück.

Mit Kondensator

<- Bild 4: Ein Kondensator wurde in die Schaltung eingefügt. Klickt man auf den Wert des Kondensators, lässt sich der Wert mit dem Mausrad verändern und Veränderungen im Diagramm beobachten.

Wir fügen dieser Schaltung einen Kondensator hinzu und sehen, was sich verändert. Ziehen Sie (mit der Maus) aus dem Bauteilepool unten links den vertikal gezeichneten Kondensator in die Mitte zwischen Sender und Antenne. Bild 4 zeigt, wie es aussehen soll. Im Smith-Diagramm verrutscht der Wert folgerichtig in den kapazitiven Bereich. Verändern Sie mit dem Mausrad den Wert des Kondensators und sehen, wie sich der Wert mehr oder weniger in dem kapazitiven Bereich bewegt.

<- Bild 5: Der Smith-Chart beweist: Eine Kapazität wurde hinzugefügt. Der Kapazitive Blindanteil beträgt hier 24,2 Ohm.

Klicken Sie in den kleinen Kreis und setzen dort einen Marker in Form eines Sternchens, zeigt der Smith-Chart dem komplexen Widerstand unten rechts des Diagramm (Bild 5). Hier lese ich einen realen Widerstand von 18,9 Ohm und einen kapazitiven Blindwiderstand von 24,2 Ohm ab. Der kapazitive Blindanteil soll nun mit einem weiteren Bauelement kompensiert werden, um den Blindanteil zu kompensieren, also zu Null werden zu lassen.

Mit Spule

Was kann besser dazu geeignet sein, einen kapazitiven Blindanteil zu kompensieren als eine Induktivität? Ziehen Sie die vertikal gezeichnete Spule aus dem Bauelementepool zwischen Generator und Kondensator in die obige Schaltung.

<- Bild 6: Nun kommt die Induktivität hinzu. Sie soll den durch den Kondensator verursachten kapazitiven Blindwiderstand kompensieren.

Bild 6 zeigt, wie es aussehen soll. Stellen Sie nun mit der Maus den Kondensatorwert auf ca. 300 pF ein und verändern anschließend – ebenfalls mit dem Mausrad – den Wert der Spule, bis der kapazitive Blindanteil zu Null wird, sich der kleine Kreis also wieder auf dem 50-Ohm-Punkt in der Mitte des Smith-Diagramms befindet (Bild 7).

<- Bild 7: Geschafft: Mit dem richtigen Wert der Spule schafft es der reale Widerstans zurück auf den 50-Ohm-Punkt bei Null Ohm Blindanteil.

Es besteht wieder Leistungsanpassung: Die maximale Leistung des Senders wird auf die Antenne übertragen, die kapazitive Belastung durch den Kondensator wurde durch eine Induktivität kompensiert. Beachten Sie bitte: Das gilt nur für die eingestellte Frequenz! Verändern Sie die Frequenz und sehen, was sich ändert.

Hatten Sie einen Aha-Effekt? So soll es sein! Wenn Sie möchten, testen Sie, ob sich ein in Serie eingefügter Kondensator durch eine in Serie eingefügte Induktivität ebenso kompensieren lässt wie die vertikalen

Bild 8: Doppelt kapazitiv belasten und kompensiert.

Bauelemente zuvor (Bild 8). Bei richtiger Wahl der Bauteilwerte sollte das gelingen.
Die Kunst der Anpassung besteht prinzipiell darin, zu einer Abweichung in den kapazitiven oder induktiven Bereich geeignete Gegenmaßnahmen zu wählen, um sie zu kompensieren. Probieren Sie andere Bauelemente wie den Stub etc. aus und sehen, in welche Richtung sich die Blindanteile verändern (in Richtung kapazitiv / induktiv) und welche Gegenmaßnahmen möglich sind. Beispielsweise lässt sich ein in Serie eingefügter Stub durch eine seriell eingefügte Spule kompensieren. Finden Sie weitere Paare!

Weiteres Material

Das gezeigte Beispiel visualisiert den Begriff „Blindanteil“. Haben Sie Interesse, etwas mehr über die Fähigkeiten von SimSmith zu erfahren? Im Internet gibt es eine Menge Material dazu. Am besten eignen sich Videos, welche die Handhabung und Anwendung der Software sowie deren Funktionen vermutlich am Anschaulichsten demonstrieren können. Auf Youtube.com gibt es vom Benutzer „LeoTV1968“ unter dem Titel eine „SimSmith Einführung – deutsch“ ein ca. 20 Minuten langes Video [1]. Etwa hundert Videos zum Thema Hochfrequenz unter anderen auch mit Anwendung von SimSmith hat Larry Benko, W0QE, in englischer Sprache gedreht. Eine Fundgrube für alle, die gut englisch verstehen. In seinen Videos gibt der pensionierte HF-Ingenieur sein umfangreiches Wissen an die interessierte Zuschauerschaft weiter. Volker Block hat sich in deutscher Sprache in seinem Video „Smith Diagramm für HF-Schrauber“ ohne Mathematik dem Thema Anpassung mit SimSmith genähert [4].

Literatur/Verweise:
[*] SimSmith Software: http://www.ae6ty.com/smith_charts.html
[1] SimSmith Einführung- deutsch: https://www.youtube.com/watch?v=RUR6HojvA3o
[2] SimSmith-Videos, W0QE, engl: http://www.w0qe.com/SimSmith.html
[3] SimSmith-Videos, WoQE, engl.auf Youtube: https://www.youtube.com/channel/UCKSyLSu4fm_1RHoO3Jvk4YQ/videos
[4] SimSmith-Video von Volker Block: https://www.youtube.com/watch?v=lvb_hM1L5NM

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Op: Michael, DL1DMW
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