RF-aarde in de shack
‘Toch geen RF-aarde in de shack’, was een wijsneuzige opmerking van mij. Een opmerking die ik een jaar of zeven terug op een verjaardagspartijtje maakte. Ik was toen niet als radioamateur actief maar kwam in gesprek met iemand die daar wel druk mee bezig was. Arnold bleek een zendamateur en toen hij merkte dat ik wel enig verstand van elektronica had kwam hij op de proppen met een probleem.
Ik ga dat probleem hier toelichten en ook enkele oplossing aanreiken.
Het belang van dit onderwerp?
Veel amateurs inclusief ikzelf zitten met hun shack ergens op een tweede of derde verdieping in hun woning of zelfs op de vijfde verdieping van een flatgebouw.
In die situaties is een aardverbinding van 1, 2 of drie meter geen realistische optie! En dan kunnen RF-problemen in de shack ontstaan.
Prikkels als je de apparatuur aanraakt
Arnold had twee problemen. Zijn installatie veroorzaakte storingen bij de geluidsinstallatie van zijn vrouw in de woonkamer en bij de buren. Daarnaast voelde hij soms prikkels als hij zijn apparatuur aanraakte.
Vooral van dat laatste snapte hij niets van want hij had door een erkend installateur een prima aarde aan laten leggen.
Mijn nieuwsgierigheid was gewekt.
Arnold wil verder
Arnold was al jaren als 27 MC amateur actief maar, zoals hij vertelde, de laatste tijd was het minder geworden. Hij kende de andere amateurs binnen zijn gebied wel (ruwweg 15 -20km) en verder kwam hij niet ondanks dat hij flink in een dakantenne had geïnvesteerd.
Maar onlangs had iemand, iemand die stopte met zijn hobby, hem een lineair aangeboden die 100 Watt aan zijn antenne zou leveren. Dat zou verbindingen tot ver over de grens mogelijk maken. Dat laatste bleek in de praktijk flink tegen te vallen maar hij had nu dus ook die twee andere problemen.
Ik liet toen wijsneuzig uit mijn mond ontsnappen. ‘Waarschijnlijk heb je toch geen RF-aarde in de shack!’ We spraken af dat ik bij hem langs zou komen om naar zijn installatie te kijken en een en ander toe te lichten.
Op bezoek in de shack van Arnold
Voordat ik bij Arnold op bezoek ging had ik wat PowerPoint plaatjes gemaakt om mijn opmerking over zijn aarde toe te lichten. Ik wist al dat zijn shack zich op de zolderverdieping bevond.
Die plaatjes pak ik er in refurbished vorm ook nu even bij om wat dingen toe te lichten.
Overigens bleek mij al direct dat Arnold’s aarde keurig netjes was verzorgd. Geen verspreide aarde maar alles geconsentreerd op één aardpunt. Schematisch zag het er als volgt uit:
Arnold bevestigde dit schema onmiddellijk. ‘Zo zit het Koos, een perfecte aardleiding toch?
Een perfecte elektrische aarde is nog geen RF-aarde
De gelijkstroom-weerstand van een aarde-leiding kan slechts een fractie van een ohm zijn. Diezelfde aardleiding kan voor RF-signalen een zeer hoge impedantie kennen van honderden of duizenden ohms. Dit verschijnsel veroorzaakt dat het moeilijk wordt om een effectieve RF-aarde te krijgen. M.a.w. toch geen RF-aarde in de shack.
Een lage gelijkstroom weerstand zegt niets over RF-impedantie!
Een perfecte elektrische aarde is nog niet altijd een goed HF/RF aarde. Om dat uit te leggen pakte ik mijn tweede plaatje erbij. Het punt is dat zo’n lange aardleiding als antenne straler kan gaan werken.
Die shack op zolder met tien meter aardleiding zou zo maar eens in resonantie kunnen zijn met de zendfrequentie. Maar ook als dat niet zo is kun je nog problemen hebben.
Eerst even het schema:
Die aardleiding is er niet voor niets. Hij dient om allerlei spanningen die niet nuttig zijn voor ons doel af te leiden naar aarde. En dat doet hij ook.
Kassie belazer
Zo zullen op allerlei plaatsen in onze installatie reflecties ontstaan als gevolg van niet optimale aanpassingen in het systeem. De grootste zondaar is hierbij ons antennesubsysteem. Ook als je met een antennetuner en een Balun of Unun een prachtige 1:1 op de SWR meter te zien hebt gekregen.
In de vorige eeuw noemden zendamateurs die Antennetuner een ‘Kassie belazer’. Die tuner zorgt wel voor een aanpassing richting zender maar richting antenne klopt er nog steeds niet veel van. Alleen ziet jouw zender dat niet meer.
Maar, waar het hier om gaat is dat er RF-signalen en staande golven op die aardleiding gaan voorkomen die naar aarde willen afvloeien. Daarvoor heb je dus een effectieve RF-aarde in de shack nodig.
De aardleiding is in resonantie c.q. werkt als antenne
Zoals je weet, een kring in resonantie heeft een hoge ingangsweerstand. De aardleiding van Arnold is waarschijnlijk op de 10meterband (golflengte) als ook op de 20 meter band (halve golflengte) en de 40 meterband (1/4 golflengte) in resonantie za in de shack een hoge impedantie tonen.
Het gevolg is een hoge RF-spanning op alle elementen in de shack die aan aarde zijn gekoppeld.
Arnold is sceptisch
Arnold is sceptisch als ik bovenstaande figuur heb toegelicht. Hij zegt letterlijk: ‘Leuk verhaal Koos maar ik zend al jaren uit en ik heb hier nog nooit eerder last van gehad. Er moet iets anders aan de hand zijn.’
Dat klopt, er is meer aan de hand
Antenne en aarde in een zendinrichting vormen samen een gesloten circuit voor RF stromen. Daarbij is de wet van Kirchoff aan de orde. Die wet zegt eenvoudig opgeschreven: de stroom die UIT een zender stroomt, moet ook INstromen in die zender.
De spanning die aan het aardpunt binnen de shack ontstaat is afhankelijk van een aantal punten:
- De mate van RF lekken in de hele keten van Microfoon tot antenne.
- Hebben we een gebalanceerde antenne of een ongebalanceerde antenne?
- De Impedantie van de aardleiding (ohmse weerstand plus reactieve weerstand). Bij hoge weerstand lage stroom en hoge spanning. Bij lage weerstand hoge stroom en lage spanning.
- Het vermogen van de zender.
Wat je ziet in deze opsomming is dat één punt is gewijzigd in de afgelopen tijd. Het vermogen van de zender bij Arnold is enorm vooruit gegaan namelijk van 5 watt naar 100 watt.
Even een rekensommetje
Je gaat het nut zien van RF-aarde in de shack
Even een rekensommetje om te zien wat dat grotere vermogen voor gevolgen heeft.
Laten we aannemen dat bij Arnolds zendfrequentie de impedantie van de aardleiding 2000 ohm is. Een waarde tussen de 1000 en 3000 ohm is in veel gevallen een plausibele schatting.
Het vermogen P= stroom I * spanning U. En U = I * weerstand R.
P is dus I2 * R. We weten P = 100 en we schatten R = 2000.
I2 is dan P/R = 0,05. I=√0,05 =0,223 Ampère.
De RF-spanning in de eindtrap en de antennekring van de zender is nu:
U = I * R = 0,223 * 2000 = 447V
Dat was bij de 5 watt zender niet aan de orde!
De spanning in de antennekring bij de zender van 5 watt kunnen we op dezelfde wijze berekenen en dan komen we uit op: 100V
Een fikse spanning maar die levert veel minder power en zal normaliter ook geen ‘prikkels’ veroorzaken en veel minder storingskansen in andere apparatuur.
De oplossingen voor geen RF-aarde in de shack
Er zijn meerdere oplossingsmogelijkheden. Laten we bij de eenvoudigste beginnen.
Het probleem dat we hier hebben geschetst doet zich vooral voor bij eind gevoede antennes. Bij die antennes is de aarde een essentieel onderdeel van het zendsysteem.
Toch geen RF-aarde in de shack bij VHF en UHF
Bij VHF en UHF-frequenties maakt de korte golflengte het mogelijk een dipool antenne te gebruiken. Hierbij is de antenne in balans en is een aarde voor de RF-straling veel minder van belang.
Toch geen RF-aarde in de shack en geen problemen
Toch geen RF-aarde in de shack zal voor velen van ons geen probleem zijn. Dat geldt voor luisteraars en voor zendamateurs die met lage vermogens werken of zendamateurs die zich richten op de VHF en UHF-banden.
Wil je meer vermogen toepassen, en dan bij voorkeur legaal en niet zoals Arnold illegaal, dan kun je aan de volgende twee oplossingen denken.
Toch geen RF-aarde in de shack als je vijfhoog of hoger woont
Woon je vijfhoog of hoger zet dan een schakelaar tussen je shack en de aarddraad. Ga je zenden zet dan die schakelaar uit maar hang een draad over het balkon (verzwaar het einde met een gewichtje). De lengte van die koperdraad is ¼ van de golflengte waarop je wilt zenden en sluit die draad aan op je centrale aardpunt.
Hiermee creëer je een tegengewicht aan de antenne, een kunstmatige RF-aarde. Je zou kunnen zeggen dat je op deze manier alsnog een soort van dipool antenne maakt.
Kun je niet voorkomen dat die draad bij benedenburen voor hun balkon hangt (naast het balkon over de blinde muur is aardiger) dan moet je dat even met hen afstemmen!
Let op 1!
Deze zogenaamde RF-aarddraad straalt energie uit. Apparatuur bij de benedenburen kan daardoor worden gestoord.
Let op 2!
Zend je niet uit zet dan die aardschakelaar weer aan zodat je shack elektrisch weer met aarde is verbonden.
Toch geen RF-aarde in de shack als je éénhoog of op zolder zit
De volgende oplossing heeft Arnold toegepast en om eerlijk te zijn, ik heb hem niet bedacht. Die eer komt de Amerikaan William Chesney toe.
William heeft deze vondst ergens begin deze eeuw toegepast en gepubliceerd. Die publicatie vond ik op Internet toen ik wat naspeuringen deed over Arnold’s probleem. Helaas is die publicatie van William over RF-aarde in de shack nu niet meer aanwezig 😢.
De figuur hieronder geeft aan hoe je die oplossing vormgeeft. De coaxkabel kan iedere willekeurige lengte bezitten. Een condensator van 10nF voldoet prima op de 10/11 meter band. Op de 80- of 160 meterband zul je richting 100nF gaan. Met die banden heb ik zelf nog geen ervaring. Dat moet je dus even uitproberen.
De werking van deze effectieve RF-aarde
Ik geef je een verklaring voor de werking van deze effectieve RF-aarde in de shack zoals die mij indertijd door William Chesney is aangereikt.
De aarddraad wordt omsloten door de coax afscherming waardoor er geen staande hoogspanningsgolven in deze draad kunnen ontstaan. In de afscherming kan echter wel een staande golf met hoge spanningen verschijnen.
Door de kortsluiting van de mantel met de kernader ter hoogte van de aardpen moet de spanning daar nul zijn. Aan de andere kant van de kabel, de kant die je openlaat zal de spanning dan wel hoog kunnen zijn.
De reactantie van de condensator die je hier tussen kernader en mantel aanbrengt is bij de gebruikte frequenties maar enkele ohms. Dus kan die mantelspanning via de condensator en de kernader wegvloeien naar aarde. Dankzij die lage wisselstroomweerstand van de condensator is de spanningsopbouw hier gering en slechts enkele volts.
Hoe hoger de frequentie waarop gewerkt wordt des te lager de spanning zal zijn die nog op het centrale aardpunt aanwezig is.
Vragen, reacties?
Altijd leuk om reacties van mede hobbyisten te krijgen. Hieronder kun je ze kwijt over RF-aarde in de shack.
-
Koos Overbeeke
Terug van RF-aarde in de shack naar De Radio Amateur Antenne & Aarde
