home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Antennas / Antennas_CD-ROM_Walnut_Creek_September_1996.iso / articles / tuneup / qrm.txt < prev    next >
Text File  |  1996-06-30  |  12KB  |  256 lines

  1. Preventing On-the-Air Tuneup QRM
  2.  
  3. R, P, Haviland, W4MB
  4.  
  5.  Amateurs have recently increased the practice of tuning
  6. up on the air, which has reached such a level that it's
  7. often impossible to work a DX station or participate in
  8. a net. Many tune-up signals are weak, but others are far
  9. stronger than the desired signal. Such practices are not
  10. only annoying, they're also illegal. An excerpt from the
  11. International Telecommunications Union regulations
  12. (693) states in part "All stations are forbidden to carry
  13. out ... unnecessary transmissions... the transmission
  14. of superfluous signals and correspondence . . . (and) the
  15. transmission of signals without identification. "
  16.  
  17.  Observation and inquiry show that three factors are
  18. involved in the development of on-the-air tune up prac-
  19. tices: the characteristics of modern transmitting equip
  20. ment, lack of knowledge about corrective steps, and the
  21. "me first" approach too common today. This article is
  22. devoted to the second factor, corrective steps, with some
  23. discussion of the reasons why they are necessary.
  24.  
  25.  One of the characteristics of many modern commer-
  26. cially built exciters, transceivers. and linear amplifiers is
  27. that they lack dial scales. Some may have a mark at 9.
  28. 12. and 3 o'clock, or even at every hour position, but
  29. many are blank. As a result, it's almost impossible to
  30. preset operating controls with any degree of accuracy.
  31. The only way to obtain proper performance is to tune
  32. up with reference to meter readings. Since amateurs
  33. want full output, it's no wonder that on-the-air tuneup
  34. has become so common.
  35.  
  36.  The solution to this problem is simple -- install useful
  37. dials. Here, useful means a dial that can be read to about
  38. one degree of are or so. It certainly means one that's
  39. large enough to get your fingers on, is easy to read, and
  40. has no backlash. For many controls it also means a
  41. vernier knob.
  42.  
  43.  Most users of commercially built equipment have put
  44. up with the lack of useful dials from fear of spoiling
  45. equipment resale value. This shouldn't be a worry, be-
  46. cause it isn't necessary to change appearance, drill holes.
  47. or take other steps that will reduce resale value. Also no
  48. great amount of work is necessary. On most transmitters
  49. or amplifiers only three controls are involved: typically
  50. drive, tune and load. A couple of hours of work should
  51. take care of most cases.
  52.  
  53.  The simplest approach is to remove the old knobs and
  54. replace them with dials having calibration marks close
  55. enough to be useful, typically 0-100 over an arc of 180
  56. degrees. Many styles are available in junk boxes, surplus
  57. outlets, and stores. However, it's difficult to find small
  58. dials with the necessary calibrations. If you're fortunate
  59. enough to obtain such dials, put the removed knobs in a
  60. cloth bag and tie it inside the equipment where it won't
  61. get lost. This saves no end of trouble when it's time to
  62. sell or trade.
  63.  
  64.  Another simple approach is to install a calibrated dial
  65. plate under the control mounting nut. These plates were
  66. common for many years but are scarce now. They can
  67. be made using dry-transfer kits similar to those for
  68. lettering, or the center portion of a piece of polar graph
  69. paper, suitably lettered, can be used to give calibrations
  70. each 2 degrees. Dial plates can also be hand drawn. Best
  71. appearance is obtained by making the drawing several
  72. times full scale then reducing it photographically.
  73.  
  74.  Both these methods have one disadvantage: they
  75. don't have vernier action. Small vernier dials are usually
  76. available from Radio Shack, Olson or Lafayette in 1'/2. 2,
  77. and 3 inch (3.8, 5.1, and 7.6cm) sizes. These dials can be
  78. mounted on a false panel section using countersunk
  79. screws. The assembly can be held in place by the control
  80. nut or by an adjacent nut as shown in Fig.1 by bending
  81. around the edge of the panel, or by a drilled hole hidden
  82. by the original knob. OST's "Hints and Kinks" contain
  83. other mounting ideas.
  84.  
  85.  Another method, which involves considerable work
  86. but which offers the opportunity to obtain a "custom
  87. station," is to make a complete dummy front panel.
  88. Custom features such as combinations of equipment,
  89. special lettering. engraved calls, and so on can be had by
  90. this method. It's a good method for organizing the clut-
  91. ter of auxiliary controls that most stations accumulate.
  92. Whatever the method used, an additional item needed is
  93. a setting log or card giving the proper setting of each
  94. control for each preferred frequency or for band seg-
  95. ments on the low frequencies and bands on the high
  96. frequencies. Plastic envelopes are convenient for these
  97. logs.
  98.  
  99. Antenna Tuner
  100.  
  101.   The ability to return to a known dial setting is a big
  102. help but doesn't fully compensate for another character-
  103. istic of modern transmitters and amplifiers, the fact that
  104. they're designed to work into a 50-ohm load with an swr
  105. no greater than 2:1. An easy way to see how restrictive
  106. this can be is to consider the effect of antenna Q. The Q
  107. will be around 70 for a typical close-spaced Yagi on 7
  108. MHz. The response will be nominally within 3 dB for a
  109. change of +/-50 kHz. However, the Q response curve must
  110. be multiplied by a factor, k, which takes into account
  111. the allowable swr. The way this factor varies with swr is
  112. shown in Fig. 2. The maximum range of transmitter
  113. adjustment is used up with a frequency change of only
  114. +/-37 kHz. Even with low-Q antennas such as a wide-
  115. spaced Yagi with a Q of around 7, where the transmitter
  116. adjustment range covers 350 kHz or so, there will be
  117. measurable difference in transmitter performance with a
  118. frequency shift of 30 kHz. No wonder on-the-air tuneup
  119. has become so common!
  120.  
  121.   If we look at the reason for this, we find that the
  122. culprit is the reactance caused by operating away from
  123. resonance. For example. the resistance and reactance
  124. values for a typical dipole are shown in table 1. For a
  125. one-per cent change in frequency, (70 kHz at 7 MHz).
  126. the radiation resistance changes by about 6 ohms, or less
  127. than ten per cent. The reactance change is over six times
  128. as large numerically.
  129.  
  130.  The solution to the problem introduced by this reac-
  131. tance change is simple - use an antenna tuner. Further-
  132. more, since antenna reactance causes most of the swr
  133. change. we can use a single variable element. The other
  134. antenna tuner elements can be fixed. The improvement
  135. possible by this reactance control method is evident
  136. from Fig. 3. The upper curve is the swr expected with a
  137. typical wire dipole fed with a 50-ohm line. The swr
  138. reaches 2:1 for a one-per cent change in frequency. By
  139. simply cancelling the reactance, the swr seen by the
  140. transmitter changes to the lower curve. Its minimum swr
  141. is now lower, reaching 1.0; and 2:1 is reached only after
  142. a 5 1/2 per cent frequency change. Note that the minimum
  143. swr occurs at a "different frequency as far as the trans-
  144. mitter is concerned. Note also that the swr on the line
  145. does not change: it reaches about 7:1, causing increased
  146. voltage across the line, which may cause breakdown with
  147. small line and high power. The high swr also causes a
  148. small increase in line loss, usually entirely negligible. The
  149. gain in frequency flexibility is far more important than
  150. these small problems.
  151.  
  152.  The easiest way I've found to attain this single con-
  153. trol action is shown in Fig. 4. The pi network is conven-
  154. tional, with the arms continuously adjustable. The dif-
  155. ference is in its use. L, C1 and C2 are preset to the band
  156. used and only C1 varied as frequency is shifted within
  157. the band. The indication for proper adjustment is a zero
  158. reading on the reflected power meter, which is an ARRL
  159. Handbook meter with only the reflected power ele-
  160. ments connected. C1 is first preset to the table value, then
  161. adjusted as required when transmission begins. For a
  162. matched load, proper adjustment occurs with the reac-
  163. tance of each arm equal to the line impedance. This also
  164. gives the element values for a switched arm network.
  165.  
  166. Dummy Loads
  167.  
  168.  Good dials and a single-control matching unit are a
  169. big help in solving the tune-up problem, but it's still
  170. comforting to know that everything is tuned up on the
  171. nose. We can have this capability without radiating by
  172. adding another element - a dummy antenna automat-
  173. ically inserted into the transmitter output when the
  174. transmitter tune control is activated. A circuit for this is
  175. shown in Fig. 5. The diodes prevent interaction between
  176. the external relay and the internal circuits. The switch
  177. allows the test signal to be radiated, primarily to deter-
  178. mine initial matching network settings.
  179.  
  180.  The dummy antenna can be a commercial or kit unit.
  181. but the large units rated at 1 kW are not needed in this
  182. service provided that tuneup is held to the few seconds
  183. needed to touch up preset controls. A dummy antenna
  184. isn't hard to build; the basic components are a handful
  185. of resistors. The following discussion is based on use of
  186. Allen-Bradley resistors. Units of other manufacture may
  187. be satisfactory, but the rating values should be secured
  188. from the manufacturer.
  189.  
  190.  A 2-watt A-B resistor of the twenty-per cent series is
  191. rated for a continuous load of 2 watts for 100,000 hours
  192. when the resistor is mounted with 1 inch (2.5cm) leads
  193. and has a body temperature of 212 F (100 C): this
  194. occurs when the ambient is 122 F (50 C). The life rat-
  195. ing increases by a factor of ten for a 122 F (50 C)
  196. reduction in body temperature. The allowable load in-
  197. creases by 40 per cent for a 10:1 reduction in life. For
  198. short-term loads the resistors, for the same mounting,
  199. ambient and life, are rated at 44 watt-seconds; i.e., 44
  200. watts for one second.
  201.   Suppose one of these resistors is used as a dummy
  202. antenna for a five-second tune-up checks. Over a ten-
  203. year period, if used ten times a day, the load would be
  204. applied for about 50 hours total. Since the required life
  205. under load is so short, the load can be increased accord-
  206. ingly. Also, the resistor body temperature can be
  207. decreased by mounting the resistor on heavy fins that
  208. touch the ends of the body and by immersing the fins
  209. and resistors in cooling oil. The body temperature will
  210. then be essentially ambient, certainly no greater than
  211. 122 F (50 C).
  212.  
  213.  As a result of these steps, the power input can be
  214. increased by 1.4 times for the reduction in temperature.
  215. and 1.44^4 times for the acceptable reduction in life, or by
  216. 5.35 times. The rating is now 10.6 watts continuous, or
  217. 47 watts for five seconds. Ten 510-ohm resistors in
  218. parallel will dissipate 470 watts for five seconds; easily
  219. full output for a 600-watt-input transmitter of the type
  220. that runs at full output on tune, and ample for a 1 kW
  221. unit that tunes at 50 per cent of full output. Forty resis-
  222. tors will handle a maximum legal input transmitter.
  223.  
  224.  A dummy load designed in this fashion is shown in
  225. the photo, Fig A. The container is a one-quart paint can. Fins
  226. are copper. The 2-watt resistors are separated by three
  227. body diameters in each direction, and are staggered for
  228. good oil circulation. The cooling oil is light mineral oil,
  229. but transformer oil or hydraulic fluid are usable; mineral
  230. oil is odor and stain free. The unit shown is eight years
  231. old and has been used for tests up to 30-seconds dura-
  232. tion with a 500-watt-input transmitter, repeated until
  233. the can became quite warm. Actually the rating method
  234. above seems to be quite conservative, since the change in
  235. resistance in this period has been much less than the
  236. 10-20 per cent expected.
  237.  
  238. Now it is up to the operator
  239.  
  240.   With these three aids in place it's now possible to get
  241. on the air, correctly tuned up, without causing the
  242. slightest interference. The steps are:
  243.  
  244. 1. Set the exciter, final amplifier and tuning dials to the
  245. logged settings for the band.
  246.  
  247. 2. Activate the tune control, placing the transmitter on
  248. the dummy antenna, and touch up the tuning if readings
  249. aren't normal.
  250.  
  251. 3. Start transmitting, observing the antenna tuner re-
  252. flected-power meter; adjust the antenna tuner if needed.
  253.  
  254. These steps will result in the maximum possible signal
  255. and will also make life more pleasant for others on the
  256. channel.