home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ World of Ham Radio 1997 / WOHR97_AmSoft_(1997-02-01).iso / antenna / ant_26 / amsoft.iii next >
Text File  |  1997-02-01  |  24KB  |  529 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.                          Documentation for TL.EXE Program
  5.                             Ver. 3.09, Jan 24, 1996
  6.                              by R. Dean Straw, N6BV
  7.                      Senior Assistant Technical Editor, ARRL
  8.  
  9.         OVERVIEW
  10.  
  11.            [Note: Version 3.09 fixed a silly little bug computing the
  12.         voltage maximum point along a mismatched transmission line.
  13.         Version 3.08 added the ability to change the unloaded Qc of the
  14.         capacitors in the tuning networks. Beyond Version 3.06, the
  15.         voltage ratings for some cables were revised per Belden's latest
  16.         catalog.]
  17.  
  18.            "TL" is short for "Transmission Line." The TL program has been
  19.         under development, intermittently, for about 7 years. It started
  20.         out as a small, personal utility to analyze my own antenna and
  21.         feed-line system. Over the years, friends and associates asked
  22.         for new features; I also added a number of capabilities on my
  23.         own. Gradually, TL grew larger and larger, so that now there are
  24.         more than 2400 lines of code in the program. TL also got
  25.         complicated enough that I decided I had better add a
  26.         documentation file to go along it!
  27.  
  28.            TL has a lot of capabilities. The original purpose was simply
  29.         to determine the impedance at the shack-end of a transmission
  30.         line terminated with a complex load impedance. Modern Method-of-
  31.         Moment programs like NEC can accurately compute the feed-point
  32.         impedance of an antenna over actual ground. Essentially, TL
  33.         allowed me to continue the antenna analysis down into the shack.
  34.  
  35.            TL uses the hyperbolic Transmission Line Equation to compute
  36.         the line input impedance. To do that, it needs the type of line
  37.         (coax RG type or open-wire type), the physical length of the
  38.         line, and the frequency of operation. TL also determines the
  39.         losses on the line, separated into two components: the inherent
  40.         matched-line loss, and the additional loss due to SWR when the
  41.         load is not equal to Z0 of the line.
  42.  
  43.            About four years ago, I added the ability to picture various
  44.         antenna tuner configurations that could be used to transform the
  45.         impedance at the input end of a transmission line to 50 ohms.
  46.         This was for "perfect" components without any losses.
  47.  
  48.            About two years after that addition, I worked extensively with
  49.         Don Patterson, KK6JI. I thus became curious about the sort of
  50.         stresses the line is subject to under various load conditions. So
  51.         I added a search for the maximum RMS voltage along the line, in 1
  52.         degree increments. (For your information, the highest voltage
  53.         will usually be near the load end of a line terminated in a
  54.         highly reactive load impedance.)
  55.  
  56.            TL stabilized for awhile in this configuration, until Frank
  57.         Witt, AI1H, started investigating the losses in various antenna
  58.         tuner configurations. Frank had developed an elegant approach to
  59.  
  60.  
  61.                                        1
  62.  
  63.  
  64.  
  65.  
  66.  
  67.  
  68.  
  69.  
  70.         measuring real tuners using simple instrumentation. While Frank
  71.         had used TL to rapidly evaluate numerous test cases, he wanted
  72.         more information. He persuaded me to expand the program (to about
  73.         double its original size) to add iterative search algorithms. TL
  74.         could thus determine explicitly the losses in the various
  75.         components making up real antenna tuners.
  76.  
  77.         CAVEATS
  78.  
  79.            I must caution you at this point. TL displays results out to
  80.         two, or even three, decimal places. Internally, computations are
  81.         carried out to even more decimal places, of course. In the real
  82.         world, the one factor that varies the most in actual transmission
  83.         lines is the Velocity Factor. This may easily vary plus or minus
  84.         10% for typical lines -- in fact, the velocity factor may even
  85.         vary slightly for two pieces of cable cut from the same bulk
  86.         roll! Along with the Velocity Factor, the exact value for the
  87.         characteristic impedance Z0 also varies.
  88.  
  89.            TL will give you a good indication of what you can expect in
  90.         the real world, but only plus or minus the velocity factor and
  91.         the actual impedance at the antenna feed point! Please remember:
  92.         TL is fundamentally an educational tool. It can also be used very
  93.         effectively as a design tool, provided that you know the exact
  94.         parameters of your transmission lines and your antennas. If TL
  95.         helps open your eyes about transmission lines and antenna tuners,
  96.         particularly the losses associated with each, then I will have
  97.         achieved my goal in writing it.
  98.  
  99.            TL will complete a computation in a fraction of a second on a
  100.         powerful modern microcomputer, like the 80486DX/33MHz machine I
  101.         am using now to write this documentation file. It takes about
  102.         five seconds to work on an ancient 8088-based 4.77 MHz PC, with
  103.         an 8087 numeric coprocessor installed. Roughly the same amount of
  104.         time is needed for a 33 MHz 80486SX computer (without numeric
  105.         coprocessor.) TL employs a lot of heavy-duty math, so a numeric
  106.         coprocessor is very desirable.
  107.  
  108.            The program is entirely character-based for output display.
  109.         Hence any IBM-PC compatible computer will work with TL. Hitting
  110.         [Shift] [Print Screen] will print out a TL screen on any printer
  111.         that recognizes the 8-bit IBM character set.
  112.  
  113.         USING TL
  114.  
  115.            TL is menu-driven and is reasonably "friendly." However, I
  116.         must assume that the user has some technical knowledge about
  117.         transmission lines and antenna tuners. The user must be familiar
  118.         with the so-called rectangular representation of complex
  119.         impedance, in the form Za = Ra +/- j Xa. Later in this file there
  120.         is a table of typical impedance data for several types of
  121.         antennas. You can use this data with TL to model realistic
  122.         situations.
  123.  
  124.            You boot up TL once you have gotten into the subdirectory
  125.  
  126.  
  127.                                        2
  128.  
  129.  
  130.  
  131.  
  132.  
  133.  
  134.  
  135.  
  136.         containing TL.EXE, the executable file, using the CD [change
  137.         directory] command in DOS. Once there, Type:
  138.  
  139.               TL [Enter]
  140.  
  141.            The opening screen shows a menu of the various types of
  142.         transmission lines TL models. The first eight choices are
  143.         flexible coaxial cables, with "RG" designations. Choices 9
  144.         through 12 are Hardline coaxial cables. Choices 13 and 15 are for
  145.         two-wire balanced transmission lines, such as 300-ohm transmit-
  146.         ting line, 450-ohm "window ladder line" or 600-ohm wire line.
  147.  
  148.            Choice number 16 is for "other" transmission lines not found
  149.         on the main menu. For this choice, the user manually enters the
  150.         characteristic impedance (both resistive and reactive parts), the
  151.         matched-line loss (in dB/100 feet), the velocity factor and the
  152.         maximum rms voltage for which the line is rated by its
  153.         manufacturer.
  154.  
  155.            Choices 1 through 15 use the parameters listed in Chapter 24
  156.         of The ARRL Antenna Book, including the values for matched-line
  157.         attenuation versus frequency, found in Fig 22, on page 24-16.
  158.         (Note that the matched-line loss for 450-ohm "window" ladder line
  159.         has been revised to have the same slope as #12 open-wire line,
  160.         from the second printing of the 17th Edition. TL reflects that
  161.         change.)
  162.  
  163.            If you merely hit the [Enter] key, TL will select the default
  164.         value of "4," meaning RG-8A/RG-213, 50-ohm cable solid-dielectric
  165.         cable. In most data entry points in TL, there is a default value,
  166.         indicated by square brackets; e.g., [4] in the main menu.
  167.  
  168.            TL will then prompt you for the length of the transmission
  169.         line, in feet. The default value is zero feet -- this is useful
  170.         when evaluating antenna tuners by themselves, without an
  171.         intervening transmission line between the tuner and the load.
  172.         Just hit [Enter].
  173.  
  174.            Next, you will be prompted for the operating frequency, in
  175.         MHz. The default is 3.5 MHz, simply by hitting the [Enter] key
  176.         without entering anything else. You can enter any frequency as
  177.         high as 5000 MHz (5 GHz), or as low as 0.002 MHz (20 kHz). After
  178.         you hit [Enter], TL will compute and display the matched-line
  179.         loss for the chosen line. The matched-line loss is for a load
  180.         equal to the characteristic impedance of the particular
  181.         transmission line chosen, for the length of line and the
  182.         frequency chosen.
  183.  
  184.            Next, TL will prompt you to enter the resistive part of the
  185.         load impedance, in ohms. If you don't enter a number, but simply
  186.         hit the [Enter] key, TL will automatically enter a resistive
  187.         value of 0.00001 ohms. It doesn't enter zero ohms, because that
  188.         would result in embarrassing "divide by zero" problems later on.
  189.  
  190.            After you hit [Enter] for the resistive part of the load
  191.  
  192.  
  193.                                        3
  194.  
  195.  
  196.  
  197.  
  198.  
  199.  
  200.  
  201.  
  202.         impedance, you will then be prompted to enter the reactive part
  203.         of the load, again in ohms. Note that a capacitive reactance must
  204.         be preceded with a "-" (minus) sign. An inductive reactance need
  205.         not be preceded with a "+" (plus) sign, although you may enter
  206.         one if you wish. Merely hitting [Enter] will enter a reactance of
  207.         zero ohms.
  208.  
  209.            After you finish specifying the impedance, TL will do its
  210.         computations. It will present you with a screen showing the
  211.         information you entered, plus the SWR at the load, followed by
  212.         the SWR at the input of the transmission line. In general, the
  213.         two SWRs will be different. If the line is very lossy or the SWR
  214.         at the load is very high, the difference between the two SWR
  215.         values may be great, with the lower value at the input of the
  216.         line. Measuring the SWR at the input of a lossy line with a high
  217.         SWR at the load will mask the magnitude of the SWR at the end of
  218.         that line, and may possibly lull you into complacency as you
  219.         measure the SWR in the shack.
  220.  
  221.            The next line on-screen shows the additional loss in the line
  222.         due to the SWR at the load, followed by a line showing the sum of
  223.         the matched-line loss and the additional loss due to SWR. This is
  224.         the total loss in the transmission line. The power computations
  225.         are based on a power of 1500 W at the input of the transmission
  226.         line. (I tacitly assume at this point that there is a lossless
  227.         antenna tuner to match the line's input impedance to the 50 ohms
  228.         needed by a typical transmitter.)
  229.  
  230.            TL also displays the transformed impedance at the input of the
  231.         transmission line, both in rectangular (R +/- jX ohms) and polar
  232.         coordinates (magnitude in ohms, phase angle in degrees). For
  233.         1,500 W of rf into the input of the line, the maximum RMS voltage
  234.         along the line is displayed, along with the distance from the
  235.         load where the peak voltage occurs. Note that transmission lines
  236.         are rated by their manufacturers in terms of RMS voltage. TL
  237.         displays the rms voltage rating for the particular transmission
  238.         line chosen, for comparison. At the bottom of the screen is a
  239.         prompt to choose the next action -- the default is [T], for
  240.         antenna Tuner.
  241.  
  242.         EVALUATING ANTENNA TUNER CONFIGURATIONS
  243.  
  244.            If you select either "T" or [Enter], TL will erase the screen
  245.         and then display the Antenna Tuners menu. You can select one of
  246.         four different configurations:
  247.  
  248.            1 = Low-Pass L-Network
  249.            2 = High-Pass L-Network
  250.            3 = Pi-Network
  251.            4 = Tee-Network
  252.  
  253.            You can also exit from this menu back to either the main menu
  254.         or back to DOS if you like, by selecting "M" or "X" respectively.
  255.         Choose one of the antenna-tuner configurations. If you choose
  256.         either the pi-network or tee-network antenna tuners, you will be
  257.  
  258.  
  259.                                        4
  260.  
  261.  
  262.  
  263.  
  264.  
  265.  
  266.  
  267.  
  268.         prompted to enter the value, in pF, of the output capacitor in
  269.         the network. For the pi-network the default value is 500 pF, and
  270.         for the tee-network the default value is 100 pF.
  271.  
  272.            Once you have entered the necessary information, TL will
  273.         compute the values needed to transform the impedance at the
  274.         antenna tuner output to 50 ohms. If the chosen network
  275.         configuration cannot perform the desired transformation, an
  276.         audible alarm will sound, and TL will recommend another network
  277.         or another output capacitor value to try.
  278.  
  279.            The inductor is usually, but not always, the most lossy
  280.         component in an antenna tuner. TL assumes a default value for
  281.         unloaded Q of 200 for an inductor, a typical value for a
  282.         practical inductor mounted in a metal case.
  283.  
  284.            The model for a lossy inductor is an inductive reactance in
  285.         series with a loss resistance. For example, if the unloaded Q is
  286.         200 and the inductive reactance at the chosen frequency is +400
  287.         ohms, then the loss resistance is 2 ohms in series with the +400
  288.         ohms reactance.
  289.  
  290.            TL assumes that the unloaded Q for any capacitor in the
  291.         antenna tuner is 1000. Again, the model for a lossy capacitor is
  292.         the capacitive reactance in series with a small loss resistance.
  293.         The default value of unloaded Q = 1000 for a capacitor is typical
  294.         of transmitting variable capacitors.
  295.  
  296.            The operator can modify the unloaded Q value for both the
  297.         inductors and capacitors in a tuner, using the "Q" prompt from
  298.         one of the screens showing a schematic antenna-tuner
  299.         representation. The unloaded Q values chosen will remain for
  300.         subsequent network computations.
  301.  
  302.         THE ANTENNA TUNER SCREEN
  303.  
  304.            Examine the antenna tuner screen carefully -- a lot of
  305.         information is displayed there! At the top of the display, there
  306.         is a summary of the transmission line parameters chosen: the
  307.         frequency, the type of line, and the length of the line. On the
  308.         next line the impedance at the input of the line is displayed, in
  309.         rectangular and polar forms. This is the impedance presented to
  310.         the antenna tuner to be transformed to 50 ohms.
  311.  
  312.            Then TL shows something called the "Highest effective network
  313.         Q," also known commonly as the "loaded Q" of a network. This is
  314.         the highest Q in the network, at the specified load impedance,
  315.         and is an indication of how "touchy" the tuning will be. The
  316.         higher the effective network Q, the more carefully you must tune
  317.         the variable capacitor(s) and/or variable inductor in the tuner
  318.         in order to achieve the desired transformation to 50 ohms.
  319.  
  320.            The loss in an antenna tuner is also closely related to the
  321.         effective network Q -- the higher the effective network Q, the
  322.         higher will be the loss. Efficiency in an L-C network is defined
  323.  
  324.  
  325.                                        5
  326.  
  327.  
  328.  
  329.  
  330.  
  331.  
  332.  
  333.  
  334.         as:
  335.  
  336.            Efficiency (%) = 100 x (1 - (QL/QU))
  337.  
  338.            where QL is the loaded Q, and QU is the unloaded Q of the
  339.         network components. See page 13.7 of the 1995 ARRL Handbook for
  340.         more details on this subject.
  341.  
  342.            For a given network loaded Q ("effective network Q" in TL),
  343.         components with higher unloaded Qs will result in lower tuner
  344.         losses. This makes intuitive sense, especially if you recall that
  345.         "Q" stands for "Quality Factor," and higher unloaded Qs mean
  346.         higher quality, less lossy components.
  347.  
  348.         TUNER LOSSES, DETAILS
  349.  
  350.            Examine the line showing the estimated power loss in the
  351.         tuner. The loss shown is for an rf input to the tuner of 1,500 W,
  352.         the full Amateur legal limit. The loss is expressed in watts, in
  353.         dB, and also as a percentage of the 1,500 W at the input. For
  354.         example, a particular tuner configuration might lose 114 W out of
  355.         the 1,500 W put into it, yielding a loss of 0.34 dB, or 7.44% of
  356.         the input power. If the input to the tuner is 100 W, rather than
  357.         1,500 W, the loss would still be 0.34 dB, or 7.44% of 100 W =
  358.         7.44 W.
  359.  
  360.            The next line on-screen summarizes the amount of loss in the
  361.         transmission line itself, plus the total loss in the line and the
  362.         antenna tuner, both expressed in dB.
  363.  
  364.         STRESSING THE TUNER
  365.  
  366.            Now examine carefully the table for the individual components
  367.         in the antenna tuner. The reactances for each element are shown
  368.         first, followed by the peak voltage, the RMS current, and the
  369.         power lost. Each is computed for 1,500 W of power. For lower
  370.         power levels, multiply the voltages and currents by the square
  371.         root of the ratio of power in use divided by 1500. For example,
  372.         if the power into the tuner is 100 W:
  373.  
  374.            Multiplying factor = Square Root (100/1500) = 0.2582
  375.  
  376.            Note that the voltage shown by TL is the peak voltage across
  377.         each component. Pardon the pun, but this is potentially a little
  378.         confusing, especially where a series element is concerned. What
  379.         is shown is not the voltage from the element to "ground" (the
  380.         common terminal); it is the voltage across the component itself.
  381.         In addition, the current shown is that flowing through each
  382.         component.
  383.  
  384.            Look carefully at the on-screen schematic. Note that the
  385.         impedance actually seen at the output terminals of the tuner is
  386.         listed towards the top of the screen, not on the schematic
  387.         itself, due to lack of space. The load impedance at the end of
  388.         the transmission line is shown schematically, preceded by
  389.  
  390.  
  391.                                        6
  392.  
  393.  
  394.  
  395.  
  396.  
  397.  
  398.  
  399.  
  400.         squiggly lines that symbolize the intervening transmission line.
  401.  
  402.            Exceeding the peak voltage rating across any component in a
  403.         tuner will probably cause an arc. Exceeding the current-carrying
  404.         ability for a component will often result in smoke, due to the
  405.         excessive amount of power dissipated in that element! The
  406.         inductor in a tuner will sometimes melt because of excess power
  407.         dissipation.
  408.  
  409.            This occurs most frequently with low-resistive loads, with or
  410.         without a high reactive component. For example, you can simulate
  411.         a stressful situation by specifying a load impedance of 3 + j0 at
  412.         3.5 MHz, for a tee-network configuration having a 100 pF output
  413.         capacitor. The shunt inductor will not only have to withstand
  414.         more than 6000 V peak, but worse yet, it will have to dissipate
  415.         almost 700 W of power at more than 20 A of circulating current!
  416.         Toasted coil, if it doesn't arc first.
  417.  
  418.            TL allows you to play around with various impedances, unloaded
  419.         Qs and different network configurations, without having to endure
  420.         the smoke and arcing that occurs in many tuners, even ones
  421.         supposedly rated to handle a "full gallon" of rf. Now, for fun,
  422.         increase the size of the output capacitor in the tee-network
  423.         and/or increase the unloaded Q of the inductor or the capacitors
  424.         to help unstress the beleaguered antenna tuner in the example
  425.         above -- or change to a lower-loss configuration than the tee-
  426.         network.
  427.  
  428.            Now, let's try something really dramatic. At a frequency of
  429.         3.5 MHZ, enter a value of 0.00001 ohms for the resistive part of
  430.         the load, with a reactance of zero ohms. Then select the Tee
  431.         network, with an output series capacitor of 100 pF. The tuner
  432.         will absorb all 1500 W of input power -- in other words it tunes
  433.         up into itself with a short at the output!
  434.  
  435.            In general, L-networks will exhibit the least loss among the
  436.         various network configurations, but they often require awkward
  437.         values for inductance and capacitance. The tee-network configura-
  438.         tion is often used because it can accommodate a wide range of
  439.         impedances with practical values of variable capacitors and
  440.         inductors, albeit with sometimes disastrous internal losses. The
  441.         pi-network configuration is flexible, but it too will often
  442.         require very large values for the shunt capacitors.
  443.  
  444.            Another hint: from the screen showing the SWRs and losses in
  445.         the transmission line, you may bypass the antenna tuner
  446.         configuration menu by choosing directly "1", "2", "3" or "4",
  447.         corresponding to the number of the desired antenna tuner network,
  448.         followed by [Enter]. TL will then prompt you for the next piece
  449.         of information needed.
  450.  
  451.  
  452.  
  453.  
  454.  
  455.  
  456.  
  457.                                        7
  458.  
  459.  
  460.  
  461.  
  462.  
  463.  
  464.  
  465.  
  466.         SAMPLE TEST DATA
  467.  
  468.         100-foot long, center-fed dipole, 50 feet over ground with
  469.         dielectric constant (relative permittivity) of 13, conductivity
  470.         of 5 mS/m. Computed by NEC2 for flat-top configuration.
  471.  
  472.         Freq.          Feedpoint
  473.         MHz            Impedance
  474.         ----------------------------------
  475.         1.83 MHz       4.5  - j 1673 ohms
  476.         3.8 MHz         39  - j  362 ohms
  477.         7.1 MHz        481  + j  964 ohms
  478.         10.1 MHz      2584  - j 3292 ohms
  479.         14.1 MHz        85  - j  123 ohms
  480.         18.1 MHz      2097  + j 1552 ohms
  481.         21.1 MHz       345  - j 1073 ohms
  482.         24.9 MHz       202  + j  367 ohms
  483.         28.4 MHz      2493  - j 1375 ohms
  484.  
  485.  
  486.         66-foot long, center-fed inverted-V dipole, apex at 50 feet high
  487.         over ground with dielectric constant of 13, conductivity of 5
  488.         mS/m.
  489.  
  490.         Freq.          Feedpoint
  491.         MHz            Impedance
  492.         -----------------------------------
  493.         1.83 MHz        1.6  - j 2257 ohms
  494.         3.8  MHz       10.3  - j  879 ohms
  495.         7.1  MHz       64.8  - j 40.6 ohms
  496.         10.1 MHz       21.6  + j  648 ohms
  497.         14.1 MHz       5287  - j 1310 ohms
  498.         18.1 MHz        198  - j  820 ohms
  499.         21.1 MHz        103  - j  181 ohms
  500.         24.9 MHz        269  + j  570 ohms
  501.         28.4 MHz       3089  + j  774 ohms
  502.  
  503.  
  504.         FEEDBACK, PLEASE
  505.  
  506.            This is where TL stands. In a very complex program like this,
  507.         I'm sure people will find bugs. I'd really appreciate detailed
  508.         feedback concerning any problems found. My e-mail address at ARRL
  509.         HQ is rdstraw@arrl.org or by CompuServe: 73063,773.
  510.  
  511.  
  512.  
  513.  
  514.  
  515.  
  516.  
  517.  
  518.  
  519.  
  520.  
  521.  
  522.  
  523.                                        8
  524.  
  525.  
  526.  
  527.  
  528.  
  529.