Kapacitans är helt klart nyckeln

Kapacitans är bara en del av den. Gamma-matchningen i din fråga är tre saker:

1. En slags vikad dipol, som utför en impedansstegring
2. En parallell kortsluten överföringsledstub, som ger shuntinduktans
3. En seriekapacitans

En ekvivalent krets är:

^{simulera detta krets - Schematisk skapad med CircuitLab}

Så låt oss säga att vi har en antenn med en matningspunktimpedans på $ (15 + j0) \ Omega $. På ett Smith-diagram har vi detta:

Vårt mål är att flytta den punkten till mitten av cirkeln. Hur åstadkommer en gammamatchning det?

typ av en vikad dipol

Den första punkten är förmodligen den svåraste att förstå. Tänk på att i en vikad dipol är impedansen fyra gånger högre än för en vanlig dipol eftersom antennströmmen flyter i båda benen på dipolen, men bara hälften av den i benet där matningspunkten är. Eftersom ström halveras medan strålningsmotståndet i princip är oförändrat, fyrdubblas impedansen.

Tänk nu på gammamatchen: samma tillstånd existerar. En del av strömmen flyter genom huvudantennelementet och en del genom gammafältet, och detta ger samma typ av impedansstegring. Faktum är att om du flyttar kortslutningsremmen hela änden till antennens ände är det exakt en vikad dipol.

Vanligtvis är gammamatchen konstruerad för att ge ett ännu mer än 4: 1 impedanssteg -upp. Genom att göra gammafältet mindre än huvudelementet tar gammafältet en ännu mindre del av den totala strömmen. Ännu mindre ström innebär en högre impedansomvandling.

När det gäller motsvarande krets påverkar gammastavens storlek där autotransformatorn som bildas av L1 och L2 tappas. Här är effekten på Smith-diagrammet:

en parallell kortsluten överföringsledning

Gammafältet som löper parallellt med antennelementet utgör en överföringsledning med två avledningar. Det är kortsluten stubbe och mindre än $ \ lambda / 4 $ lång, så det ser ut som en induktor. Positionen på kortslutningsfältet bestämmer induktansen, värdet på L1 + L2 i motsvarande krets ovan.

Om kortslutningsstången flyttas hela vägen till antennens ände, då susceptans är noll och har ingen inverkan på matningspunktimpedansen. När kortslutningen flyttas närmare matningspunkten, gör den känsligheten större, som om L1 + L2 skulle bli mindre induktorer.

Med parallell induktans tillsatt ser vårt Smith-diagram ut så här:

en seriekapacitans

Kondensatorn bildas av aluminiumröret med gammastaven inuti, isolerad av plast. Detta är en valfri funktion i gammamatchen, och den är inte alltid närvarande eller konfigurerad exakt på detta sätt. Men med det kan vi göra detta:

Uppdraget fullbordat.

Som konfigurerat bildar C1 och L1 + L2 en nedåtgående L nätverk. Det är också möjligt att trimma antennen för att vara lite kort, i vilket fall den kommer att ge viss kapacitans, men på andra sidan av induktansen. I det här fallet får du ett steg-upp-L-nätverk.

Eftersom antennen också kan ställas in för att vara exakt resonant (presentera en rent resistiv matningspunktimpedans) behöver du inte tekniskt lägga till någon induktans kapacitans: bara omvandlingen från första punkten är tillräcklig och du kan ha en vanlig en vikad dipol. Detta görs dock ofta inte i praktiken eftersom justering av impedansomvandlingen kräver att du ändrar diametern på antingen gammafältet eller antennelementet, vilket är svårt.

Det är också så att gammamatchen fungerar något som en balun. Om den stiger upp impedansen som ses när den tittar in från koaxen, genom ömsesidighet, stiger den också impedansen och tittar i andra riktningen tillbaka till koaxens differentiella läge. Common-mode är ensam men är nu en relativt högre impedans. Så det kan vara mer önskvärt att öka för mycket och sedan gå ner med L-nätverket. För en antenn med hög direktivitet kan det emellertid vara nödvändigt att undertrycka vanligt gemensamt läge: i kombination med gammamatchning kan det vara ännu mer effektivt. G8HQP ger en mer fullständig förklaring med all matematik om du vill ha mer information.

En gammamatchning tjänar ett trippeländamål:

1. Som en tråd med liten diameter parallell och i nära närhet med huvudstrålningselementet kommer den bara att bära en bråkdel av huvudelementströmmen utsätts för samma elektriska fältstyrka. Detta gör det till en effektiv upptransformator för antennens ingångsimpedans .
2. Den bildar också tillsammans med huvudstrålningselementet en sluten trådstub , lägga till induktans till antenningångsimpedansen. Om detta inte krävs för matchning kan den extra induktansen avbrytas med en klumpkondensator i serie.
3. Visas inte på din figur men på bilden nedan: Koaxialmatningsledningens hölje är ansluten till mitten av det huvudsakliga strålningselementet. När den är ordentligt ansluten fungerar en gammamatchning också som en balanserad till obalanserad omvandlare eller balun

Alla dessa funktioner är mycket önskvärda för att matcha den obalanserade karakteristiska impedansen hos koaxialmatningslinjen till en mycket lägre balanserad impedans hos en Yagi-antenn.

Gamma-matchningen är problematisk. Det tillåter säkert en perfekt impedansmatchning med två frihetsgrader, men baluneffekten är tveksam. Koaxens skärm är ansluten till mitten av ett halvvågselement. Det betyder att den är ansluten till två kvartsledare med öppen slut. I fritt utrymme skulle de ha en mycket hög impedans i ändarna och följaktligen impedansen i mitten skulle vara mycket låg. Det betyder att spänningen på koaxskärmen skulle vara mycket låg så att inte mycket signal skulle skickas till koaxskärmen (eller inte mycket qrm skulle plockas upp om koaxen har störningar på utsidan.)

En halvvågsdipol där två kvartsvågstavar matas i antifas är en bra radiator med Z = ledig rymdimpedans (300 ohm) dividerat med cirka 6. Men om man matar dem i fas kommer strålning från båda sidor att avbrytas och impedanceat centrum går mot noll medan impedansen i ändarna blir mycket hög. Mittpunkten blir en bra grundpunkt.

I verkliga livet är det annorlunda. Praktisk erfarenhet: En av mina vänner hade en EME-array med flera långa yagier på 144 MHz. De hade alla en gammamatch som isolerades från bomröret. Det fanns dock ett prestandaproblem. Ett enkelt test: Ta en antenn, peka den rakt mot himlen med reflektorn långt över marken. Sätt en fältstyrkemätare på den sista regissören och titta på avläsningen medan du rör handen längs koaxet. Stora variationer observerades vilket innebär att en väsentlig ström flyter på koaxskärmen. Lägg till en ärmbalun. Det gör strömmen på skärmen försumbar. Det var för länge sedan, men som jag kan minnas förbättrades prestanda med mer än 1 dB (det är mycket på EME) Förklaringen är att den fysiska mittpunkten inte är den elektriska mittpunkten. Om du skulle göra en dipol av två stavar med olika diameter och mata dem i fas skulle strålning inte avbrytas och följaktligen skulle impedansen vid mittpunkten inte vara mycket låg. Det skulle vara nödvändigt att göra den tjockare sidan kortare. Gammamatchningen förstör kylarens symmetri så att det finns en betydande RF-spänning i mitten. Detta orsakar viss förlust av kraft och kanske ännu viktigare att plocka upp genomförda störningar.

Tänk på att impedansen som presenteras av alla antennelement som är nära resonans varierar längs dess längd från nära noll vid bommen till nära oändlighet vid spetsen. Genom att flytta kranen kan du välja vilken impedans du vill.

Kranstången har induktans och seriekondensatorn låter dig neutralisera denna induktans.

Kort sagt, en gammamatchning har två justeringar; kranens läge på det drivna elementet (som varierar impedansen) och den variabla kondensatorn i serie med kranens induktans (som justerar reaktansen). Med dessa två justeringar kan du matcha vilken antenn som helst som är nära resonans mot vilken matningslinjeimpedans du vill. Därför älskar jag gamma-matchningar!

(Jag har bara sett en antenn som inte hade någon kondensator, och matchar bara med en frekvens. Fel frekvens, som det visar sig.)

En variation av gammamatchen är en kopplingsslingantenn som ömsesidigt kopplas till mitten av en dipol. En liten enkelvarvslingantenn bildas och som en mycket induktiv slinga sätts en seriekondensator in mellan matningslinjen och induktorn som kommer att bli resonans vid LÅG impedans. (serieresonantank) När detta är kopplat till ett fast dipolelement, som också har en låg centrumimpedans, kopplas ett transformatorförhållande nära 1: 1 effektivt från loopantennen till dipolelementet. Denna laddning höjer R-värdet för resonansslingan till matningslinjeimpedansen. En gammamatchning har en viss kvalitet på seriekopplingskretsen kopplad till ett driven element. I vissa mönster trycker matchen inte på elementet på ett avstånd från centrum, utan i stället en slinga som bara är ansluten vid elementets mittpunkt. I denna design finns det bara ömsesidig koppling eftersom det inte finns någon direkt elektrisk anslutning.

För ett kontinuerligt ledardrivet element, som det i artikeln, är gammamatchen i grunden en variabel kondensator som används för att ställa ut eventuell induktans från antennens (obalanserade) matning.

Som artikeln säger är mitten av det drivna elementet en nollspänningspunkt, så det är OK att jorda bommen där och mata flätans sida på koaxen där (kom ihåg att RF är AC, inte DC) . Att fästa den andra sidan av koaxen längre ut på elementet kommer naturligtvis att skapa ett impedansproblem, men det är vad matchen är för.

Den största nackdelen med gammamatchen är att den är där på Yagibommen, i luften och därför obekväm att justera. Du vill bara använda ett sådant matchningssystem där SWR-bandbredden för den resulterande antennen är tillräckligt bred för dina ändamål. Så du behöver inte röra med den när antennen har ställts in från början.

Du kan ersätta gammamatchen med en variabel kondensator i rätt intervall. Detta är vanligt i andra typer av antenner (t.ex. slingor) där bandbredden är smal och du måste justera den när du ställer in.

Jag gör lagliga gränsvärden för mag-loopar med en gammamatchning och ingen kondensator. Det är mitt intryck att locket gör matchen mer frekvensberoende och begränsar möjligheten att använda antennen på mer än ett band. Kepsen gör finjustering lättare.

Jag har också använt gammamatchen för att matcha vertikala stolpar upp till 125 fot med god effekt även när stolpen var en höjd negativt med den vanliga vertikala antennen.

Dessa intryck är baserade på att ha matchat dussintals antenner av olika slag.