Choke

1 Doel van een choke

 Een antenne wordt liefst "gebalanceerd" gebruikt, dit houd in dat een symmetrische antenne, zoals een dipool, ook best gevoed wordt uit een symmetrische transmissielijn of kippenladder.

Common mode probleem

Echter de meest praktische en gangbare transmissielijn is  "coax", per definitie een asymmetrische voedingslijn, waarbij één zijde geaard is(de mantel, aan de transceiver en/of aan de antenne zijde).
Dit kan leiden tot allerhande problemen.

 Een “choke” of “common-mode-filter” moet het “hot-shack” probleem vermijden en het ongebalanceerd signaal van een coax transmissielijn omvormen naar een gebalanceerd signaal voor de antenne (balun).

Dikwijls lijkt een antenne qua SWR en resonantie in orde, totdat er vermogen wordt gezet op “het antennesysteem” en er allerhande RFI/EMI problemen ontstaan.

De meeste van deze problemen zijn terug te voeren tot “common-mode” problemen, en/of ingress op de coax buiten mantel, waardoor er mantel stromen ontstaan.

Common mode in TX systemen

Aarding, juiste routing van de coax etc kunnen helpen, maar zijn niet steeds mogelijk.

Wanneer er met een draadantenne of full-size antenne  wordt gewerkt, komt de “common-mode” meestal door het asymmetrisch opstellen ervan of door de constructie van de antenne (zoals FD4, Windom, long wire, end-fed etc) die asymmetrisch is. 

Buiten het aarden van de mantel van de coax aan de antenne of zo kort mogelijk ertegen, kan je de mantelstromen die ontstaan verhinderen door het plaatsen van een choke aan de antenneaansluiting.

Wanneer er met verkorte antennes wordt gewerkt, zoals loops en EH antennes, kan er een extra probleem ontstaan door inductie op de coax, doordat de veldsterkte van deze antenne (magnetische velden) sterk geconcentreerd zijn in de nabijheid van de antenne.

Dit is niet zo uitgesproken aanwezig bij full-size antennes, waar het magnetisch veld uitgestrekt wordt over de ganse lengte van de antenne.

Het aarden van de coax mantel bij de antenne of elders op de transmissielijn, helpt onvoldoende bij verkorte antennes, waardoor het plaatsen van een choke, meestal een paar meter verwijdert van de antenne een mogelijke oplossing kan bieden. 

Deze kleine afstand vanaf het voedingspunt van de antenne moet er voor zorgen dat de meeste inductie (ingress) gebeurt vóór de choke bereikt wordt, zodat de common-mode stromen worden tegengehouden op een welbepaalde plaats in het antennesysteem.
Een eventuele verstemming door kleine reactance fouten, kan zo “geblokkeerd” worden vóór de choke.
De antenne samen met het stukje coax en de choke wordt nu “het antenne systeem” en kan worden afgestemd op de gebruikte frequentieband.

Ondanks het gekende gebruik van chokes in TX installaties, is het probleem "common mode" eveneens sterk aanwezig in ontvangst systemen.
De oorzaak is het ontstaan van "aardlussen", doordat antennes en stations op verschillende plaatsen "geaard worden", al dan niet moedwillig.
Het "breken" van deze lussen kan er voor zorgen dat storingen die op de lus ontvangen worden, sterk worden gereduceerd.
Vandaar de aanbeveling om je coax "op twee plaatsen" te voorzien van een choke:

1. op de TRX zijde en 

2. aan de antenne zijde.

3 Kenmerken

Kenmerken die noodzakelijk zijn voor zulk een filter zijn:

1. Een hoge zelfinductie op de frequentieband(en) waar deze dienen gebruikt te worden.
   Op de volgende site kan je de berekeningen maken voor een FT240-43 kern.
   We zien dat de impedantie van 10 windingen op 1Mhz meer dan 1000 Ohm is, wat een goede demping is voor common-mode stromen. 

2. Een transmissielijn impedantie van 50 ohm, zodat er aan de impedantie van de coax niets verandert als de filter ertussen wordt gezet

Om een hoge zelfinductie te verkrijgen op de lage banden, maak je gebruik van ferrietkernen met hoge permeabiliteit. 

• De FT240-31 is een ideale "all-rounder" voor onze decameter frequentiebanden  (80m-10m) en eventueel nog inzetbaar op 160m. 

• De FT240-43 is een ideale kern voor onze hogere  decameter frequentiebanden. (60m>)

• Voor 6m/2m kan je gebruik maken van de FT240-61 kernen.

• Amidon ijzer poeder kernen (T200-x) zijn niet geëigend voor deze werking, gezien hun geringe permeabiliteit.

Het aantal wikkelingen bepaalt de zelfinductie, maar is beperkt door de grootte van de kern en de dikte van de draad/isolatie.
Met AWG18, silicone draad zijn dit 10 windingen.

De gebruik op de laagste frequentie wordt bepaald door de inductie, wat bepaald wordt door de AL waarde van de kern en het aantal windingen.  

Let op:
De AL waarde wordt gemeten op 10KHz, dit wil zeggen dat de waarde op de HF banden totaal verschillend kan zijn van deze waarde en een kern ondanks zijn hogere AL waarde (zoals de mix 77, 75 kernen) toch slechter functioneerd. 

 Het materiaal (mix), bepaald het gebied waarin de kern zich "resistief" gaat gedragen en dus de energie omzet in warmte.
Door de specifieke wikkelmethode van de choke, heffen de magnetische velden  van de mantelstromen zich op, waardoor er nagenoeg geen warmteproductie plaatsvindt omwille van common mode stromen.

Te veel windingen geven problemen bij hoge frequenties, doordat de “capaciteit” tussen de windingen te groot wordt.

Eigenschappen om grotere  RF vermogens te weerstaan bekom je door kernen op elkaar te leggen (meer ferriet ikv fluxdichtheid/eddy currents). 

De ohmse verliezen in de draden zijn gezien de geringe lengte meestal verwaarloosbaar. 

DC current in chokes

Volgende site laat je toe om aan de hand van een aantal gegevens, de veldsterkte in de kern te berekenen.
Dit kan nodig zijn, indien je een choke wil gebruiken op DC, waarbij de DC stroom(Differential) een magnetisch veld creëert in de kern, dat kan leiden tot saturatie, waardoor de choke werking verdwijnt.
Toriod calculations 

4 Transmissielijn

In tegenstelling tot het gebruik bij “elektrische distributie” waar de frequenties zeer laag zijn (tot 400Hz in luchtvaart) is het gebruik van een enkele draad (per zijde van de filter) niet aangewezen bij hoogfrequent.

Het gebruik van  “transmissielijnen” is hier noodzakelijk. 

Vermits de inductance voor beide geleiders in een transmissielijn identiek moet zijn, kan je geen gebruik maken van coax kabels. 

Door een coax op de kern te wikkelen zou je een verschil in “elektrische lengte” krijgen tussen de binnen geleider en buiten mantel. (simplistische uitleg, zie magnetic coupling transmission lines voor een correcte uitleg van coax)

Hierdoor valt de keuze uitsluitend op “twin-line”.

Het maken van een transmissielijn, bestaande uit twee parallelle geïsoleerde draden is de eerste stap, nodig in de constructie van een common-mode-choke voor hoogfrequent. 

Vermits beide helften van de filter uit een transmissielijn bestaan en deze parallel worden geschakeld is het noodzakelijk dat iedere lijn een impedantie heeft van 100 ohm (zo komen we terug op 50 ohm) en exact even lang is (faseverschil).

Het niet respecteren van deze richtlijnen is de grootste oorzaak van het ondermaats presteren van een choke.

Testen hebben uitgewezen dat AWG18 - PTFE draad(teflon), gebruikt als twin-lead een impedantie heeft die zeer kort tegen de 100 ohm aanleunt.

Met een twin-line calculator kan je allerhande draaddiktes en isolatiemateriaal verifiëren om zo tot de juiste waarde te komen. 

Soms kan je de vereiste impedantie bekomen door de draden niet vast tegen elkaar te wikkelen maar met een bepaalde afstand (niet praktisch). 
Dit is zeker het geval wanneer je “wikkeldraad” gebruikt (isolatie is lak/lucht met diëlektrische constante ~1, PVC=4, PTFE=2. Permeability TEFLON=1, Koper=0.999994)

Voor een RX choke of kleine vermogens kan je gebruik maken van een aderpaar van een UTP, daar deze ongeveer 100Ohm als impedantie hebben en vlot te verkrijgen zijn.
Echter door de kleine diameter hebben deze veel ohmse verliezen en kunnen geen hoge spanningen aan.