Согласовка антенны – Портал Электриков — Новости и комментарии из мира техники » Согласование телевизионных антенн с фидером

Согласование антенн и согласующие устройства

В любительской практике крайне редко используются антенны, входное сопротивление которых равно волновому сопротивлению фидера, и в свою очередь, выходному сопротивлению передатчика (идеальный вариант согласования). Чаще всего такого соответствия нет и приходится применять специальные согласующие устройства. Антенну, фидер и выход передатчика следует рассматривать как единую систему, в которой передача энергии должна осуществляться без потерь.

Реализация этой непростой задачи потребует согласования в двух местах: в точке соединения антенны с фидером и фидера с выходом передатчика. Наиболее популярны различного рода трансформирующие устройства: от резонансных колебательных контуров до коаксиальных трансформаторов в виде отрезков коаксиального кабеля требуемой длины. Все они нужны для согласования сопротивлений, что в конечном итоге и приводит к минимизации потерь в линии передачи. И, самое главное, к снижению внеполосных излучений.

Как правило, стандартное выходное сопротивление современных широкополосных передатчиков (трансиверов) 500м. Большинство применяемых в качестве фидера коаксиальных кабелей также имеют стандартную величину волнового сопротивления 50 или 750м. Антенны в зависимости от типа и конструкции могут иметь входное сопротивление в очень широком интервале величин: от нескольких Ом до сотен Ом и больше.
Известно, что входное сопротивление одноэлементных антенн на резонансной частоте носит практически активный характер. И чем больше частота передатчика отличается от резонансной* частоты антенны в ту или другую сторону, тем больше во входном сопротивлении антенны появляется реактивная составляющая емкостного или индуктивного характера. В многоэлементных антеннах входное сопротивление на резонансной частоте имеет комплексный характер, так как свою лепту в образование реактивной составляющей вносят пассивные элементы.

В том случае, когда входное сопротивление антенны имеет чисто активный характер, согласовать его с сопротивлением фидера несложно с помощью любого из подходящих трансформирующих устройств. При этом потери совсем незначительны. Но, как только во входном сопротивлении образуется реактивная составляющая, то согласование усложняется, и требуется более сложное согласующее устройство, способное скомпенсировать нежелательную реактивность. И это устройство должно находиться в точке питания антенны. Не скомпенсированная реактивность ухудшает КСВ в фидере и увеличивает потери.
Попытка полной компенсации реактивности на нижнем конце фидера (у передатчика) безуспешна, так как ограничена параметрами самого фидера. Перестройка частоты передатчика в пределах узких участков любительских диапазонов не приводит к появлению значительной реактивной составляющей, поэтому в большинстве случаев нет необходимости компенсировать реактивность. Правильно спроектированные многоэлементные антенны также не имеют большой реактивной составляющей входного сопротивления, и обычно ее компенсации не требуется.

В эфире часто возникают споры о роли и назначении антенного согласующего устройства (антенного тюнера) при согласовании передатчика с антенной. Одни возлагают на него большие надежды, другие считают его ненужной игрушкой. Чем же на самом деле (на практике) может и чем не может помочь антенный тюнер?

В первую очередь тюнер — это высокочастотный трансформатор сопротивлений, способный при необходимости скомпенсировать реактивность емкостного или индуктивного характера.

Рассмотрим простой пример:
Разрезной вибратор (диполь), имеющий на резонансной частоте входное сопротивление активного характера около 700м, соединен 75-омным коаксиальным кабелем (фидером) с передатчиком, выходное сопротивление которого 500м. Тюнер установлен на выходе передатчика и в данном случае выполняет роль согласующего узла между фидером и передатчиком, с чем он легко справляется.
Если передатчик перестроить на частоту отличную от резонансной частоты антенны, то во входном сопротивлении антенны возникнет реактивность, которая тут же проявится на нижнем конце фидера. Тюнер также способен ее скомпенсировать, и передатчик опять будет согласован с фидером антенны.

Что будет на выходе фидера, в точке его соединения с антенной?
Используя тюнер только на выходе передатчика, полную компенсацию обеспечить не удастся, и в фидере возникнут потери из-за неточного согласования с антенной. В этом случае понадобится еще один тюнер, который придется подключить между фидером и антенной, тогда он исправит положение и скомпенсирует реактивность. В зтом примере фидер выполняет роль согласованной линии передачи произвольной длины.

Еще один пример:
Рамочную антенну, имеющую входное сопротивление активного характера приблизительно 1100м, необходимо согласовать с 50-омной линией передачи. Выход передатчика 500м. Здесь потребуется согласующее устройство, установленное в точке подключения фиДера к антенне. Обычно многие любители используют ВЧ трансформаторы разных типов с ферритовыми сердечниками, но удобнее изготовить четвертьволновый коаксиальный трансформатор из 75-омного кабеля.
Длина отрезка кабеля А/4 х 0.66, где
Я — длина волны,
0.66 — коэффициент укорочения для большинства известных коаксиальных кабелей.
Коаксиальный трансформатор включается между входом антенны и 50-омным фидером.
Если его свернуть в бухту диаметром 15…20см, то он будет выполнять и функцию симметрирующего устройства. Фидер с передатчиком согласуется автоматически, при равенстве их сопротивлений. В этом случае от услуг антенного тюнера можно вообще отказаться.

Для данного примера возможен еще один способ согласования:
При помощи полуволнового или кратного половине волны коаксиального кабеля вообще с любым волновым сопротивлением (также с учетом коэффициента укорочения). Он включается между антенной и тюнером, находящимся возле передатчика. Входное сопротивление антенны около 110Ом переносится к нижнему концу кабеля и с помощью тюнера трансформируется в сопротивление 500м. В этом случае имеет место полное согласование антенны с передатчиком, а фидер выполняет функцию повторителя.

В более сложных случаях, когда входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению фидера, а сопротивление фидера не соответствует выходному сопротивлению передатчика, необходимы два согласующих устройства. Одно вверху для согласования антенны с фидером, другое внизу — для согласования фидера с передатчиком. И обойтись только одним антенным фидером для согласования всей цепи: антенна — фидер — передатчик не представляется возможным.

Наличие реактивности еще больше осложняет ситуацию. Антенный тюнер в этом случае значительно улучшит согласование передатчика с фидером, облегчив тем самым работу оконечного каскада, но не более того. Из-за рассогласования фидера с антенной будут иметь место потери, и эффективность работы самой антенны будет пониженной. Включенный КСВ-метр между передатчиком и тюнером зафиксирует КСВ=1, а между тюнером и фидером этого не произойдет по причине рассогласоаания фидера с антенной.

Напрашивается вполне справедливый вывод: тюнер полезен тем, что поддерживает нормальный режим передатчика при работе на несогласованную нагрузку, но при этом не способен улучшить эффективность работы антенны при ее рассогласовании с фидером.

П-контур, используемый в выходном каскаде передатчика, также может выполнять роль антенного тюнера, но при условии оперативного изменения индуктивности и обеих емкостей.
Как правило, антенные тюнеры и ручные и автоматические — это резонансные контурные перестраиваемые устройства. Ручные имеют два- три регулирующих элемента и не оперативны в работе. Автоматические — дороги, а для работы на больших мощностях — очень дороги.

Давайте рассмотрим довольно простое широкополосное согласующее устройство (тюнер) на рис 1, удовлетворяющее большинству вариаций при согласовании передатчика с антенной. :

Он очень эффективен при работе с антеннами (рамки, диполи), используемыми на гармониках, когда фидер является полуволновым повторителем. В данном случае входное сопротивление антенны на разных диапазонах различно, но с помощью согласующего устройства легко согласуется с передатчиком. Предлагаемый тюнер может работать при мощностях передатчика до 1,5кВт в полосе частот от 1.5 до 30МГц.
Основные элементы тюнера — ВЧ автотрансформатор на феррито- вом кольце от отклоняющей системы телевизора УНТ-35 и переключатель на 17 положений. Возможно применение конусных колец от телевизоров УНТ-47/59 или других.

Обмотка содержит 12 витков, намотанных в два провода. Начало одной обмотки соединяется с концом другой. В таблице и на схеме нумерация витков сквозная. Сам провод — многожильный во фторопластовой изоляции. Диаметр провода 2,5мм по изоляции. Отводы сделаны от каждого витка, начиная с восьмого от заземленного конца.

Переключатель — керамический, галетного типа на 17 положений.

Автотрансформатор располагается максимально близко к переключателю, а соединительные проводники между ними должны быть минимальной длины. Возможно применение переключателя на 11 положений при сохранении конструкции трансформатора с меньшим количеством отводов, например, с 10 по 20 виток. Но в этом случае уменьшится и интервал трансформации сопротивлений.

Зная входное сопротивление антенны, можно воспользоваться таким трансформатором для согласовании антенны с фидером 50 или 750м, сделав только необходимые отводы. В этом случае он помещается во влагонепроницаемую коробку, заливается парафином и устанавливается в точке питания антенны.

Также это согласующее устройство может быть выполнено как самостоятельная конструкция или входить в состав антенно-коммутационного блока радиостанции.

Для наглядности метка на ручке переключателя (на лицевой панели) указывает на величину сопротивления, соответствующую данному положению. Для компенсации реактивной составляющей индуктивного характера возможно подключение переменного конденсатора С1, рис.2.

Зависимость сопротивления от количества витков приводится в таблице 1. Расчет производился исходя из соотношения сопротивлений, которое находится в квадратичной зависимости от количества витков.

Таблица 1.

Интересное по этой теме:

www.ruqrz.com

Согласование антенн и согласующие устройства — Устройства СВЧ и антенны

 

В любительской практике крайне редко используются антенны, входное сопротивление которых равно волновому сопротивлению фидера, и в свою очередь, выходному сопротивлению передатчика (идеальный вариант согласования). Чаще всего такого соответствия нет и приходится применять специальные согласующие устройства. Антенну, фидер и выход передатчика следует рассматривать как единую систему, в которой передача энергии должна осуществляться без потерь.

 

Реализация этой непростой задачи потребует согласования в двух местах: в точке соединения антенны с фидером и фидера с выходом передатчика. Наиболее популярны различного рода трансформирующие устройства: от резонансных колебательных контуров до коаксиальных трансформаторов в виде отрезков коаксиального кабеля требуемой длины. Все они нужны для согласования сопротивлений, что в конечном итоге и приводит к минимизации потерь в линии передачи. И, самое главное, к снижению внеполосных излучений.

Как правило, стандартное выходное сопротивление современных широкополосных передатчиков (трансиверов) 500м. Большинство применяемых в качестве фидера коаксиальных кабелей также имеют стандартную величину волнового сопротивления 50 или 750м. Антенны в зависимости от типа и конструкции могут иметь входное сопротивление в очень широком интервале величин: от нескольких Ом до сотен Ом и больше.
Известно, что входное сопротивление одноэлементных антенн на резонансной частоте носит практически активный характер. И чем больше частота передатчика отличается от резонансной* частоты антенны в ту или другую сторону, тем больше во входном сопротивлении антенны появляется реактивная составляющая емкостного или индуктивного характера. В многоэлементных антеннах входное сопротивление на резонансной частоте имеет комплексный характер, так как свою лепту в образование реактивной составляющей вносят пассивные элементы.

В том случае, когда входное сопротивление антенны имеет чисто активный характер, согласовать его с сопротивлением фидера несложно с помощью любого из подходящих трансформирующих устройств. При этом потери совсем незначительны. Но, как только во входном сопротивлении образуется реактивная составляющая, то согласование усложняется, и требуется более сложное согласующее устройство, способное скомпенсировать нежелательную реактивность. И это устройство должно находиться в точке питания антенны. Не скомпенсированная реактивность ухудшает КСВ в фидере и увеличивает потери.
Попытка полной компенсации реактивности на нижнем конце фидера (у передатчика) безуспешна, так как ограничена параметрами самого фидера. Перестройка частоты передатчика в пределах узких участков любительских диапазонов не приводит к появлению значительной реактивной составляющей, поэтому в большинстве случаев нет необходимости компенсировать реактивность. Правильно спроектированные многоэлементные антенны также не имеют большой реактивной составляющей входного сопротивления, и обычно ее компенсации не требуется.

В эфире часто возникают споры о роли и назначении антенного согласующего устройства (антенного тюнера) при согласовании передатчика с антенной. Одни возлагают на него большие надежды, другие считают его ненужной игрушкой. Чем же на самом деле (на практике) может и чем не может помочь антенный тюнер?

В первую очередь тюнер — это высокочастотный трансформатор сопротивлений, способный при необходимости скомпенсировать реактивность емкостного или индуктивного характера.

Рассмотрим простой пример:
Разрезной вибратор (диполь), имеющий на резонансной частоте входное сопротивление активного характера около 700м, соединен 75-омным коаксиальным кабелем (фидером) с передатчиком, выходное сопротивление которого 500м. Тюнер установлен на выходе передатчика и в данном случае выполняет роль согласующего узла между фидером и передатчиком, с чем он легко справляется.
Если передатчик перестроить на частоту отличную от резонансной частоты антенны, то во входном сопротивлении антенны возникнет реактивность, которая тут же проявится на нижнем конце фидера. Тюнер также способен ее скомпенсировать, и передатчик опять будет согласован с фидером антенны.

Что будет на выходе фидера, в точке его соединения с антенной?
Используя тюнер только на выходе передатчика, полную компенсацию обеспечить не удастся, и в фидере возникнут потери из-за неточного согласования с антенной. В этом случае понадобится еще один тюнер, который придется подключить между фидером и антенной, тогда он исправит положение и скомпенсирует реактивность. В зтом примере фидер выполняет роль согласованной линии передачи произвольной длины.

Еще один пример:
Рамочную антенну, имеющую входное сопротивление активного характера приблизительно 1100м, необходимо согласовать с 50-омной линией передачи. Выход передатчика 500м. Здесь потребуется согласующее устройство, установленное в точке подключения фиДера к антенне. Обычно многие любители используют ВЧ трансформаторы разных типов с ферритовыми сердечниками, но удобнее изготовить четвертьволновый коаксиальный трансформатор из 75-омного кабеля.
Длина отрезка кабеля А/4 х 0.66, где
Я — длина волны,
0.66 — коэффициент укорочения для большинства известных коаксиальных кабелей.
Коаксиальный трансформатор включается между входом антенны и 50-омным фидером.
Если его свернуть в бухту диаметром 15…20см, то он будет выполнять и функцию симметрирующего устройства. Фидер с передатчиком согласуется автоматически, при равенстве их сопротивлений. В этом случае от услуг антенного тюнера можно вообще отказаться.

Для данного примера возможен еще один способ согласования:
При помощи полуволнового или кратного половине волны коаксиального кабеля вообще с любым волновым сопротивлением (также с учетом коэффициента укорочения). Он включается между антенной и тюнером, находящимся возле передатчика. Входное сопротивление антенны около 110Ом переносится к нижнему концу кабеля и с помощью тюнера трансформируется в сопротивление 500м. В этом случае имеет место полное согласование антенны с передатчиком, а фидер выполняет функцию повторителя.

В более сложных случаях, когда входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению фидера, а сопротивление фидера не соответствует выходному сопротивлению передатчика, необходимы два согласующих устройства. Одно вверху для согласования антенны с фидером, другое внизу — для согласования фидера с передатчиком. И обойтись только одним антенным фидером для согласования всей цепи: антенна — фидер — передатчик не представляется возможным.

Наличие реактивности еще больше осложняет ситуацию. Антенный тюнер в этом случае значительно улучшит согласование передатчика с фидером, облегчив тем самым работу оконечного каскада, но не более того. Из-за рассогласования фидера с антенной будут иметь место потери, и эффективность работы самой антенны будет пониженной. Включенный КСВ-метр между передатчиком и тюнером зафиксирует КСВ=1, а между тюнером и фидером этого не произойдет по причине рассогласоаания фидера с антенной.

Напрашивается вполне справедливый вывод: тюнер полезен тем, что поддерживает нормальный режим передатчика при работе на несогласованную нагрузку, но при этом не способен улучшить эффективность работы антенны при ее рассогласовании с фидером.

П-контур, используемый в выходном каскаде передатчика, также может выполнять роль антенного тюнера, но при условии оперативного изменения индуктивности и обеих емкостей.
Как правило, антенные тюнеры и ручные и автоматические — это резонансные контурные перестраиваемые устройства. Ручные имеют два- три регулирующих элемента и не оперативны в работе. Автоматические — дороги, а для работы на больших мощностях — очень дороги.

Давайте рассмотрим довольно простое широкополосное согласующее устройство (тюнер) на рис 1, удовлетворяющее большинству вариаций при согласовании передатчика с антенной. :

Он очень эффективен при работе с антеннами (рамки, диполи), используемыми на гармониках, когда фидер является полуволновым повторителем. В данном случае входное сопротивление антенны на разных диапазонах различно, но с помощью согласующего устройства легко согласуется с передатчиком. Предлагаемый тюнер может работать при мощностях передатчика до 1,5кВт в полосе частот от 1.5 до 30МГц.
Основные элементы тюнера — ВЧ автотрансформатор на феррито- вом кольце от отклоняющей системы телевизора УНТ-35 и переключатель на 17 положений. Возможно применение конусных колец от телевизоров УНТ-47/59 или других.

Обмотка содержит 12 витков, намотанных в два провода. Начало одной обмотки соединяется с концом другой. В таблице и на схеме нумерация витков сквозная. Сам провод — многожильный во фторопластовой изоляции. Диаметр провода 2,5мм по изоляции. Отводы сделаны от каждого витка, начиная с восьмого от заземленного конца.

Переключатель — керамический, галетного типа на 17 положений.

Автотрансформатор располагается максимально близко к переключателю, а соединительные проводники между ними должны быть минимальной длины. Возможно применение переключателя на 11 положений при сохранении конструкции трансформатора с меньшим количеством отводов, например, с 10 по 20 виток. Но в этом случае уменьшится и интервал трансформации сопротивлений.

Зная входное сопротивление антенны, можно воспользоваться таким трансформатором для согласовании антенны с фидером 50 или 750м, сделав только необходимые отводы. В этом случае он помещается во влагонепроницаемую коробку, заливается парафином и устанавливается в точке питания антенны.

Также это согласующее устройство может быть выполнено как самостоятельная конструкция или входить в состав антенно-коммутационного блока радиостанции.

Для наглядности метка на ручке переключателя (на лицевой панели) указывает на величину сопротивления, соответствующую данному положению. Для компенсации реактивной составляющей индуктивного характера возможно подключение переменного конденсатора С1, рис.2.

Зависимость сопротивления от количества витков приводится в таблице 1. Расчет производился исходя из соотношения сопротивлений, которое находится в квадратичной зависимости от количества витков.

Таблица 1.

 

 

Согласование с помощью нескольких реактивностей. Применение одной подвижной реактивности по способу Татаринова наиболее удобно осуществляется в открытых двухпроводных линиях передачи, где имеется легкий доступ к проводникам линии и, следовательно, возможно применение короткозамкнутых (или разомкнутых) подвижных шлейфов с регулируемой длиной. В закрытых линиях передачи передвижные шлейфы конструктивно неудобны. Поэтому в 1940 г. В. В. Татариновым были предложены схемы узкополосного согласования с двумя или тремя реактивностями. В этих схемах положение реактивностей

 

  

 


Рис. 1.14. Согласующие схемы с двумя (а) и тремя (б) неподвижными параллельными реактивностями

 

Рис. 1.15. К расчету схемы согласования с помощью двух неподвижных реактивностей

 

строго фиксировано и управляемыми степенями свободы являются величины реактивностей.

Схема согласования с двумя параллельными реактивностями приведена на рис. 1.14, а. В принципе фиксированное расстояние между реактивностями может быть любым, но не слишком близким к , где — длина волны в линии передачи, n=1, 2, 3 … Для увеличения диапазона значений проводимостей нагрузок , для которых может быть достигнуто согласование, расстояние желательно выбрать равным или . Идея настройки согласующего устройства состоит в том, что, изменяя величину первой реактивности , регулируют тем самым эквивалентную нормированную проводимость в точке включения второй реактивности до тех пор, пока ее вещественная часть не станет равной единице. Компенсация оставшейся реактивной проводимости осуществляется регулировкой величины , так же как и в обычном способе Татаринова

На рис. 1.15 показана последовательность расчета согласования с помощью круговой номограммы, которая предварительно дополняется окружностью g=1, сдвинутой из своего обычного положения на расстояние в сторону нагрузки (эта окружность изображена штрихпунктиром, причем для конкретности предположено, что . На номограмму наносится проводимость нагрузки я (точка 1). Затем эта проводимость по окружности постоянного КБВ Кн перемещается в точку 2, находящуюся на расстоянии от нагрузки. Далее следует осуществить передвижение из точки 2 по соответствующей окружности g=const в точку 3, что соответствует подключению реактивной проводимости . Точка 3 после трансформации через отрезок линии длиной (что эквивалентно перемещению по окружности постоянного КБВ на угол в сторону генератора) обязательно попадает на линию g=1 в точку 4. Подключение второй реактивной проводимости переводит точку 4 в центр номограммы 5 в обеспечивает окончательное согласование. Вместо точки 3 могла быть использована более удаленная точка 6 на штрихпунктирной окружности. Однако для этого потребуется большая величина проводимости , КБВ на участке между проводимостями и снизится, соответственно должна будет возрасти величина . В этих условиях в согласующем устройстве будет запасаться гораздо больше электромагнитной энергии, и согласующая цепь вместе с нагрузкой образует резонансную систему с более высокой добротностью (а следовательно, и с меньшей полосой частот согласования), чем при использовании точки 3.

При произвольной нагрузке с помощью одной фиксированной по положению в линии передачи реактивности не всегда удается выполнить первое условие согласования, т.е. обеспечить g=1 в точке расположения второй реактивности. Поэтому часто прибегают к согласующему устройству с тремя реактивностями (см. рис. 1.14, б). В зависимости от активной проводимости нагрузки в сечении, где включается реактивность, согласование осуществляется либо первой я второй реактивностями при <1, либо второй и третьей при >1. Свободная реактивность исключается из схемы путем регулировки B = 0. Однако возможны и другие способы согласования, при которых используются регулировки всех трех реактивностей.

Из рассмотренных примеров следует, что в узкополосных согласующих устройствах в принципе достаточны две регулируемые степени свободы (место включения четвертьволнового трансформатора и его волновое сопротивление, величина реактивности и место ее включения, две неподвижные реактивности и т.д.).

В линиях передачи с Т-волной в качестве сосредоточенных реактивностей чаще всего используют параллельные или последовательные шлейфы. В волноводах отдают предпочтение малогабаритным согласующим элементам — штырям и диафрагмам.

intellect.ml

2. Устройства для настройки и согласования антенн

2.3. Измеритель КСВ

Непосредственно подключить антенну можно лишь к портативной радиостанции. Во всех остальных случаях антенна подключается к приемопередатчику с помощью высокочастотного фидера. Назначение фидера — передать с минимально возможными потерями сигнал от передатчика в антенну при передаче и от антенны к приемнику при приеме. Для того, чтобы максимум мощности сигнала был передан от передатчика в антенну, необходимо согласование выходного сопротивления передатчика, волнового сопротивления фидера и сопротивления антенны. Вся Си-Би аппаратура разрабатывается и выпускается с выходным сопротивлением 50 Ом. Поэтому, для обеспечения согласования, в Си-Би технике в качестве фидера используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Если в качестве фидера используется не стандартный коаксиальный кабель, а какой-либо суррогат или кабель с другим волновым сопротивлением, то эффективность работы Си-Би аппаратуры упадет. В отдельных случаях применение нестандартного кабеля может даже привести к выходу аппаратуры из строя. Конструктивно коаксиальный кабель состоит из центральной жилы, внутреннего изолятора, внешней оплетки и внешнего изолирующего слоя. Часто при покупке кабеля неизвестна ни его марка, ни его волновое сопротивление. Тем не менее с помощью простых измерений можно установить волновое сопротивление. Для этого нужно удалить защитную изоляцию и оплетку и измерить диаметр центральной жилы и внешний диаметр внутренней изоляции. Значение волнового сопротивления коаксиального кабеля со сплошной полиэтиленовой изоляцией можно вычислить по формуле:

W=91*Lg(D/d), где W — волновое сопротивление кабеля, Ом;

D —диаметр внутренней изоляции, мм;

d — диаметр центральной жилы, мм.

Практически, наиболее широко распространены кабели с волновым сопротивлением 50 Ом (у которых отношение D/d находится в пределах от 3,3 до 3,7) и кабели с волновым сопротивлением 75 Ом (у которых отношение D/d находится в пределах от 6,5 до 6,9). Кабели с волновым сопротивлением 75 Ом обычно применяются в телевизионной и видео технике. Волновое сопротивление коаксиальных кабелей не изменяется при прокладке его вблизи других кабелей, по металлическим крышам и т. д. Однако при прокладке кабеля необходимо обеспечить целостность его внешней защитной оболочки и не допускать изгибов с малым радиусом. Конец кабеля, подключенный к антенне, должен быть защищен от попадания влаги внутрь кабеля.

Степень согласования оценивают с помощью коэффициента стоячей волны (КСВ). Если линия и нагрузка согласованы, то КСВ=1, если волновое сопротивление линии и сопротивление нагрузки различаются, то КСВ>1. При этом в линии образуются максимумы и минимумы тока и напряжения. Коэффициент стоячей волны определяется как отношение максимального значения тока или напряжения к минимальному:

KCB=Umax/Umin или KCB=lmax/lmin

Если сопротивление нагрузки больше сопротивления линии (Zн>Zл), KCB=Zн/Zл. Если сопротивление нагрузки меньше сопротивления линии (Zн<Zл), KCB=Zл/Zн. Измеритель КСВ позволяет измерить напряжение падающей и отраженной волны.Схема измерителя приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2

Основу измерителя составляет измерительная линия L1. Для ее изготовления необходимо использовать кусок 50-омного коаксиального кабеля длиной около 150 мм. С кабеля удаляется внешняя защитная оболочка. Затем оплетка сдвигается с концов к середине. Между оплеткой кабеля и полиэтиленовой изоляцией центральной жилы протягивается провод МГТФ 0,15. После этого следует снова надеть оплетку и растянуть ее на изоляции центральной жилы. Затем оплетка фиксируется на концах нитками. Длина внешних отрезков провода МГТФ до переключателя должна быть минимальной.

Принцип действия измерителя КСВ очень прост. Он включается в разрыв линии передачи, причем расположение коаксиальных разъемов Х1, Х2 не имеет значения, так как прибор электрически симметричен. Резистор R1 устанавливают в среднее положение. При работающем передатчике потенциометр R2 регулируют так, чтобы в положении переключателя «падающая волна» индикатор давал полное отклонение. Затем переключатель устанавливают в положение «отраженная волна» и производят измерение напряжения отраженной волны Uo. По полученному результату определяют значение КСВ по формуле:

KCB=(100+Uo)/(100-Uo)

Можно проградуировать шкалу прибора непосредственно в единицах КСВ. При отношении напряжений прямой и отраженной волны 100:0; 100:20: 100:40; 100:60; 100:80 КСВ составляет соответственно 1,0; 1,5; 2.3; 3,0; 5,7. Коэффициент полезного действия линии передачи связан с КСВ. На многих приборах имеется шкала, показывающая потери в зависимости от КСВ. Если такой шкалы нет- то можно воспользоваться следующей таблицей:

КСВ

1,0

1,2

1,5

1,9

2,3

3,0

4,0

5,7

9,0

Мощность потерь,%

о

1

4

9

16

25

36

49

64

Даже при идеальном согласовании фидера с обеих сторон мощность сигнала в антенне меньше мощности сигнала, вырабатываемого передатчиком. Это связано с тем, что при прохождении сигнала по кабелю уменьшается его уровень, происходит затухание сигнала. Для характеристики кабелей разных марок используется удельное затухание. Удельным затуханием принято называть такое затухание, которое испытывает сигнал заданной частоты, проходя по кабелю длиной 1 м. Удельное затухание измеряется в децибелах на метр (дБ/м) и приводится в справочных данных на каждый тип кабеля. Для уменьшения затухания используется внутренний изолятор с минимальными потерями. Наименьшими потерями обладает воздух, поэтому в наиболее высококачественных коаксиальных кабелях в качестве изолятора центральной жилы используется пористый полиэтилен или другой изолятор с несплошным заполнением. В кабелях с такой изоляцией центральной жилы уменьшается (становится ближе к 1) и коэффициент укорочения.

Дополнительное уменьшение потерь достигается серебрением проводников коаксиального кабеля. Параметры некоторых типов коаксиальных кабелей приведены в Приложении. Затухание сигнала в линии заданной длины определяется по формуле:

К=В*L, где К — коэффициент ослабления;

В — удельное затухание;

L — длина линии.

При проведении измерений КСВ необходимо учитывать, что затухание сигнала в кабеле приводит к погрешности измерений. Это объясняется тем, что и падающая и отраженная волны испытывают затухание. В этом случае КСВ можно рассчитать по формуле:

КСВ=(Uпрям+Uотр.К)/(Uпря-Uотр.К), где КСВ — коэффициент стоячей волны;

Uпрям — измеренное напряжение падающей волны;

Uoтp — измеренное напряжение отраженной волны;

К — коэффициент ослабления отраженной волны.

Коэффициент ослабления рассчитывается по формуле:

K=B*2*L

В этой формуле коэффициент 2 учитывает тот факт, что сигнал испытывает ослабление при передаче от трансивера к антенне и на обратном пути. Так как при использовании кабеля РК50-7-15 удельное затухание на частотах Си-Би составляет 0,04 дБ/м, то при длине кабеля 40 м отраженный сигнал будет испытывать затухание 40*2*0,04=3,2 дБ. Это приведет к тому, что при реальном значении КСВ, равном 2,0, прибор покажет только 1,5; при реальном значении 3,0 прибор покажет около 2,0. В литературе [18] Описан панорамный КСВ-метр, позволяющий наглядно контролировать процесс настройки антенны, а в [19] описано согласующее устройство, объединенное с КСВ-метром.

lib.qrz.ru

3.3. Устройства согласования антенны с передатчиком и приёмником

Непосредственно к передатчику можно подключить только антенно-фидерное устройство, входное сопротивление которого обеспечивает его нормальную работу. Питание большинства антенн, применяемых в настоящее время радиолюбителями-коротковолновика-ми, осуществляется с помощью коаксиального кабеля с КСВ, близким к 1 (обычно не более 2). Имеющиеся в выходных каскадах ламповых усилителей мощности устройства связи с антенной обеспечивают возможность согласования с такими антенно-фидерными устройствами, т. е. передачу максимальной выходной мощности в антенну. Транзисторные усилители мощности могут не иметь органов регулировки согласования с антенной и требуют подключения к ним фидера с КСВ не более 1,1 … 1,2. Поэтому между антенно-фидерным устройством с большим КСВ и любым передатчиком и между передатчиком, рассчитанным на работу с определенным согласованным фидером (на активную нагрузку 50 или 75 Ом), и любым антенно-фидерным устройством необходимо включить устройство согласования. Для контроля настройки устройства согласования между передатчиком и входом антенны включают измеритель КСВ, как это показано на рис. 3.11. При этом КСВ-метр должен работать при полной выходной мощности передатчика. Схема подключения устройства согласования рис. 3.11 отличается от обычно приводимых схем в учебниках по антенно-фидерным устройствам, где устройство согласования включается между антенной и фидером, обеспечивая минимальный КСВ, а следовательно, и потери в фидере. В практике радиолюбителей-коротковолновиков согласование антенны с фидером достигается включением его в точки питания антенны, сопротивление между которыми близко к волновому сопротивлению фидера или использованием простейших трансформаторов сопротивлений между антенной и фидером. А в некоторых типах KB радиолюбительских антенн применяются фидеры, рассогласованные с антенной, такие сооружения радиолюбители называют антеннами с питанием стоячей волной. При применении в этих антеннах фидерных линий с малыми потерями (например, воздушных двухпроводных симметричных линий) КПД антенно-фидерного устройства, как было показано выше, сохраняется достаточно высоким.

Согласующее устройство, трансформирующее входное сопротивление антенны в активное сопротивление, близкое к 75 Ом, оказывается полезным и при приеме. Оно обеспечивает оптимальное согласование входной цепи приемника (обычно рассчитанной на подключение коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 … 75 Ом) и, следовательно, реализацию полной чувствительности приемника.

Используемые радиолюбителями согласующие устройства (в частности, и описанные ниже) полезны и для улучшения фильтрации побочных излучений передатчика и являются хорошим средством защиты от помех телевизионному приему.


На рис.3.12 приведена схема универсального согласующего устройства, предназначенного для работы с несимметричным антенно-фидерным устройством (антенна, питаемая коаксиальным кабелем, антенна типа «длинный провод» с заземлением и т.п.). Это устройство обеспечивает возможность согласования передатчика, рассчитанного на нагрузку 50 или 75 Ом, с антенной, имеющей активную составляющую входного сопротивления от 10 до 1000 Ом и индуктивную или емкостную реактивную составляющую входного сопротивления до 500 Ом. Диапазон рабочих частот 1,8 … 30 МГц, подводимая мощность до 200 Вт. При необходимости работать с полной мощностью, разрешенной любительским KB радиостанциям, детали устройства (рис. 3.12) должны быть рассчитаны на работу при ВЧ напряжениях, достигающих 3000 В, — зазоры между пластинами С1 должны быть не менее 3 мм, расстояния между контактами переключателей не менее 10 мм. При работе с меньшими мощностями или при согласовании антенн, питаемых коаксиальными кабелями при КСВ не более 3, достаточно использовать С1 с зазором 0,5 мм (сдвоенный конденсатор переменной емкости от старых радиовещательных приемников) и обычные галетные керамические переключатели. Катушка L1 намотана на керамическом каркасе диаметром 50 мм медным проводом диаметром 1,5 мм. Считая от конца, соединенного с XS1, она содержит: два витка с шагом 5 мм, конца, соединенного с XS1, она содержит: два витка с шагом 5 мм, два витка с шагом 5 мм, три витка с шагом 3 мм, три витка с шагом 3 мм, пять витков с шагом 3 мм, пять витков с шагом 3 мм и пять секций по семь витков с шагом 2 мм.

Переключатель SA1 регулирует индуктивность катушки LI. Переключатель SA2 изменяет схему согласования: в показанном на рис. 3.12 положении SA2 конденсатор С1 подключен между выходом передатчика и корпусом, a L1 — между выходом передатчика и антенной.

При этом обеспечивается согласование антенн, имеющих низкое входное сопротивление.

В следующем (по схеме) положении SA2 конденсатор С1 подключается между антенной и корпусом, a L1 остается включенной между выходом передатчика и антенной. В таком положении SA2 обеспечивается согласование антенн, имеющих высокое входное сопротивление. В последнем (по схеме) положении SA2 элементы С1 и L1 включаются последовательно между выходом передатчика и антенной, что позволяет скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления антенны без трансформации его активной составляющей.

Схему рис. 3.12 можно применить и для связи передатчика с несимметричным выходом (под коаксиальный кабель) с симметричной антенной. Для этого между XS2 и антенной необходимо включить симметрирующий трансформатор (рис. 3.13).

Соединитель XS1 подключается к антенному выходу согласующего устройства по схеме рис. 3.12, а к XS2 и XS3 подключаются провода симметричного кабеля, питающего антенну. Трансформатор Т1 можно выполнить на тороидальном ферритовом магнитопроводе с магнитной проницаемостью 70 … 200, диаметром около 100 мм и сечением не менее 2 см2. Обмотка выполняется проводом во фторопластовой изоляции, сечение провода не менее 2 мм2 (можно использовать медный провод, пропущенный в фторопластовую трубку или медный провод с любой другой высокочастотной изоляцией, рассчитанной на напряжение до 3000 В). Обмотку выполняют двумя проводами, скрученными с шагом около 15 мм на одно перекрещивание проводов. Число витков 2×15, начало одного провода соединяют с концом другого, образуя заземляемый отвод трансформатора. Следует учитывать, что в зависимости от входного сопротивления антенны и материала сердечника число витков Т1 возможно придется подобрать. Кроме того, магнитопровод трансформатора может стать источником потерь и нелинейных искажений сигнала, приводящих к появлению побочных составляющих сигнала передатчика в антенне при их отсутствии на его выходе.

Более надежным для работы с симметричной антенной является согласующее устройство, собранное по схеме рис. 3.14. Как и устройство, показанное на рис. 3.12, оно рассчитано на подводимую мощность до 200 Вт в диапазоне 1,8 … 30 МГц. Конденсатор С1 должен иметь зазор между пластинами не меньшее 0,5 мм, а С2 — не меньшее 2 мм. Катушка L1 намотана на керамическом каркасе диаметром 50 мм. От заземляемого отвода в обе стороны ведется намотка медным проводом диаметром 1,2 мм. Первые десять витков в обе стороны от отвода наматываются с шагом 4 мм, далее еще по 20 витков с шагом 3 мм. От каждого витка катушки делается отвод (его удобно выполнить в виде лепестка из медной фольги). Отводы располагаются равномерно по окружности катушки так, что к любому из них легко подключить выводы, соединяющие L1 с устройствами. На каждом диапазоне необходимо подобрать положение подключений соединителей XS2 и SS3 (связь с антенной) и индуктивность L1 закорачивающими перемычками. При этом число положений подключения фидера и число действующих витков с каждой стороны L1 от заземленного отвода должно быть одинаковым. Отвод, подключающий к L1 конденсатор С1 , регулирует связь согласующего устройства с передатчиком. Конденсатор С1 настраивает в резонанс цепь связи с передатчиком, а С2 — цепь связи с антенной. Выполнение регулировки согласующих устройств, сделанных по схемам рис. 3.12 и 3.14 дело трудоемкое. Большое число имеющихся в этих схемах органов настройки позволяет в кабеле, идущем к передатчику, добиться КСВ, близкого к 1. Так как при произвольном положении органов настройки согласующих устройств передатчик может оказаться резко рассогласованным с нагрузкой, регулировку согласования с антенной надо начинать при минимальной мощности передатчика.

Можно использовать на каждом диапазоне (или только на диапазонах, где КСВ в фидере антенны велико) отдельные согласующие устройства, выполненные на основе схем рис. 3.12 и 3.14.

Устройство, собранное по схеме рис. 3.14, позволяет добиться согласования передатчика с антенной при различных установках отводов регулировки связи передатчика и антенны При слабой связи с обоих сторон повышается фильтрующее действие согласующего устройства, но снижается его КПД в процессе эксплуатации радиостанции можно подобрать оптимальные связи в согласующем устройстве, при которых полностью отсутствует проявление побочных излучений при достаточно малых потерях в нем При работе с симметричной антенной целесообразно проверить, выполняется ли в действительности ее симметричное питание Для этого замеряются ВЧ напряжения на проводах фидера по отношению к корпусу передатчика. Их значения должны быть равны с точностью не хуже ±2%.

www.radiouniverse.ru

Согласование антенн

Современная приемо-передающая транзисторная техника, как правило, имеет широкополосные тракты, входные и выходные сопротивления которых составляют 50 или 75 Ом. Поэтому для реализации заявленных параметров такой аппаратуры требуется обеспечить активную нагрузку сопротивлением 50 или 75 Ом как для приемной, так и для передающей частей. Акцентирую внимание на том, что для приемного тракта также требуется согласованная нагрузка!

Например, при отклонении от номинальных нагрузочных сопротивлений, в полосовых фильтрах приемника появляются дополнительные провалы в АЧХ, падает чувствительность, УВЧ из-за отсутствия оптимальной нагрузки изменяет свои параметры, иногда вплоть до «подвозбуда». Расстроенные «полосовики» влияют на работу первого смесителя, может произойти разбаланс плеч и, соответственно, появятся дополнительные паразитные каналы приема и «пораженки».

Конечно, в приемнике это никак ни на ощупь, ни на цвет или вкус без приборов не заметить. По-видимому, из-за этого некоторые коротковолновики «с пеной у рта» отстаивают преимущества старых РПУ типа Р-250, «Крот» и им подобных перед современной техникой. Старая техника чаще всего комплектуется подстраиваемой (или перестраиваемой) входной цепью, с помощью которой можно согласовать РПУ с проволокой-антенной с «КСВ=1 почти на всех диапазонах».

Если радиолюбитель действительно хочет проверить качество согласования цепи «вход трансивера — антенна», ему достаточно собрать примитивнейшее согласующее устройство (СУ), например, П-контур, состоящий из двух КПЕ с максимальной емкостью не менее 1000 пФ (если предполагается проверка и на НЧ-диапазонах) и катушки с изменяемой индуктивностью. Включив это СУ между трансивером и антенной, изменением емкости КПЕ и индуктивности катушки добиваются наилучшего приема. Если при этом номиналы всех элементов СУ будут стремиться к нулю (к минимальным значениям) — можете смело выбросить СУ и со спокойной совестью работать в эфире и дальше, по крайней мере, слушать диапазоны.

Для тракта передатчика отсутствие оптимальной нагрузки может окончиться более печально. Рано или поздно ВЧ-мощность, отраженная от рассогласованной нагрузки, находит слабое место в тракте трансивера и «выжигает» его, точнее, такой перегрузки не выдерживает какой-нибудь из элементов. Конечно, можно и ШПУ изготовить абсолютно надежным (например, с транзисторов снимать не более 20% мощности), но тогда по стоимости он будет, сопоставим с узлами дорогой импортной техники.

Например, 100-ваттный ШПУ, производимый в США в виде набора для трансивера К2, стоит 359 USD, а тюнер для него — 239 USD. И зарубежные радиолюбители идут на такие затраты, дабы получить «всего-то какое-то согласование», о котором, как показывает опыт автора этой статьи, не задумываются многие наши пользователи транзисторной техники… Мысли о согласовании трансивера с нагрузкой в головах таких горе радиолюбителей начинают возникать только после случившейся аварии в аппаратуре.

Ничего не поделаешь — таковы сегодняшние реалии. Экзамены при получении лицензий и повышении категории любительской радиостанции зачастую проводятся формально. В лучшем случае у претендента на лицензию проверяется знание телеграфной азбуки. Хотя в современных условиях, на мой взгляд, целесообразно больший акцент делать на проверку технической грамотности — поменьше было бы «групповух для работы на даль» и «рассусоливаний» по поводу преимуществ UW3DI перед «всякими Айкомами и Кенвудами».

Автора статьи радует тот факт, что все реже и реже на диапазонах слышны разговоры о проблемах при работе в эфире с транзисторными усилителями мощности (например, появления TVI или низкой надежности выходных транзисторов). Компетентно заявляю, что если транзисторный усилитель правильно спроектирован и грамотно изготовлен, а при эксплуатации постоянно не превышаются максимальные режимы работы радиоэлементов, то он практически «вечен», теоретически, в нем ничего сломаться не может.

Обращаю внимание на то, что если постоянно не превышаются максимально допустимые параметры транзисторов, они никогда не выходят из строя. Кратковременную перегрузку, особенно транзисторы, предназначенные для линейного усиления в КВ-диапазоне, выдерживают достаточно легко. Изготовители мощных ВЧ-транзисторов проверяют надежность произведенного продукта таким способом — берется резонансный ВЧ-усилитель, и после того как на выходе устанавливаются оптимальный режим и номинальная мощность, вместо нагрузки подключают испытательное устройство. Элементы настройки позволяют менять активную и реактивную составляющие нагрузки.

Если в оптимальном режиме нагрузка связана с испытуемым транзистором через линию с волновым сопротивлением 75 Ом, то обычно в рассматриваемом устройстве отрезок линии замыкается резистором сопротивлением 2,5 или 2250 Ом. При этом КСВ будет равен 30:1. Такое значение КСВ не позволяет получить условия от полного обрыва до полного короткого замыкания нагрузки, но реально обеспечиваемый диапазон изменений достаточно близок к этим условиям.

Завод-изготовитель гарантирует исправность транзисторов, предназначенных для линейного усиления КВ-сигнала, при рассогласовании нагрузки 30:1 в течение не менее 1 с при номинальной мощности. Этого времени вполне достаточно для срабатывания защит от перегрузки. Работа усилителя мощности при таких значениях КСВ не имеет смысла, т.к. эффективность практически «нулевая», т.е. речь, конечно, идет об аварийных ситуациях.

Для решения проблемы согласования приемо-передающей аппаратуры с антенно-фидерными устройствами существует довольно дешевый и простой способ — применение дополнительного внешнего согласующего устройства. Хотелось бы акцентировать внимание счастливых пользователей «буржуинской» техники, не имеющей антенных тюнеров (да и самодеятельных конструкторов тоже), на этом очень важном вопросе.

Вся промышленная приемо-передающая аппаратура (и ламповая в том числе) комплектуется не только фильтрующими, но и, дополнительно, согласующими блоками. Возьмите, к примеру, ламповые радиостанции Р-140, Р-118, Р-130 — у них согласующие устройства занимают не менее четверти объема станции. А транзисторная широкополосная передающая техника вся, без исключения, комплектуется такими согласователями.

Изготовители идут даже на увеличение себестоимости этой техники — комплектуют автоматическими СУ (тюнерами). Но эта автоматика предназначена для того, чтобы обезопасить радиоаппаратуру от бестолкового пользователя, который смутно себе представляет, что и зачем он должен крутить в СУ. Предполагается, что радиолюбитель с позывным обязан иметь минимальное представление о процессах, происходящих в антенно-фидерном устройстве его радиостанции.

В зависимости от того, какие антенны применяются на любительской радиостанции, можно использовать то или иное согласующее устройство. Заявление некоторых коротковолновиков о том, что они применяют антенну, КСВ которой почти единица на всех диапазонах, поэтому СУ не требуется, показывает отсутствие минимальных знаний по этой теме. «Физику» здесь еще никому не удалось обмануть — никакая качественная резонансная антенна не будет иметь одинаковое сопротивление ни внутри всего диапазона, ни тем более на разных диапазонах.

Рис.1.

Что и происходит чаще всего — устанавливается или «инвертед-V» на 80 и 40 м, или рамка с периметром 80 м, а в худшем случае бельевая веревка используется в качестве «антенны». Особенно «талантливые» изобретают универсальные штыри и «морковки», которые, по безапелляционным заверениям авторов, «работают на всех диапазонах практически без настройки!»

Настраивается такое сооружение в лучшем случае на одном-двух диапазонах, и все — вперед, «зовем — отвечают, что еще больше нужно?» Печально, что для увеличения «эффективности работы» таких антенн все поиски приводят к «радиоудлинителям» типа выходного блока от Р-140 или Р-118. Достаточно послушать любителей «работать в группе на даль» ночью на 160 и 80-метровых диапазонах, а в последнее время такое можно уже встретить на 40 и 20 м.

Если антенна имеет КСВ = 1 на всех диапазонах (или хотя бы на нескольких) — это не антенна, а активное сопротивление, или тот прибор, которым измеряется КСВ, «показывает» окружающую температуру (которая в комнате обычно постоянна).

Не знаю — удалось или нет мне убедить читателя в том, что применять СУ требуется обязательно, но, тем не менее, перейду к описанию конкретных схем таких устройств. Их выбор зависит от применяемых на радиостанции антенн. Если входные сопротивления излучающих систем не опускаются ниже 50 Ом, можно обойтись примитивным согласующим устройством Г-образного типа — рис.1, т.к. оно работает только в сторону повышения сопротивления. Для того чтобы это же устройство «понижало» сопротивление, его необходимо включить наоборот, т.е. поменять местами вход и выход.

Рис.2.

Автоматические антенные тюнеры почти всех импортных трансиверов выполнены по схеме, показанной на рис.2. Антенные тюнеры в виде отдельных устройств фирмы изготавливают чаще по другой схеме (рис.3). Описание этой схемы можно найти, например, в [1, с.237]. Во всех фирменных СУ, изготовленных по этой схеме, имеется дополнительная бескаркасная катушка L2, намотанная проводом диаметром 1,2…1,5 мм на оправке диаметром 25 мм. Число витков — 3, длина намотки — 38 мм.

С помощью двух последних схем можно обеспечить КСВ = 1 практически на любой кусок провода. Однако не забывайте — КСВ = 1 говорит о том, что передатчик имеет оптимальную нагрузку, но это ни в коей мере не означает высокую эффективность работы антенны. С помощью СУ, схема которого приведена на рис.2, можно согласовать щуп от тестера в качестве антенны с КСВ = 1, но, кроме ближайших соседей, эффективность работы такой «антенны» никто не оценит. В качестве СУ можно использовать и обычный П-контур — рис.4. Достоинство такого решения — не требуется изолировать КПЕ от общего провода, недостаток — при большой выходной мощности трудно найти переменные конденсаторы с требуемым зазором.

Рис.3.

При применении на станции более или менее настроенных антенн и в том случае, когда не предполагается работа на 160 м индуктивность катушки СУ может не превышать 10…20 мкГн. Очень важно, чтобы имелась возможность получения малых индуктивностей до 1 …3 мкГн.

Шаровые вариометры для этих целей обычно не подходят, т.к. индуктивность перестраивается в меньших пределах, чем у катушек с «бегунком». В фирменных антенных тюнерах применяются катушки с «бегунком», у которых первые витки намотаны с увеличенным шагом — это сделано для получения малых индуктивностей с максимальной добротностью и минимальной межвитковой связью.

Достаточно качественное согласование можно получить, применяя в СУ «вариометр бедного радиолюбителя». Это две последовательно включенные катушки с переключением отводов (рис.5). Катушки — бескаркасные, и содержат по 35 витков провода диаметром 0,9…1,2 мм (в зависимости от предполагаемой мощности), намотанного на оправке 020 мм.

После намотки катушки сворачивают в кольцо и отводами припаивают на выводы обычных керамических переключателей на 11 положений. Отводы у одной катушки следует сделать от четных витков, у другой — от нечетных, например — от 1,3,5,7,9,11, 15,19, 23, 27-го витков и от 2,4, 6, 8,10, 14,18,22,28,30-го витков. Включив две такие катушки последовательно, можно переключателями подобрать требуемое количество витков тем более, что для СУ не особенно важна точность подбора индуктивности. С главной задачей — получением малых индуктивностей — «вариометр бедного радиолюбителя» справляется успешно.

Рис.4.

Чтобы этот самодельный тюнер по своим возможностям квазиплавной настройки приближался к «буржуинским» антенным тюнерам, например, АТ-130 от ICOM или АТ-50 от Kenwood, придется вместо одного галетного переключателя ввести закорачивание отводов катушки «релюшками», каждая из которых будет включаться отдельным тумблером. Семи «релюшек», коммутирующих семь отводов, будет достаточно, чтобы смоделировать «ручной АТ-50».

Пример релейной коммутации катушек приведен в [2]. Зазоры между пластинами в КПЕ должны выдерживать предполагаемое напряжение. Если применяются низкоомные нагрузки, при выходной мощности до 200…300 Вт можно обойтись КПЕ от старых типов РПУ. Если высокоомные — придется подобрать КПЕ с требуемыми зазорами (от промышленных радиостанций).

Рис.5.

Подход при выборе КПЕ очень прост — 1 мм зазора между пластинами выдерживает напряжение 1000 В. Предполагаемое напряжение можно найти по формуле

U = ЦP/R , где:

  • Р — мощность,
  • R — сопротивление нагрузки.

На радиостанции обязательно должен быть установлен переключатель, при помощи которого трансивер отключается от антенны в случае грозы (или в выключенном состоянии), т.к. более 50% случаев выхода из строя транзисторов связаны с наводкой статического электричества. Переключатель можно смонтировать или в антенном коммутаторе, или в СУ.

П-образное согласующее устройство

Итогом различных опытов и экспериментов по рассмотренной выше теме стала реализация П-образного «согласователя» — рис.6. Конечно, трудно избавиться от «комплекса схемы буржуинских тюнеров» рис.2 — эта схема имеет важное преимущество, заключающееся в том, что антенна (по крайней мере, центральная жила кабеля) гальванически развязана от входа трансивера через зазоры между пластинами КПЕ. Но безрезультатные поиски подходящих КПЕ для этой схемы вынудили отказаться от нее. Кстати, схему П-контура используют и некоторые фирмы, выпускающие автоматические тюнеры, например, американская КАТ1 Elekraft или голландская Z-11 Zelfboum.

Помимо согласования, П-контур выполняет еще и роль фильтра низких частот, что очень полезно при работе на перегруженных радиолюбительских диапазонах — вряд ли кто-то откажется от дополнительной фильтрации гармоник. Главный недостаток схемы П-образного согласующего устройства — необходимость применения КПЕ с достаточно большой максимальной емкостью, что наводит на мысль о причине, по которой такая схема не применяется в автоматических тюнерах импортных трансиверов. В Т-образных схемах чаще всего используются два КПЕ, перестраиваемые моторчиками. Понятно, что КПЕ на 300 пФ будет намного меньше размером, дешевле и проще, нежели КПЕ на 1000 пФ.

Рис.6.

В схеме СУ, показанной на рис.6, применены КПЕ с воздушным зазором 0,3 мм от ламповых приемников. Обе секции конденсатора включены параллельно. В качестве индуктивности применена катушка с отводами, переключаемыми керамическим галетным переключателем.

Катушка — бескаркасная, и содержит 35 витков провода 00,9… 1,1 мм, намотанных на оправке 021…22 мм. После намотки катушка свернута в кольцо и своими короткими отводами припаяна к выводам галетного переключателя. Отводы сделаны от 2, 4, 7, 10, 14, 18, 22, 26 и 31-го витков.

КСВ-метр изготовлен на ферритовом кольце. Проницаемость кольца при работе на KB решающего значения, в общем-то, не имеет, в авторском варианте применено кольцо 1000НН с внешним диаметром 10 мм.

Кольцо обмотано тонкой лакотканью, а затем на него намотаны 14 витков провода ПЭЛ 0,3 (без скрутки, в два провода). Начало одной обмотки, соединенное с концом второй, образует средний вывод.

В зависимости от требуемой задачи (точнее, от того, какую мощность предполагается пропускать через СУ, и от качества светодиодов VD4 и VD5), можно использовать кремниевые или германиевые детектирующие диоды VD2 и VD3. При использовании германиевых диодов можно получить более высокую чувствительность. Наилучшие из них — ГД507. Однако автор применяет трансивер с выходной мощностью не менее 50 Вт, поэтому в КСВ-метре отлично работают обычные кремниевые диоды КД522.

Как «ноу-хау», помимо обычной, на стрелочном приборе, применена светодиодная индикация настройки. Для индикации «прямой волны» используется светодиод VD4 зеленого цвета, а для визуального контроля за «обратной волной» — красного цвета (VD5). Как показала практика, это очень удачное решение — всегда можно оперативно отреагировать на аварийную ситуацию. Если во время работы в эфире что-то случается с нагрузкой, красный светодиод начинает ярко вспыхивать в такт с излучаемым сигналом.

Ориентироваться по стрелке КСВ-метра менее удобно — не будешь же постоянно пялиться на нее во время передачи! А вот яркое свечение красного света хорошо заметно даже боковым зрением. Это положительно оценил Юрий, RU6CK, когда у него появилось такое СУ (к тому же, у Юрия плохое зрение). Уже более года и сам автор использует в основном только «светодиодную настройку» СУ, т.е. настройка «согласователя» сводится к тому, чтобы погас красный светодиод и ярко «полыхал» зеленый. Если уж и захочется более точной настройки, ее можно «выловить» по стрелке микроамперметра. В качестве микроамперметра применен прибор М68501 с током полного отклонения 200 мкА. Можно применить и М4762 — они устанавливались в магнитофонах «Нота», «Юпитер». Понятно, что С1 должен выдерживать напряжение, выдаваемое трансивером в нагрузку.

Настройка изготовленного устройства выполняется с использованием эквивалента нагрузки, который рассчитан на рассеивание выходной мощности каскада. Присоединяем СУ к трансиверу «коаксиалом» минимальной длины (насколько это возможно, т.к. этот отрезок кабеля будет использоваться в дальнейшей работе СУ и транисивера) с требуемым волновым сопротивлением, на выход СУ без всяких «длинных шнурков» и коаксиальных кабелей подключаем эквивалент нагрузки, выкручиваем все ручки СУ на минимум и выставляем при помощи С1 минимальные показания КСВ-метра при «отраженке». Следует заметить, что выходной сигнал передатчика не должен содержать гармоник (т.е. должен быть фильтрованный), в противном случае минимум можно и не отыскать. Если конструкция изготовлена правильно, минимум получается при емкости С1, близкой к минимальной.

Затем меняем местами вход и выход прибора и снова проверяем «баланс». Проверку осуществляем на нескольких диапазонах. Сразу предупреждаю, автор не в состоянии помочь каждому радиолюбителю, который не справился с настройкой описанного СУ. Если у кого-то не получается изготовить СУ самостоятельно, у автора данной статьи можно заказать готовое изделие. Всю информацию можно получить здесь [3].

Светодиоды VD4 и VD5 необходимо выбирать современные, с максимальной яркостью свечения. Желательно, чтобы светодиоды имели максимальное сопротивление при протекании номинального тока. Автору удалось приобрести красные светодиоды сопротивлением 1,2 кОм и зеленые — 2 кОм. Обычно зеленые светодиоды светятся слабо, но это и неплохо — ведь изготавливается не елочная гирлянда. Главное требование к зеленому светодиоду — его свечение должно быть достаточно отчетливо заметно в штатном режиме передачи. А вот цвет свечения красного светодиода, в зависимости от предпочтений пользователя, можно выбрать от ядовито-малинового до алого.

Как правило, такие светодиоды имеют диаметр З…3,5 мм. Для более яркого свечения красного светодиода применено удвоение напряжения — в схему введен диод VD1. По этой причине точным измерительным прибором наш КСВ-метр уже не назовешь — он завышает «отраженку». Если требуется измерять точные значения КСВ, необходимо применить светодиоды с одинаковым сопротивлением и сделать два плеча КСВ-метра абсолютно одинаковыми — или оба с удвоением напряжения, или без удвоения. Однако оператора скорее волнует качество согласования цепи «трансивер — антенна», а не точное значение КСВ. Для этого вполне достаточно светодиодов.

Предложенное СУ эффективно при работе с антеннами, запитанными через коаксиальный кабель. Автор испытывал СУ на «стандартные», распространенные антенны «ленивых» радиолюбителей — «рамку» периметром 80 м, «инвертед-V» — совмещенные 80 и 40 м, «треугольник» периметром 40 м, «пирамиду» на 80 м.

Константин, RN3ZF, (у него FT-840) применяет такое СУ со «штырем» и «инвертед-V» в том числе, и на WARC-диапазонах, UR4GG — с «треугольником» на 80 м и трансиверами «Волна» и «Дунай», a UY5ID с помощью описанного СУ согласовывает ШПУ на КТ956 с многосторонней рамкой периметром 80 м с симметричным питанием (используется дополнительный переход на симметричную нагрузку).

Если при настройке СУ не удается погасить красный светодиод (достичь минимальных показаний прибора), это может означать, что, помимо основного сигнала, в излучаемом спектре содержатся гармоники (СУ не в состоянии обеспечить согласование одновременно на нескольких частотах). Гармоники, которые по частоте располагаются выше основного сигнала, не проходят через ФНЧ, образуемый элементами СУ, отражаются, и на обратном пути «поджигают» красный светодиод. О том, что СУ «не справляется» с нагрузкой, может говорить только лишь тот факт, что согласование происходит при крайних значениях (не минимальных) параметров КПЕ и катушки, т.е. когда не хватает емкости или индуктивности. Ни у кого из указанных пользователей при работе СУ с перечисленными антеннами ни на одном из диапазонов таких случаев не отмечено.

СУ было испытано с «веревкой», т.е. с проволочной антенной длиной 41 м. Не следует забывать, что КСВ-метр является измерительным прибором только в случае обеспечения с обеих его сторон нагрузки, при которой он балансировался. При настройке на «веревку» светятся оба светодиода, поэтому за критерий настройки можно принять максимально яркое свечение зеленого светодиода при минимально возможной яркости красного. По-видимому, это будет наиболее верная настройка — по максимуму отдачи мощности в нагрузку.

Хотелось бы обратить внимание потенциальных пользователей данного СУ на то, что ни в коем случае нельзя переключать отводы катушки при излучении максимальной мощности. В момент переключения происходит разрыв цепи катушки (хотя и на доли секунды), и резко меняется ее индуктивность. Соответственно, подгорают контакты галетного переключателя и резко меняется сопротивление нагрузки выходного каскада. Переключать галетный переключатель необходимо только в режиме приема.

Информация для дотошных и «требовательных» читателей — автор статьи сознает, что КСВ-метр, установленный в СУ, не является прецизионным высокоточным измерительным прибором. Да такой цели при его изготовлении и не ставилось! Основная задача была — обеспечить трансиверу с широкополосными транзисторными каскадами оптимальную согласованную нагрузку, еще раз повторю — как передатчику, так и приемнику. Приемник, как и мощный ШПУ, в полной мере нуждается в качественном согласовании с антенной!

Кстати, если в вашем «радио» оптимальные настройки для приемника и передатчика не совпадают, это говорит о том, что настройка аппарата или вообще толком не производилась, а если и производилась, то, скорее всего, только передатчика, а полосовые фильтры приемника имеют оптимальные параметры при других значениях нагрузки.

КСВ-метр, установленный в СУ, покажет, что регулировкой элементов СУ мы добились параметров той нагрузки, которую присоединяли к выходу ANTENNA трансивера во время его настройки. Применяя СУ, можно спокойно работать в эфире, зная, что трансивер не «пыжится и молит о пощаде», а имеет почти ту же нагрузку, на которую его и настраивали. Разумеется, это не говорит о том, что антенна, подключенная к СУ, стала работать лучше. Не забывайте об этом!

Радиолюбителям, мечтающим о прецизионном КСВ-метре, могу рекомендовать изготовить его по схемам, приведенным во многих зарубежных серьезных изданиях, или купить готовый прибор. Но придется раскошелиться — действительно, приборы, выпускаемые известными фирмами, стоят от 50 USD и выше СВ — ишные польско-турецко-итальянские во внимание не беру. Удачная, хорошо описанная конструкция КСВ-метра приведена в [2].

А. Тарасов, (UT2FW) [email protected]

Литература:

  1. Бунин С.Г., Яйленко Л.П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. — К.: Техника, 1984.
  2. М. Левит. Прибор для определения КСВ. — Радио, 1978, N6.
  3. http://www.cqham.ru/ut2fw/

ts-990s.ru

изготовление, устройство и согласование с кабелем

Пришла пора рассказать важную информацию: зачем сдирали обмотку кабеля при конструировании простейшего несимметричного вибратора для приема цифрового телевидения, когда показывали, как сделать самую простую антенну. Напомним, в этих целях кусок коаксиального кабеля выбранной длины зачищался от изоляции, снабжался f-разъемом и втыкался в приставку. Располагали горизонтально и, по возможности, перпендикулярно направлению прихода сигнала. Подобная несложная конструкция ловит сигнал в городах без труда. Но, обратите внимание, в рациях рекомендовали использовать оплетку, замыкая на жилу у основания при стыковке с платой. Уже рассказали, как сделать антенну собственными руками для любого случая, а теперь перейдем к тонкостям.

Диапазон частот

Для изготовления правильной антенны выясните диапазон частот. В дальнейшем задача сводится к поиску готовых конструкций. Вероятно, читатели не станут брать в библиотеке учебник по расчету антенн и высчитывать размеры. Есть возможность воспользоваться готовыми чертежами, требуется определить частоту канала в Гц и структуру сигнала (тип поляризации).

Информация, умалчиваемая в пособиях по изготовлению самодельных антенн

В обзоре изготовления антенны Харченко упомянули, что для каждой частоты используют фиксированный диаметр провода. Чем больше длина волны, тем материал толще. Понятно, что при определенных условиях достать проволоку нужного диаметра уже не получается, потому конструируют из пластин либо создают несколько контуров. Что касается простых вибраторов, упоминали, что повышение толщины медной жилы расширяет полосу принимаемых частот. На чем и основан принцип действия фрактальных биконусных антенн, изобретенных более века назад.

Получается, что толщина провода вносит коррективы. Для длинноволновых антенн и рекомендуется применять антенные канатики. Данный материал подобен одножильной полевки. Прочный и тонкий антенный канатик не искажает характеристик, в отличие от обычной проволоки, толщина которой может оказаться значительной. Как подобный момент учитывать при конструировании. Длина полуволнового вибратора меньше идеальной расчетной. Исключительно в рассматриваемом случае обеспечивается точное попадание частоты в резонанс. Чем толще проволока, тем дальше уход. Что касается канатиков и тонкой проволоки, то в их случае длина составляет 97% расчетной. Теперь становится понятно, почему при ловле цифрового мультиплекса снимали оплетку.

Для радиостанций оставляли экран, в основном, для хороших эксплуатационных качеств. Внешняя изоляция кабелей прочная, и антенна для рации долговечна. Правда, длину следует брать меньше расчетной. Проще определить нужные размеры опытным путем, отрезая немного от кабеля и измеряя дальность приема. А теперь приведем таблицу, где даны длины полуволновых вибраторов и толщины проволоки. Цифры сведены в таблицу. По столбцам идут номера каналов, по строкам длины полуволновых вибраторов в зависимости от двух толщин медной проволоки, 1,5 мм и 4 мм.

Видно, что разница составляет 1 см до нескольких миллиметров и падает с ростом частоты. Это не удивительно, скорее поправка связана с уменьшающейся длиной волны. Поясним, что дело касается телевидения, укажем частоты для приведенных каналов.

Это несущие изображения, близкие к левой границе полосы канала. Звук располагается симметрично сверху. Соответственно, не окажется ошибкой настроить полуволновой вибратор на это значение. Тогда для серединной частоты антенна окажется чуть коротковата, что и требуется. Выше приведена точная таблица, ею руководствуемся для создания приемной системы телевещания. Что делать, если провод отличается по диаметру от указанного. Сообразно чуть изменить длину самодельной антенны. Кстати, не забывайте, что для телевидения полуволновой вибратор расположен горизонтально, а для радиоприемников – вертикально, этим учитывается поляризация сигнала. В первом случае антенна перпендикулярна направлению на станцию вещания.

Согласование и симметрирование самодельных антенн

Тем, кто привык пользоваться покупными антеннами, потребуется выучить два вопроса:

  1. Симметрирование самодельных антенн.
  2. Согласование антенн с кабелем (фидером).

Начнем со второго, так как он очевиднее. В каждой линии волна двигается, отражаясь от стенок. Задан угол переотражения. Собственно, и длина волны в линии меняется, что не так важно в рассматриваемом случае. Сопротивление меди не играет великой роли, ведь волна бежит в диэлектрике, хотя и активная составляющая накладывает ограничения. Энергия отражается экраном и не выходит за пределы линии.

Разумеется, чем выше проводимость металла, тем потери окажутся меньше. Идеальный коаксиальный кабель с золотым напылением. Кстати, прочий тип линий – волноводы – подобным качеством обладает. Потому стоят дорого (а в паспорте указана процентная доля драгоценных металлов, подлежащих сдачи государству при утилизации).

Когда волна бежит внутри линии, то отражается от препятствий. Проще проиллюстрировать на примере оборудования для исследования высоковольтных линий. Специальный фургон с аппаратурой в кабель посылает электрический сигнал звуковой частоты. Тот отражается от любой муфты, но, так как у ремонтников имеется карта, подобные неоднородности не интересуют. Но обрыв заметен на фоне регулярных источников отражения. Из примера понятно, как важна однородность линии. Согласование преследует цели исключения помех движению сигнала. Как правило, речь идет о такой неоднородности, как неодинаковые волновые сопротивления участков линии.

Наглядный, но слабый пример: представить канал с текущей по нему водой. Русло сужается, образуется круговорот. Но волне в линии все равно «сужается» или «расширяется» канал, все равно частично поворачивает назад. Причем процесс повторяется многократно: волна, как маятник, бегает туда и сюда, постепенно затухая. Подобные процессы снижают качество приема. Не так просто добиться согласования. Антенны наделены волновым сопротивлением, в точности, как у линии.

При излучении волна испытывает на себе сопротивление. Соответственно, теряется часть мощности. Это сопротивление называют волновым.

Отличие от активного, что волновое сопротивление зависит от длины волны (частоты сигнала). Измеряют при помощи генератора и высокочастотного вольтметра, как обычное. Это сопротивление равно для радио 50 Ом, а для телевещания – 75 Ом. Сообразно кабелю. На практике далеко не всегда получается. Для этого собирают согласующие устройства, к примеру, четвертьволновые трансформаторы. Передают энергию почти без потерь, точная настройка антенны ведется по КСВ метру. В случае полуволновых вибраторов допустимо укорачивать плечи и смотреть, изменились ли к лучшему параметры.

Важно симметрирование антенны. Это играет роль на метровых и декаметровых волнах, с ростом частоты эффект снижается. Но 12 каналов (вместе с FM-радио) попадают в диапазон, значит, вопрос лишним не является. Сам диполь с двумя плечами устройство симметричное, а кабель – несимметричная линия. В результате образуется разность потенциалов, искажающая диаграмму направленности, усиливающая уровень боковых лепестков. За счет токов, наведенных на оплетке линии, появляются паразитное излучение и паразитный прием. Если для радио это нестрашно, в случае с телевидением все шансы получать вместе с полезным сигналом часть стороннего. Подобные эффекты мешают в крупных городах с сильным уровнем помех.

Симметрирующие устройства для полуволновых вибраторов

Телевидение приняло за стандарт кабель 75 Ом. И волновое сопротивление полуволнового вибратора составляет 75 Ом. Согласование в данном случае не требуется. Но симметрирующее устройство собрать нужно. И покажем, как это сделать. Ниже приведен рисунок простейшего приспособления для этих целей. Сам он взят с сайта http://lib.qrz.ru/node/1033, где появился, как полагаем, благодаря одной из многочисленных книг на тему конструирования антенн. Приводим ниже таблицу с указанием длин а и б, а провод является отрезком коаксиального кабеля.

Разумеется, выдуманы и прочие разновидности антенн, некоторые годятся и в качестве комнатных. Полуволновой вибратор хорош простотой. Подобная самодельная антенна принимает цифровой мультиплекс, изготавливается из подручного материала. Длинные вибраторы ставят на растяжки и вешают между домами (прием телевещания). Часть конструкций достигают в высоту жилого многоквартирного дома. Неудивительно, что радиолюбители подобные ставят редко.

В эпоху СССР гражданам удавалось связаться с США. Длинные волны огибали земную поверхность и с трудом улавливались пеленгаторами спецслужб. Не скажем, использовались подобные методики диссидентами, но любители баловались, закрывая глаза на разрешенные для бытовой связи диапазоны.

Теперь читатели знают, как сделать антенну самостоятельно.

vashtehnik.ru

Оптимальное согласование антенны — Мои статьи — Каталог статей

Эффективность антенны во многом зависит от ее согласования. Особенно это важно при работе на QRP, где требования к применяемой аппаратуре и антеннам особенно важны. Работа с малой мощностью очень интересна в полевых условиях, в пешем или байдарочном походе, где учитывается каждый грамм веса рюкзака за спиной или в лодке. В поход не возьмешь тяжелый трансивер, а малогабаритные варианты тоже не очень удобны – только на прием потребляют около двух ампер, не говоря уже о потреблении в режиме передачи. Не будешь же таскать с собой автомобильный аккумулятор для питания трансивера. Есть, конечно, и малопотребляющие, маленькие импортные трансиверы. Например, FT-817. Но нам — Радиолюбителям, у когда есть возможность, желание и умение сделать самодельный трансивер с нехудшими параметрами на прием и передачу, но с пренебрежением излишним сервисом «иномарок», почему бы не сделать его своими руками? Тем более, если это получается с гораздо меньшими габаритами, весом и, главное — потреблением энергии от источника питания.

Рис.1

Ссылка на оригинал изображения:

http://narod.ru/disk/20380671000/qrptrx20.jpg.html

Ссылки на видео с записью звучания трансивера: http://narod.ru/disk/26336244000/dds_modl.mpg.html

 

Про самодельную любительскую аппаратуру, это отдельный разговор. Здесь речь об антенне, о ее согласовании. В поход не возьмешь тяжелую мачту и сложную, направленную антенну. Приходится применять легкие проволочные конструкции. «Королем» всех антенн является полуволновый диполь. Он служит «точкой отчета» для сравнения с другими антеннами. Например, коэффициент усиления всех направленных антенн рассчитывается в сравнении именно с таким диполем. Полуволновый диполь с запиткой в центре (есть полуволновые вибраторы, которые питаются с конца –  http://rx3akt.narod.ru/ant_akt.html) имеет одно очень удобное свойство – сопротивление в точке питания довольно близко к волновому сопротивлению распространенных марок коаксиальных кабелей. Это позволяет гораздо легче их согласовывать. Конечно, оптимальное или наилучшее согласование всего тракта антенно-фидерного устройства можно произвести только на одном единственном диапазоне. В данной статье рассказывается о диполе для диапазона двадцать метров.

Зачем и с чем нужно согласовывать антенны? Есть общеизвестный принцип в электра и радиотехнике – он называется «Условие максимальной отдачи мощности от источника». Напомню его суть: Каждый источник электрического сигнала (передатчик, генератор, батарейка, Братская ГЭС…) можно представить в виде эквивалентной схемы – собственно источника электроэнергии – источника ЭДС и последовательно с ним соединенного сопротивления, внутреннего сопротивления источника.

Рис.2

Источник ЭДС условно берется с бесконечно малым внутренним сопротивлением. Это значит, что он способен отдать бесконечно большой ток в бесконечно малую по величине омическую нагрузку и, при этом, не иметь «просадки» напряжения на своих выводах. Лом или рельса должны просто испариться при КЗ ими такого источника. Внутреннее сопротивление источника отражает все потери внутри него. В генераторе электростанции, например, – это в основном сопротивления обмоток роторов или статоров, проводов ЛЭП, потери в трансформаторах. В трансивере – омические потери на сопротивлениях ламп или переходах транзисторов и др. Именно на внутреннем сопротивлении источника и происходит падение напряжения, которое мы ощущаем при присоединении нагрузки к реальной батарейке или к генератору. Таким образом, мы как бы мысленно, отделяем мух от котлет – отдельно рассматриваем внутренний источник электродвижущей силы (ЭДС), который определяет напряжение в режиме без нагрузки (холостой ход – Х.Х.) и внутреннее сопротивление источника – его потери. Так, вот – максимальную мощность от реального источника сигнала можно «взять» только тогда, когда сопротивление подсоединенной внешней нагрузки будет равно тому самому «теоретическому» внутреннему сопротивлению источника. Конечно, не обойтись без знакомой всем по практике просадки напряжения на клеммах нашего источника – это напряжение, которое садится на сопротивлении, спрятанном внутри источника. Но, все равно, произведение тока и напряжения на внешней нагрузке (т.е. МОЩНОСТЬ) будет максимальной именно при условиях равенства величин внутреннего и внешнего нагрузочного сопротивлений. Кстати, из вышесказанного можно увидеть простой экспериментальный способ определения этого неуловимого внутреннего сопротивления источника – Измеряем напряжение без нагрузки, в режиме холостого хода (ХХ). Затем присоединяем переменную нагрузку и, изменяя ее, добиваемся напряжения на внешних клеммах источника, равного половине от напряжения ХХ. Сопротивление нагрузки при этом будет равно искомому внутреннему сопротивлению источника. Почему так получается? Взгляните на эквивалентную схему — при равенстве сопротивлений мы имеем знакомый всем резистивный делитель напряжения на два. Вот и вся премудрость! (Изложенное выше не относится к системам с авторегулировкой внутреннего сопротивления, к которым например относятся стабилизированные источники питания и все выходные каскады УМ современных трансиверов с системой ALC. А то некоторые умники бездумно цитируют меня, без малейшего упоминания на авторство текста цитаты, а мне потом за них приходится краснеть… http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?t=9305&page=57 … Посты ##385,414,554,)

Зачем этот рассказ про батарейки и электростанции нужен нам, радиолюбителям? Да, именно, для того, что бы знать, как взять максимально возможную мощность от наших и без того слабых QRP передатчиков и довести ее с минимальными потерями через фидер до излучающей части антенны. При наличии фидера задача разделяется на два этапа – согласования (уравнивания) выходного сопротивления передатчика с волновым сопротивлением применяемого фидера и на стороне полотна антенны —  согласования волнового сопротивления фидера с сопротивлением в точке подключения полотна антенны. Всем известно, что внутреннее сопротивление выхода всех современных трансиверов постоянно и равно 50 Ом. (Как это достигается во всей полосе рабочих частот?  Это отдельный, интересный рассказ. Скажу только, что здесь важнейшую роль играет система ALC.) В трансиверах с П-контуром необходимо предварительно добиться максимальной отдачи мощности на 50-ти омный эквивалент и потом не трогать настройку.

Обратите внимание, что я намеренно не упоминаю о реактивных составляющих сопротивлений. Третья, немаловажная цель согласования – это достижение резонанса в нагрузке. Явление электрического резонанса в любой колебательной системе, контуре или полотне антенны, заключается в том, что реактивные составляющие емкостного и индуктивного характера имеют равные сопротивления, но противоположные по знаку. Это значит, что воздействия этих зловредных сопротивлений на нагрузку взаимокомпенсируются и равны нулю. При резонансе существует только активная составляющая нагрузки, реактивных НЕТ! Это очень удобно из практических соображений. Ведь согласование (трансформация сопротивлений) на радиочастотах гораздо легче осуществляется с помощью широкополосных трансформаторов на длинных линиях (ШПТЛ), чем с помощью колебательных контуров. Но ШПТЛ-ы могут и должны работать ТОЛЬКО на активные нагрузки со стороны входа и выхода. Резонанс излучающей части антенны зависит от ее геометрических размеров – длины.

 

Ссылка на мой сайт – статья про ШПТЛ http://rx3akt.narod.ru/shptl.html

 

Есть и четвертая цель согласования – это симметрирование. Здесь важен старый Римский принцип: «Подобное к подобному». Точки питания полуволнового диполя РАВНОПРАВНЫ относительно земли или, СИММЕТРИЧНЫ, относительно ее же. Значит, и питаться они должны симметрично. Для этого обычно применяется фидер в виде симметричной открытой линии, но, оказывается, волновое сопротивление такой линии очень далеко от сопротивления в точке питания диполя. Есть еще один недостаток открытой линии – она критична к условиям прокладки. Окружающая среда влияет на ее параметры. Напротив – коаксиальные кабели нечувствительны к магнитным и диэлектрическим условиям среды прокладки и обладают равным или близким сопротивлением с точками питания вибратора дипольной антенны. С точки зрения обеспечения первого условия согласования антеннофидерной системы – уравнивания выходного сопротивления несимметричного выхода передатчика и волнового сопротивления коаксиального (несимметричного) фидера, в качестве последнего, конечно, необходимо применять 50-ти омный кабель. Соображения разницы потерь в симметричном и несимметричном фидерах считаю несущественными по сравнению с потерями на согласование. При небольших длинах фидеров в полевых условиях потерями в них можно пренебречь, а разница потерь в согласующих устройствах при этом будут гораздо существеннее. Здесь действует правило: «Чем больше надо трансформировать сопротивление, тем больше потерь». Оказывается проблему настоящего, а не мнимого симметрирования может успешно выполнять тот же широкополосный трансформатор, что согласует сопротивления полотна антенны и кабеля фидера.

         Теперь несколько практических соображений, порядок создания описываемой антенны. Сперва я исследовал свойства горизонтального диполя на теоретических моделях в программе MMANA. Смотрел, как изменяется комплексное сопротивление в зависимости от длины полотна условий подвеса. Следил за изменениями характера диаграммы направленности. Основной моей целью было выяснить при какой длине вибраторов в точке питания будет исключительно активное сопротивление (резонанс) и какова величина получившегося сопротивления. Попутно выяснял, как сдвигается частота резонанса и диаграмма направленности в зависимости от высоты подвеса. Почему я интересовался исключительно горизонтальным расположением (поляризацией) антенны? Из опыта работы в полевых условиях я понял, что такое расположение полотна наиболее часто применяется и более удобно на практике. А из своих теоретических знаний я знаю, что после первого же скачка отражения от ионосферы на приемном конце от исходной поляризации не остается и следа! Мало того – поляризация постоянно изменяется, крутится. Это и является одной из причин федингов. Стоит ли тогда любыми средствами стремиться иметь вертикальную поляризацию, как по рекомендациям многих «гуру» стремятся делать многие радиолюбители для увеличения дальности связи? Ясно, что НЕТ! А, ведь, это один из многих устойчивых мифов в нашей радиолюбительской среде. К тому же – при горизонтальном подвесе можно использовать направленные свойства диполя и получить преимущества в выбранном направлении (на восток) и подавление в нежелательном (на юг), где много мешающих станций. Я такие мифы собираю и может быть когда ни будь, напишу о них.

Так, вот – выяснилось, что сопротивление диполя при резонансе будет около 76 Ом, а наилучшая форма диаграммы направленности – при высоте подвеса близком к половине волны (см. Рисунок 13).

Рис.3                   Страницы MMAN-ы, размеры

 

Рис.4                   ЧХ комплексного сопротивления антенны

 

 

 

Рис.5                   Диаграммы направленности при высоте подвеса половина волны (10 метров).

 

         С выбором фидера, мы уже все решили. Теперь разберемся с полотном. Полотно легкой полевой антенны я сделал из многожильного, монтажного медного провода в ПВХ изоляции. Он гибок, прочен и легок, при необходимости сматывается в клубок и не спутывается.

Рис.6                   Общий вид антенны в сборе. Для сравнения размеров – микрофон от Кенвуда 570Д.

 

При настройке резонансной длины антенны ее концы симметрично подворачиваются назад и накручиваются на подходящее полотно с небольшим шагом. Концы фиксируются нитяным бандажом. Кембрики из ПВХ трубки служат для плавности закруглений концов при растягивании оттяжками, в качестве которых я всегда использую тонкий витой капроновый шнур, диаметром 1 мм, применяемый для рыбной ловли.

Рис.7                   Заделка настраиваемых концов полотна

 

Такой способ регулировки длины полотна не ухудшает его излучающей способности, ведь скрученные участки представляют собой витые пары линии. На радиочастоте они сильно связаны друг с другом полем и, фактически являются единым проводником с токами, текущими в одном направлении.

         Контроль резонанса осуществлялся по минимуму КСВ в нижней части фидера, возле трансивера. Можно применять внешний КСВ метр или собственный КСВ метр радиостанции. Так как ни каких промежуточных значений КСВ, кроме 1,0 не должно быть, то правильность настройки резонанса полотен уточнялось включением дополнительных удлинителей фидера произвольной длины – отрезки кабеля с разъемами и с тем же волновым сопротивление, что и фидер. Соображения здесь следующие: если имеется истинная настройка согласования в точке нагрузки кабеля (в верхней, дальней части фидера), то от ЛЮБОГО изменения его длины значение измеренного КСВ в нижней, ближней точке не должно изменяться и уходить от идеального значения. Если КСВ все же изменяется, это очевидно свидетельствует о неправильном согласовании на дальнем конце фидера и наличии трансформирующего эффекта кабеля по его длине. Замеры делаются на одной, единой частоте. Я выбрал частоту середины «Русского» SSB участка 14,150 КГц. Хотя потом оказалось, что идеальный КСВ сохранялся во всем диапазоне от начала до конца. Повышение КСВ наблюдалось только за пределами диапазона. Еще раз подчеркну, что такой метод проверки истинности согласования фидера с нагрузкой может применяться только при оптимальном согласовании и при КСВ, близком к идеалу. При компромиссных значениях КСВ этот метод недопустим, так как может ввести в заблуждение – вы получите идеальный КСВ в нижней точке кабеля, а истинный КСВ в нем будет далек от нормы. Судить о настройке антенны по КСВ в нижней точке фидера – это еще один устойчивый ЛОЖНЫЙ МИФ, существующий в радиолюбительской среде.

 

Основной изюминкой данной антенны является симметрирующий и согласующий широкополосный трансформатор на длинных линиях. Как было описано в упомянутой уже моей статье

 

Ссылка на статью про ШПТЛ  http://rx3akt.narod.ru/shptl.html

 

Для трансформации сопротивления 50 Ом в сопротивление 75 Ом требуется коэффициент трансформации 5:6. Применяемый в антенне трансформатор дополнительно еще выполняет функцию симметрирования. О проверке и тестировании свойств ИСТИННОГО симметрирования написано в конце той же статьи по ссылке на мой сайт. Достаточно присоединить активный эквивалент нагрузки 75 Ом к выходу трансформатора, подать на пятидяситиоммный вход сигнал от ГСС-а и убедиться в равенстве напряжений на выводах симметричной нагрузки относительно оплетки кабеля, подходящего к несимметричному входу трансформатора (общему проводу сигнала).

Рис.8                   Схема симметрирующего трансформатора 50 на 75 Ом

 

Конструкция моего трансформатора является производной от известной схемы ШПТЛ с коэффициентом трансформации 1:1, так называемый «трансформатор с компенсирующей обмоткой»

Рис.9                   Схема симметрирующего трансформатора 50:50 Ом

 

Здесь приведена схема в привычном начертании. Так легче увидеть, что основным признаком любого симметрирующего трансформатора является то, что оплетка подходящего несимметричного коаксиального кабеля является центром для симметричной части обмотки трансформатора. Вот, к примеру, схема трансформатора 1:2 (1:4 по сопротивлению). Та же картина.

Рис.10                 Схема симметрирующего трансформатора 50:200 Ом

 

Сердечником для ШПТЛ-ов служит кольцевой ферритовый магнитопровод диаметром 10…50 мм и с магнитной проницаемостью 600…2000. Такие маленькие трансформаторы при правильном их использовании (активные нагрузки с входа и выхода) способны легко трансформировать мощности до 500…1000 Вт без нагрева, то есть, без больших потерь, в широком диапазоне частот. Показательный пример – мизерные размеры выходных трансформаторов в малогабаритных трансиверах (IC-706, IC-7000…). Максимальная выходная мощность у них равна 100 Вт, а размер биноклей – чуть больше наперстка. И ничего, работают!

Обмотка трансформатора 1:1 представляет собой три сложенных провода, диаметром 0,5…1,0 мм. Проволока – обычная обмоточная, медная, лакированная. Провода слабоскрученны между собой. Для чего нужна скрутка? Для обеспечения равноправия между каждым проводом. Передача энергии между «обмотками» ШПТЛ-а происходит не путем перемагничивания сердечника, а с помощью ПОЛЯ между элементами линии. Если мы намотаем все три провода плоской обмоткой, без скрутки, то центральный проводник будет равноправен относительно двух крайних, а, вот крайние, относительно друг друга, будут далеко не равны в правах. Передача энергии поля между ними будет затруднена наличием среднего провода. При слабой скрутке все три провода передают энергию друг другу одинаково. Достаточно 1…2 скрутки на 1 см длины. Число витков не особенно критично – довольно 3…6. Другими словами – длина «колбаски» проводов должна быть 20…30 см. После намотки необходимо соединить начала и концы проводов, согласно схеме.

         Как же заставить трансформатор осуществлять такой диковинный коэффициент трансформации – 5:6? Да еще так, что бы симметричная часть пропорции – шесть, имела землю по середине – разделялась на две части 3+3? Я это сделал следующим образом: сперва сделал «колбаску» из трех проводов, как для трансформатора 1:1. Затем условно разделил ее на три части. Отметил деления маркером – фломастером. Выбрал один из проводов линии и расплел его на одну треть общей длины, до первой риски, загнул перпендикулярно «колбасе». На оставшиеся две трети линии из трех проводников, надел термоусадочную трубку и усадил ее термофеном. (можно вместо этого обмотать всю колбасу монтажной ниткой, что бы не расплелась при намотке). Одну треть линии из двух проводов тоже, отдельно, заправил в трубку и усадил при температуре. Перпендикулярный отвод временно загнул обратно, к «друзьям», и общей косичкой произвел намотку на кольцо. Термоусадочная трубка сохранит провода линии и механически и электрически. После намотки произвел коммутацию проводов линии – два длинных провода соединил начало с концом – н.2 с к.3. Эта точка – земля или оплетка входящего кабеля. Один из свободных длинных концов соединил с началом короткой проволоки – к.2 с н.1. Это один из симметричных выходов – на один из лучей диполя. Конец короткого провода к.1 – к центральной жиле подходящего кабеля, несимметричный вход. Начало оставшегося длинного провода н.3 – это второй симметричный выход, ко второму лучу диполя.

IMAGE12$

Рис.11                 Рисунок «раздела колбасы»

Рис.12                 Конструктивная схема трансформатора

 

Теперь посмотрим, что получилось? Смотреть будем относительно земли (оплетки). На центральную жилу кабеля идет 3+2=5 частей длины линии. На выход идет 3+3=6 частей линии, причем, посередине – земля. Получили все два условия: соотношение витков 5:6 и в центре выхода земля. То есть, обеспечивается корректная трансформация сопротивлений 50 Ом на 75 Ом и функция симметрирования. Теперь осталось «прогнать» получившийся трансформатор по частоте и мощности при работе на симметричный эквивалент нагрузки 75 Ом, проверяя КСВ на несимметричном пятидесятиоммном конце. Смонтировать этот маленький и легкий трансформатор на изоляционном основании, прикрепить коаксиальный кабель и полотна диполя. После этого подвесить антенну и настроить длины полотен по методике, которая была описана выше. Убедитесь попутно, что значение КСВ при других условиях и высотах подвеса изменяется незначительно. То, что КСВ должен сильно «уходить» — это еще один ДУРНОЙ «радиолюбительский» МИФ! Сколько же их? Нет числа!

Рис.13                 Таблица расчетных параметров в зависимости от высоты.

 

Красной чертой обведена графа с высотой подвеса, при которой получается наилучшая расчетная диаграмма направленности т.е. 10 м.

Рис.14                 Диаграмма направленности при высоте подвеса больше 1/2 волны т.е. 17 м.

 

Выводы:

 

         Антенна великолепно показала себя при работе совместно с малогабаритным экспериментальным QRP трансивером, собранным из радиолюбительских модулей (смотри фото в начале статьи). Ее премьерная презентация была на первом московском слете радиолюбителей, состоявшемся под Серпуховом в сентябре 2010 года.  http://narod.ru/disk/24806203000/mos_slet.zip.html И, далее, в поездке на радиорыбалку в Астраханскую Область, в Дельту Волги.  http://narod.ru/disk/26030141000/astrah20.zip.html

 

         Расчетные резонансные размеры плеч диполя равны 2х5,21 м. (Рис.3) Реальные размеры, полученные после ЖИВОЙ настройки, оказались на 0,8 м короче! То есть, каждое плечо получилось короче на 40 см. Это колоссальная разница! Стоит ли после этого так слепо доверять MMAN-е, как это делают некоторые псевдо – теоретики? 

 

         Антенна на практике имеет стабильный, неизменны КСВ, близкий к идеалу вне зависимости от высоты подвеса (в разумных пределах).

 

         Антенна хорошо работает при разных высотах подвеса. Для нее справедлив принцип: «Чем выше – тем лучше».

 

19 октября 2010 г.

Сергей Макаркин

RX3AKT

rx3akt.narod.ru