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). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 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

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.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• полуволновый трансформатор , четвертьволновый трансформатор , согласование линий ,