Согласующие устройства: назначение и принцип построения

Видео: Архитектура ПК: Магистрально-модульный принцип построения ПК. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»

В любительской практике не так часто можно встретить антенны, в которых входное сопротивление является равным волновому сопротивлению фидера, а также выходному сопротивлению передатчика. В преимущественном большинстве случаев обнаружить такое соответствие не удается, поэтому нужно использовать специализированные согласующие устройства. Антенна, фидер, а также выход передатчика входят в единую систему, в которой энергия передается без каких-либо потерь.

Видео: Что такое трансформатор

Как это сделать?

Чтобы реализовать эту достаточно сложную задачу, нужно использовать согласующие устройства в двух основных местах – это точка соединения антенны с фидером, а также точка, где фидер соединяется с выходом передатчика. Наиболее широкое распространение сегодня получили специализированные трансформирующие устройства, начиная от колебательных резонансных контуров и заканчивая коаксиальными трансформаторами, выполненными в виде отдельных отрезков коаксиального кабеля нужной длины. Все эти согласующие устройства используются для согласования сопротивлений, что позволяет в конечном итоге минимизировать общие потери в линии передач и, что более важно, снизить внеполосные излучения.

Сопротивление и его особенности

В преимущественном большинстве случаев выходное сопротивление стандартно в современных широкополосных передатчиках составляет 500 м. При этом стоит отметить, что многие коаксиальные кабеля, использующиеся в качестве фидера, также отличаются стандартной величиной волнового сопротивления на уровне 50 или 750 м. Если же рассматривать антенны, для которых могут использоваться согласующие устройства, то в зависимости от конструкции и типа в них входное сопротивление имеет достаточно широкий диапазон величин, начиная от нескольких Ом и заканчивая сотнями и даже большим количеством.

Известно, что в одноэлементных антеннах входное сопротивление на резонансной частоте является практически активным, при этом чем больше частота передатчика будет отличаться от резонансной в те или иные стороны, тем больше появится реактивной составляющей индуктивного или же емкостного характера во входном сопротивлении самого устройства. В то же время многоэлементные антенны имеют входное сопротивление на резонансной частоте, имеющее комплексный характер за счет того, что в процесс образования реактивной составляющей свой вклад вносят различные пассивные элементы.

Если входное сопротивление относится к активным, его можно согласовать с сопротивлением, используя специализированное согласующее устройство для антенны. При этом стоит отметить, что потери здесь являются практически незначительными. Однако сразу после того, как во входном сопротивлении начнет образовываться реактивная составляющая, процедура согласования будет все более сложной, и нужно будет использовать все более и более сложное согласующие устройство для антенны, возможности которого позволят обеспечить компенсацию нежелательной реактивности, и располагаться оно должно непосредственно в точке питания. Если реактивность не будет компенсироваться, это негативно скажется на КСВ в фидере, а также существенно увеличит общие потери.

Нужно ли это делать?

Попытка полноценной компенсации реактивности в нижнем конце фидера является безуспешной, поскольку ограничивается характеристиками самого устройства. Любые перестройки частоты передатчика в границах узких участков любительских диапазонов в конечном итоге не приведут к появлению значительной реактивной составляющей, вследствие чего зачастую не возникает потребности в ее компенсации. Также стоит отметить, что правильный проект многоэлементных антенн также не предусматривает большой реактивной составляющей имеющегося входного сопротивления, что не требует ее компенсации.

В эфире можно достаточно часто встретить различные споры о том, какую роль и назначение имеет согласующее устройство для антенны («длинный провод» или другого типа) в процессе согласования с ней передатчика. Некоторые возлагают на него достаточно большие надежды, в то время как другие просто считают обыкновенной игрушкой. Именно поэтому нужно правильно понимать, чем же действительно может на практике помочь антенный тюнер, а где его использование будет лишним.

Что это такое?

В первую очередь, нужно правильно понимать, что тюнер представляет собой высокочастотный трансформатор сопротивлений, при помощи которого при необходимости можно будет обеспечить компенсацию реактивности индуктивного или же емкостного характера. Можно рассмотреть предельно простой пример:

Разрезной вибратор, который на резонансной частоте имеет активное входное сопротивление на уровне 700 м, и при этом в нем используется коаксиальный кабель с передатчиком, имеющий входное сопротивление около 500 м. Тюнеры устанавливаются на выходе передатчика, и в этой ситуации будут представлять собой для какой-либо антенны (включая «длинный кабель») согласующие устройства между передатчиком и фидером, безо всяких сложностей справляясь со своей основной задачей.

Если в дальнейшем провести перестройку передатчика на частоту, которая отличается от резонансной частоты антенны, то в таком случае во входном сопротивлении устройства может появиться реактивность, которая впоследствии практически моментально начнет проявляться и на нижнем конце фидера. При этом согласующее устройство «Р» любой серии также сможет ее компенсировать, и передатчик снова получит согласованность с фидером.

Что будет на выходе, где фидер соединяется с антенной?

Если вы используете тюнер исключительно на выходе передатчика, то в таком случае не получится обеспечить полноценную компенсацию, и в устройстве начнут возникать различные потери, так как будет присутствовать не до конца точное согласование. В такой ситуации нужно будет использовать еще один, подключающийся между антенной и фидером, что позволит полностью исправить положение и обеспечить компенсацию реактивности. В данном примере фидер выступает в качестве согласованной линии передачи, имеющей произвольную длину.

Видео: Архитектура сети GSM

Еще один пример

Рамочная антенна, у которой активное входное сопротивление имеет значение около 1100 м, нужно согласовать с линией передачи на 50 Ом. Выход передатчика в данном случае имеет значение 500 м.

Здесь нужно будет использовать согласующее устройство для трансивера или антенны, которое будет устанавливаться в точке, где фидер подключается к антенне. В преимущественном большинстве случаев многие любители предпочитают использовать ВЧ трансформаторы различных типов, оснащенные ферритовыми сердечниками, но на самом деле более удобным решением будет изготовление четвертьволнового коаксиального трансформатора, который можно сделать из стандартного 75-омного кабеля.

Как это реализовать?

Длина используемого отрезка кабеля должна рассчитываться по формуле А/4*0.66, где А представляет собой длину волны, а 0.66 является коэффициентом укорочения, использующимся для преимущественного большинства современных коаксиальных кабелей. Согласующие устройства КВ антенн в данном случае будут подключаться между 50-омным фидером и входом антенны, и если их свернуть в бухту диаметром от 15 до 20 см, то в таком случае он будет также выступать в качестве симметрирующего устройства. Фидер будет полностью автоматически согласовываться с передатчиком, а также при равенстве их сопротивлений, причем в такой ситуации можно будет полностью отказаться от услуг стандартного антенного тюнера.

Другой вариант

Видео: Как работает трансформатор

Для такого примера можно рассмотреть еще один оптимальный способ согласования – при помощи кратного половине волны или же полуволнового коаксиального кабеля в принципе с любым волновым сопротивлением. Его включают между тюнером, располагающимся возле передатчика, и антенной. В данном случае входное сопротивление антенны, имеющее значение на уровне 110 Ом, переносится на нижний конец кабеля, после чего, используя антенное согласующее устройство, трансформируется в сопротивление 500 м. В данном случае предусматривается полное согласование передатчика с антенной, а фидер используется в качестве повторителя.

В более тяжелых ситуациях, когда входное сопротивление антенны является несоответствующим волновому сопротивлению фидера, которое, в свою очередь, не соответствует выходному сопротивлению передатчика, требуются согласующие устройства КВ антенн в количестве двух штук. В данном случае одно используется вверху, чтобы добиться согласования фидера с антенной, в то время как другое обеспечивает согласование фидера с передатчиком внизу. При этом нет никакой возможности сделать какое-нибудь согласующее устройство своими руками, которое можно будет использовать одно для согласования всей цепи.

Возникновение реактивности сделает ситуацию еще более сложной. В данном случае согласующие устройства КВ диапазонов позволят существенно улучшить согласование передатчика с фидером, обеспечив таким образом значительное облегчение работы оконечного каскада, но большего от них ждать не стоит. Из-за того, что фидер будет рассогласован с антенной, появятся потери, поэтому эффективность работы самого устройства будет заниженной. Активированный КСВ-метр, установленный между тюнером и передатчиком, обеспечит фиксацию КСВ=1, а между фидером и тюнером такого эффекта не получится добиться, так как присутствует рассогласованность.

Вывод

Польза тюнера заключается в том, что он позволяет поддерживать оптимальный режим передатчика в процессе работы на несогласованную нагрузку. Но при этом не может обеспечиваться улучшение эффективности работы любой антенны (включая «длинный провод») – согласующее устройства бессильны, если она рассогласована с фидером.

П-контур, который используется в выходном каскаде передатчика, также может применяться в качестве антенного тюнера, но только в том случае, если будет присутствовать оперативное изменение индуктивности и каждой емкости. В преимущественном большинстве случаев как ручные, так и автоматические тюнеры представляют собой резонансные контурные перестраиваемые устройства вне зависимости от того, собираются они фабрично или кто-то решил сделать согласующее устройство для антенны своими руками. В ручных присутствует два или три регулирующих элемента, а сами они не оперативны в работе, в то время как автоматические являются дорогими, а для работы при серьезных мощностях их стоимость может быть крайне высокой.

Широкополосное согласующее устройство

Такой тюнер удовлетворяет преимущественному большинству вариаций, при которых нужно обеспечить согласование антенны с передатчиком. Такое оборудование является довольно эффективным в процессе работы с антеннами, использующихся на гармониках, если фидер представляет собой полуволновой повторитель. В такой ситуации входное сопротивление антенны отличается на разных диапазонах, но при этом тюнер позволяет обеспечить легкую согласованность с передатчиком. Предлагаемое устройство может без труда функционировать при мощностях передатчика до 1.5 кВт в частотной полосе от 1.5 до 30 МГц. Такое устройство можно сделать даже своими руками.

Основными элементами тюнера выступает ВЧ автотрансформатор на ферритовом кольце от отклоняющей системы телевизор УНТ-35, а также переключатель, рассчитанный на 17 положений. Предусматривается возможность использования конусных колец от моделей УНТ-47/59 или каких-либо других. В обмотке присутствует 12 витков, которые наматываются в два провода, при этом начало одной объединяется с концом второй. На схеме и в таблице нумерация витков сквозная, в то время как сам провод многожильный и заключен в фторопластовую изоляцию. По изоляции диаметр провода составляет 2.5 мм, предусматривая отводы от каждого витка, начиная с восьмого, если вести счет от заземленного конца.

Автотрансформатор устанавливается предельно близко к переключателю, при этом соединительные проводники между ними должны иметь минимальную длину. Предусматривается возможность использования переключателя на 11 положений, если будет сохранена конструкция трансформатора с не таким большим количеством отводов, к примеру, с 10 по 20 виток, но в такой ситуации произойдет уменьшение и интервала трансформации сопротивлений.

Зная точное значение входного сопротивления антенны, можно использовать такой трансформатор для того, чтобы согласовать антенну с фидером 50 или 750 м, используя только самые необходимые отводы. В такой ситуации его размещают в специальную влагонепроницаемую коробку, после чего заливают парафином и ставят в непосредственно в точке питания антенны. Само по себе согласующее устройство может выполняться в качестве самостоятельной конструкции или же включаться в состав специального антенно-коммутационного блока какой-нибудь радиостанции.

Для наглядности метка, установленная на ручке переключателя, показывает величину сопротивления, которое соответствует данному положению. Чтобы обеспечить полноценную компенсацию реактивной индуктивной составляющей, предусматривается возможность последующего подключения переменного конденсатора.

В приведенной таблице четко указывается, каким образом сопротивление зависит от количества сделанных вами витков. В данном случае произведение расчетов осуществлялось, основываясь на соотношении сопротивлений, которое находится в квадратичной зависимости от общего количества сделанных витков.