Тюнер для симметричной линии
В последние годы, из-за роста цен на коаксиальный кабель, радиолюбители вспомнили о замечательном антенном фидере — симметричной линии. По сравнению с коаксиальным кабелем симметричная линия имеет очень низкие потери при больших значениях КСВ (когда коаксиапьный кабель практически неработоспособен) и возможность настройки практически пюбого вибратора в резонанс при электрическом удлинении или укорочении линии (это открывает широкое поле деятельности при создании качественных многодиапазонных антенн). Подробно свойства симметричной пинии питания рассмотрены в [1].
Непосредственное подключение симметричной линии к несимметричному выходу оконечного каскада передатчика, как правило, приводит к негативным результатам. Даже если поспе элементов согласования П-контура установить симметрирующий широкополосный трансформатор или применить Т-образной тюнер с симметрирующим трансформатором на выходе, удовпетвори-тельной работы можно добиться только при минимальной реактивности на входе симметричной линии. Один из таких примеров — питание вибратора в пучности напряжения с помощью симметричной пинии, длина которой составляет Л/4 рабочего диапазона частот (или кратна нечетному количеству длин )JA). У такой антенны симметричная линия является трансформатором, согласующим низкое входное сопротивление трансивера с высоким сопротивле-нием антенны. Как правипо, под такую антенную систему рассчитаны симметричные выходы в различных импортных Т-образных тюнерах.
Если же реактивность на входе симметричной линии (в точке подключения трансивера или тюнера) велика, то в силу того, что широкополосные трансформаторы плохо работают на реактивную нагрузку, потери в антенно-фидерной системе будут велики, и при большой мощности передатчика широкополосный трансформатор может выйти из строя. Разумеется, в такой антенно-фидерной системе теряются все выгоды применения симметричной линии.
Для того чтобы в полной мере использовать замечательные свойства симметричной линии, необходим симметричный тюнер, элементы трансформации и компенсации реактивных составпяющих которого непосредственно «работают с импедансом» симметричной линии, т.е. компенсируют реактивность на входе линии.
Некоторые зарубежные фирмы выпускают симметричные тюнеры. К сожалению, эти устройства довольно дороги (например, хорошо зарекомендовавший себя в работе на симметричную линию антенный тюнер MFJ-976 стоит почти 500 USD). Это приводит нас, радиолюбителей, к мысли о самостоятельном изготовлении такой конструкции.
Схема симметричного тюнера, который имеет элементы трансформации сопротивлений и компенсации реактивных составпяющих, приведена на рис.1. Эта схема с так называемым V-образным или р (бета)-согласованием. Принцип ее работы прост: при согласовании выходного сопротивпения широкопо лосного трансформатора Т1 с комплексным сопротивлением, имеющимся на входе симметричной линии, к меньшему сопротивлению подкпючается последовательный реактивный элемент (емкость), а к большему — параллельный (индуктивность). Т1 — симметрирующий широкополосный трансформатор (ШПТ) с коэффициентом трансформации сопротивлений 1:4. В качестве сердечника трансформатора можно применить кольцевой ферритовый сердечник К20ВЧ — К400НН. Типоразмер сердечника опредепяет габаритную мощность трансформатора и максимальную ВЧ мощность, которую можно подать на вход тюнера. С достаточной дпя практических цепей точностью можно принять, что 1 см2 поперечного сечения кольцевого ферритового сердечника способен трансформировать 300 Вт подводимой к нему мощности.
При этом необходимо учесть спедующее. Ферритовые кольца К100НН — К400НН с повышением рабочей частоты теряют способность передавать магнитный поток. Это приводит к тому, что габаритная мощность широкополосного трансформатора на таких кольцах с повышением частоты уменьшается. Наоборот, передача магнитного потока у колец К20ВЧ — К50ВЧ на любительских НЧ диапазонах минимальна, а с повышением частоты увеличивается, а значит, увеличивается габаритная мощность такого трансформатора. В любом случае, применяя кольца той или иной магнитной проницаемости, ШПТ следует изготовить с запасом габаритной мощности — лишним это не будет.
При изготовлении ШПТ 1:4 для обмоток удобно использовать двухжильный монтажный медный провод с сечением жил не менее 1,5 мм2, применяемый для прокладки скрытой электропроводки в квартирах. Диэлектрические свойства виниловой изоляции этого провода вполне достаточны для надежной работы трансформатора при подводимых к нему мощностях до 1 кВт. Если приобретение ферритовых колец затруднено, то не стоит отчаиваться. Симметрирующий трансформатор 1:4 можно изготовить из коаксиального кабеля (рис.2). Кабель свивают в плоскую катушку с последующим креплением витков ПХВ-изолентой.
На максимальную подводимую к тюнеру мощность влияет не только габаритная мощность трансформатора Т1, но и зазор между пластинами конденсаторов переменной емкости С1.1 и С1.2. При мощности передатчика 300 — 350 Вт зазор между пластинами должен быть не менее 0,5 мм. Кроме того, роторы и статоры КПЕ должны размещаться на фарфоровых осях и изоляторах, т.е. быть изолированы как от корпуса, так и друг от друга, но иметь общую ось настройки. Не путайте эти два КПЕ с 2-секционными КПЕ, роторы которых связаны контактом не только между собой, но и с корпусом конденсатора!
Конструкция катушки с переменной индуктивностью — любая. Лучшей является катушка с перемещаемым роликовым или пол-зунковым контактом. Вполне приличные результаты можно получить, применив шаровый вариометр. Если используется катушка с переключаемыми отводами, то следует обратить внимание на электрическую прочность переключателя отводов. Для точного согласования изменение индуктивности у катушки отводами должно происходить с небольшим шагом.
Еще раз подчеркну, что данная схема тюнера очень критична к емкости и индуктивности реактивных элементов схемы согласования. Их величина зависит не только от частоты, но и от импеданса и реактивности на входе симметричной линии.
Широкополосный трансформатор Т1 — самая ответственная деталь в симметричном тюнере. От качества работы трансформатора зависит качество работы всей конструкции в целом. Качество са-мостоятельно изготовленного трансформатора можно легко определить экспериментально. Для этого включаем КСВ-метр между трансивером и трансформатором. В зависимости от выходного сопротивления трансивера (50 или 75 Ом) КСВ-метр должен быть сконструирован и отградуирован для работы с выбранным волновым сопротивлением тракта. Выход трансформатора нагружаем на два включенных последовательно безындукционных резистора сопротивлением 100 (150) Ом для ШПТ 1:4 и 25 (37,5) Ом для ШПТ 1:1. Резисторы следует подобрать с максимально близким сопротивлением.
Подаем с трансивера ВЧ сигнал и измеряем КСВ на всех KB диапазонах. В идеале КСВ на всех частотах должен быть близок к 1. Однако добиться этого крайне сложно из-за завала АЧХ, определяемой свойствами примененного ферритового сердечника и качеством намотки трансформатора. Например, в авторском варианте широкополосного трансформатора при использовании ферритового кольца К300НН завал АЧХ происходит на частотах от 21 МГц и выше (в диапазоне 10 м КСВ увеличивается до 1,5).
ВЧ вольтметром относительно «земли» (общего провода) следует измерить ВЧ напряжение на выходах трансформатора. На обоих выходах оно должно быть одинаковым (разница напряжений — не более ±5%). При измерении напряжения относительно средней точки соединения резисторов ВЧ вольтметр не должен фиксировать ВЧ напряжение. В противном случае имеет место асимметрия выходного напряжения, обусловленная некачественным изготовлением трансформатора, т.е. разной длиной проводов обмоток.
Равенство напряжений на выходах трансформатора и отсутствие «перекоса» напряжений на резисторах нагрузки свидетепьствует о хорошей симметрии обмоток трансформатора. Измерения следует произвести во всех пюбитепьских KB диапазонах, а затем, для сравнения рабочих характеристик трансформатора, свести их в таблицу.
Для проведения измерений не обязательно применять промышленный ВЧ вольтметр. В точках измерения мы имеем дело с низким сопротивпением, поэтому исследо-вание рабочих характеристик трансформатора можно провести самодельным низкоомным ВЧ вольтметром (рис.4). Правда, из-за зависимости свойств диода от частоты не удастся-измерить реальную величину завала АЧХ и КПД трансформатора, но этот прибор позвонит измерить напряжения на выходах трансформатора и обнаружить «перекос» напряжений на нагрузочных резисторах.
Как и при работе с КСВ-метром, точность самодепьного ВЧ вольтметра повышается при подведении к трансформатору достаточно большой ВЧ мощности от передатчика.
Подробно с принципами работы и расчета ШПТ можно познакомиться в [2], а радиолюбители, которые не имеют возможности изготовить самодельный ШПТ, могут в качестве Т1 применить фирменные симметрирующие трансформаторы с коэффициентом трансформации 1:4 или 1:1 (например, LDG RBA 1:1 (1:4) или MFJ-918).
Существуют другие схемы согласующих устройств для работы с симметричной линией (3]. По мнению автора, схему, предпоженную в [3], следует применять при очень большой мощности передатчика. Если мощность передатчика не превышает 1 кВт, нецепесообразно отказываться от компактного симметрирующего трансформатора на ферритовом кольце.
Источник
Трансформатор для симметричной линии
Антенна с симметричной линией питания
Желание работать в эфире на всех радиолюбительских диапазонах (включая WARC) без помех телевидению после ряда экспериментов с антеннами с коаксиальным кабелем привело к описанному ниже устройству. Огромное спасибо Володе Жукову (RW3RV), который помог разобраться в данной конструкции. За основу было взято описание из журнала » Радиолюбитель» 8/94 (стр.44) и показано как можно конструктивно выполнить конструкцию.
Современные антенные тюнеры, хорошо зарекомендовавшие себя в работе с однопроводными и коаксиальными линиями передачи, имеют ряд недостатков при использовании с симметричным фидером.
На выходе тюнера для этих целей обычно используют широкополосный симметрирующий трансформатор с коэффициентом трансформации 1:4, выполненный па ферритовом кольце.
Иногда такой трансформатор выполняют па диэлектрической трубке. В этом случае он является узкополосным устройством и имеет коэффициент перекрытия 1:5, так что в диапазоне частот 1,8 —30 МГц изготавливают три трансформатора с различными данными в зависимости от рабочей частоты.
С помощью симметрирующего трансформатора невозможно достичь точного согласования между антенной системой и передающим устройством, т.к. он имеет фиксированный коэффициент трансформации и может быть использован с очень ограниченным количеством антенн, у которых входное сопротивление всегда постоянно на любом из любительских диапазонов, например, входное сопротивление антенны » FOLDED DIPOLE » на 80,40,20, 15 и 10-метровом диапазонах составляет 300 Ом.
Однако подавляющее большинство антенн, запитанных двухпроводной линией передачи, в многодиапазонном варианте не имеет постоянного входного сопротивления при переходе с диапазона на диапазон. Входное сопротивление антенны различно и на ВЧ диапазонах может достигать нескольких килоом.
Это — антенны типа Dipole c общей длиной излучающей части 0,5 длины волны 80-метрового диапазона, Delta Loop с периметром, равным одной длине волны 80-метрового диапазона, V-В eam со стороной плеча, равной одной длине волны 80-метрового диапазона, 1/4 длины волны Ground Plane 40-метрового диапазона. Эти антенны можно использовать как многодиапазонные от 3,5 до 30 МГц с применением симметричного фидера и антенного согласующего устройства.
При использовании известных Т-образных схем антенных тюнеров с симметрирующим трансформатором на выходе, антенны, запитанные симметричным фидером, будут работать неэффективно. Хотя симметрирование будет произведено, тем не менее, будет иметь место высокий уровень потерь за счет рассогласования между таким трансформатором и симметричным фидером. При увеличении мощности возможно насыщение ферромагнитного материала симметрирующего трансформатора, что перейдет в проблему TVI и RFI . Температура такого трансформатора достигает высокого уровня даже если выполнить его предварительно сложив несколько колец вместе.
Нагрев трансформатора, помехи телевидению, телефонами звукозаписывающей аппаратуре, высокие потери ВЧ энергии происходят не из-за увеличения мощности передающего устройства, а в связи с большим рассогласованием между трансформатором и линией передачи вышеупомянутых антенн. В линии присутствует большая реактивная составляющая, и чтобы произвести точное согласование между источником и нагрузкой (передатчиком и антенной системой), устранить реактивную составляющую, желательно применить такую схему согласующего устройства, которая не содержит симметрирующего трансформатора любого типа.
Предлагаемая схема антенного тюнера (рис. 1) полностью устраняет недостатки гак называемых Т-образных SPC последовательно — параллельное соединение конденсаторов) и других co гласующих устройств при работе их с симметричными (двухпроводными) линиями передачи, так как здесь уже в самой схеме заложен симметричный выход. Также возможна работа с однопроводной или коаксиальной линией передачи. Диапазон устройства —3.5
Точное согласование достигается с помощью регулирующих элементов антенного тюнера по минимуму показаний прибора КСВ метра в положении «отраженная волна», установленного на входе устройства. При использовании данной конструкции следует отметить значительное улучшение реальной избирательности приемного устройства, так как связь приемника с антенной индуктивная, а не емкостная.
По этой же причине показатель дополнительной фильтрации гармоник передатчика здесь тоже выше, что является положительным фактором. Детали тюнера:
(С1—200 пф (обычно от старого вещательного лампового приёмника)
С2 — по 100 пФ каждая секция. Обычный двухсекционный конденсатор с зазором между пластинами не менее 1,5 — 2 мм при 200 Вт полезной мощности, не менее 3,2 мм для мощности 1 кВт (расчетное значение).
Катушки L1 , L 2, L3A и L 3 B бескаркасные, выполненные голым медным проводом диаметром 1,6 мм. Диаметр оправки — 63 мм, расстояние между витками — 1,6 мм. Провод, соединяющий катушки L 3 A и L3B, проходят внутри катушек связи L 1 в L2. L3A — 28 витков, L3B — 28 витков, L1 — 5 витков L2 — 5 витков. Суммарное количество витков — 66. Конструктивно это выглядит так. Берется кусок стеклотекстолита, просверливаются отверстия друг против друга в соответствии с диаметром провода и самих катушек, затем провод катушки вкручивается в отверстия. Легче выполнить эту процедуру намотав единую катушку, а затем разделив её на 4 части в соответствии со схемой. С помощью ВЧ переключателя S 1 в диапазоне 80 и 40 метров катушки связи L 1 и L2 включаются последовательно, а в диапазоне 20,15 и 10 метров — параллельно.
Переключатель ВЧ — типа S 2 A , S 2 B — 2 галеты на одной оси. Для любителей QRO — это галетный переключатель керамического типа или несколько ВЧ реле, предназначенных работать в цепях с соответствующей колебательной мощностью. Следует отметить в данном случае существенную нагрузку на элементы выходкой части антенного тюнера. Отводы от L3A и L3B по диапазонам, считая от края катушек, соответственно:
Возможно, придется незначительно изменить отводы от L3A и L3B в случае отсутствия КСВ=1 на участке передатчик — антенный тюнер при использовании конкретного типа антенны.
Двухпроводную линию передачи подключают к выходам антенного тюнера Х-1 и Х-2. Отводы С и D от катушек L3A и L3B конструктивно представляют медные зажимы типа «крокодил». Работающим QRO лучше использовать штыревую систему отводов С и D. Для этого заднюю стенку антенного тюнера изготавливают из диэлектрика, катушки располагают в непосредственной близости от нее, устанавливают определенное количество гнезд для подключения Симметричного фидера, соединяют гнезда с витками катушек L 3A и L3B.
Порядок настройки устройства.
Если в выходном каскаде трансивера используется П-контур с двумя регулирующими элементами (переменные конденсаторы анодный и связи с антенной), выходной каскад нагружают на эквивалент антенны 50 Ом и производят настройку по максимуму ВЧ напряжения на нем. Предварительно следует убедиться, что номинальное выходное сопротивление П-контура действительно равно 50 Ом. Затем ВЧ сигнал подают на вход антенного тюнера. Переменные емкости антенного тюнера С1 и С2 устанавливают в максимальное положение. Подбирая отводы С и D от катушек L3A и L3B, изменяя емкости С1, С2, производят настройку устройства по минимуму показаний КСВ- метра.
Первоначально подбор отводов С и D начинают ближе к катушкам связи L1 и L 3 Однако наилучшее положение настройки будет все же тогда, когда отводы С и D будут находиться па одинаково большом удалении от катушек связи L1 и L2. После получения КСВ-1 увеличивают мощность, например, включают усилитель и, при необходимости, производят дополнительную подстройку с помощью переменных емкостей С1 иС2.
При работе на однопроводную линию передачи используют выход антенного тюнера X-2, а выход Х-1 заземляют.
Отвод С должен быть установлен в среднее положение катушки L3A на данном диапазоне. Настройка производится подбором отвода D от катушки L3B и изменением емкостей С1 и С2 на данном диапазоне до получения КСВ-1. При работе на коаксиальную линию передачи ее подключают к выходу Х-3 антенного тюнера. Выход Х-2 заземляют, а отвод D от катушки L3B устанавливают в центре на данном диапазоне. Настройку производят изменяя емкости С1, С2 и подбирая отвод Е от катушки L3B, начиная вблизи катушки связи L2, до получения КСВ=1.
При изменении рабочей частоты на 80 — 100 кГц возможно потребуется незначительная подстройка антенного тюнера с помощью переменных емкостей С1 и С2.
Несмотря на то, что на первый взгляд данная схема имеет не совсем удобную коммутацию после практических работ время, затраченное на настройку устройства на конкретном диапазоне, сведено к минимуму. Кроме того, подобные схемы согласующих устройств по многим показателям превосходят Т-образмые и другие тюнеры. Такие принципы согласования передатчика (приемника) с антенной системой использовались радиолюбителями старшего поколения в 50-60-х годах, а также широко используются в профессиональной радиосвязи в настоящее время.
Антенна и симметричная линия питания.
Линия передачи типа КАТВ, «Лапша» или самодельная открытая линия должна быть расположена относительно земли на расстоянии не менее 3 d , где d — расстояние между проводниками линии. Распорки можно выполнить из оргстекла, проваренного в парафине дерева. Можно применять провод в пластиковой изоляции. На рисунке показан вариант выполнения линии с изолятором на трении. При построении линии можно пользоваться приведённой ниже таблицей:
Источник
