Схем антенных тюнеров (устройств, способных в заданной частотной полосе трансформировать произвольный комплексный импеданс антенны в чистые 50 ом) известно немало. Все они более-менее работают.
Но ведь абсолютно любой произвольный импеданс в 50 Ом не трансформируешь. Всегда будут какие-то ограничения. Например, по частоте и по диапазону согласуемых комплексных импедансов.
Если с частотой еще более-менее понятно (всегда пишут в в каких любительских частотных диапазонах данный тюнер будет работать), то с диапазоном согласуемых комплексных импедансов обычно полная неясность. В лучшем случае пишут что-то вроде "согласует от 15 до 1000 Ом" или "у меня он согласует все мои антенны".
Первое некорректно: задача согласовывать чисто активное сопротивление на практике крайне редка, а к реактивному сопротивлению (или даже просто к модулю импеданса) приводимые в паспорте или описании цифры неприменимы. Ведь согласовать, например, чисто активное Z1 = 200 + J0 Ом (совсем просто), это совсем не то же самое, что согласовать Z2 = 141 - J141 Ом (модуль 200 Ом, но согласование уже непростое) или Z3 = 0 - J200 Ом (вообще нельзя согласовать, т.к. нет активной составляющей).
Второе, конечно, вызывает радость за автора и его антенны, но у меня-то антенны и их импедансы другие. С ними как будет? Неизвестно.
Еще более добавляет неопределенности тот очевидный факт, что диапазон согласуемых комплексных импедансов зависит от частоты. Согласитесь, ни при какой самой хитрой схеме одни и те же переменные конденсаторы не могут вести себя одинаково на 1,8 и 28 MHz (хотя бы по запасу перестройки, например).
Подведем итог: для честного понимания возможностей тюнера надо знать весь диапазон возможных согласуемых им комплексных импедансов отдельно для каждого любительского диапазона. Для каждой конкретной схемы тюнера. Именно этим мы и займемся ниже.
Если вы хорошо знакомы с этой диаграммой и уверенно ею работаете, то можете этот раздел с чистой совестью пропустить и переходить к следующему. А этот раздел для тех, кто не знает, что такое диаграмма Смита, или когда-то знал, но с тех пор забыл.
Диаграмма Смита придумана, чтобы на ней можно было одновременно показать все возможные комплексные импедансы R + jX. Она имеет вид круга:
Её координатная сетка (показана темно-серым цветом) очень нетривиальна. Она похожа на полярные координаты, но не совсем. Начало координат диаграммы – её крайняя правая точка (куда сходятся все окружности и дуги координатной сетки).
Сетка активной части (линии равных R) имеет вид замкнутых окружностей. Правый край всех этих окружностей касается начала коодинат (правого края всей диаграммы). А диаметр окружностей равных R тем больше, чем меньше R. Посмотрите на рисунок выше: окружность R = 16,7 Ом втрое больше окружности R = 150 Ом. Понятно, что окружность R = 0 – это просто внешний край диаграммы (самая большая из возможных окружностей). А R = ∞ будет просто точкой (самая маленькая из возможных окружностей) в начале координат.
Если точка (а комплексный импеданс изображается на диаграмме точкой) лежит на окружности, например, R = 50 Ом, то активная часть этого импеданса равна 50 Ом.
Сетка реактивной части JX имеет вид дуг, выходящих из начала координат диаграммы (оттуда же, откуда ”растут” окружности сетки R). Самая прямая дуга – горизонтальный диаметр диаграммы, это линия JX = 0. Во всех точках на ней импеданс чисто активный.
Дуги загибающиеся вверх от середины диаграммы – это линии положительного (индуктивного) JX. Чем сильнее загнута дуга вверх, тем больше реактивное сопротивление. Посмотрите на рисунок выше: дуга JX = +100 Ом загнута вверх гораздо сильнее, чем дуга JX = +25 Ом
Дуги загибающиеся вниз, это сетка отрицательного (емкостного) -JX. Всё то же самое, что и для положительной реактивности, но только вниз от середины диаграммы.
Чем правее конец дуги ”втыкается” во внешний край диаграммы, тем больше реактивность точек, лежащих на этой дуге.
Любая точка внутри диаграмма отображает какой-то импеданс. Его активная часть определяется кругом R, на котором лежит эта точка, а реактивная – дугой JX, которая проходит через эту точку.
Таким образом, благодаря этой хитрой координатной сетке мы в пределах круга диаграммы можем показать любой импеданс от 0 + J0 (самая левая точка диаграммы) до ∞ + J∞ (самая правая точка диаграммы).
Некоторые важные вещи о диаграмме Смита, которые и вообще полезно знать, и нам ниже в статье пригодятся:
Точка полного согласования – это центр диаграммы. Реактивность там равна нулю, потому что она лежит на горизонтальном диаметре диаграммы (т.е. на выпрямленной дуге JX = 0). А R = 50 Ом потому что через центр проходит круг активного части импеданса, соответствующий 50-ти омам.
Линии равного КСВ на диаграмме Смита имеют вид концентрических окружностей, расходящихся из центра. Из радиус растет с КСВ, но зависимость нелинейна. Например, на рисунке выше оранжевым показана линия КСВ = 3, зеленым – КСВ = 7, желтым КСВ = 15, красным КСВ = 30. Точка в центре диаграммы, как мы говорили выше, это КСВ = 1 (окружность нулевого диаметра). Легко сообразить, что внешний край диаграммы – это окружность КСВ = ∞
Окружности равных КСВ не являются частью координатной сетки. Но они очень удобны для оценки ”на глаз”. Если точка импеданса лежит внутри соответствующей окружности КСВ, то без всяких вычислений сразу видно, что КСВ этого импеданса меньше того, что написан на окружности КСВ.
Например, на рисунке выше КСВ импеданса любой точки, попадающей внутрь оранжевой окружности будет не больше трех. КСВ импеданса любой точки, лежащей в кольце между красной окружностью и внешним краем диаграммы будет больше 30, и т.п.
Но две шкалы (R и JX) диаграммы Смита это не всё. Импеданс ведь, как правило, меняется с частотой и нам надо видеть это изменение. Изменяя частоту и нанося на диаграмму импеданс на каждой частоте, мы получим кривую, которая показывает изменение полного импеданса в пройденной полосе.
Теперь, когда вы стали экспертами в диаграмме Смита (ну, или хотя бы понимаете, что и как на ней изображают), применим этот инструмент для анализа тюнеров. Изучим вопрос, какая схема тюнера и при каких номиналах элементов может быть использована для вседиапазонного (1,8 – 29 MHz) универсального (согласующего бо́льшую часть возможных импедансов антенны) тюнера. То есть определим какой тюнер разумнее всего сделать для согласования различных и случайных антенн во всех диапазонах. Особое внимание уделим 1,8 MHz как самому проблемному для тюнера диапазону, требующему максимальных величин емкостей и индуктивностей.
Простой моделировщик цепей RFSim99 обладает двумя важными для нашей задачи свойствами:
Строит диаграмму Смита в заданной полосе.
Можно указать разброс номинала компонента (например, для КПЕ крайние пределы емкости, для вариометра - границы индуктивности) и сделать многократное сканирование в пределах разброса. При этом в каждом сканировании случайно выбирается номинал каждого из элементов в пределах указанного разброса.
Иначе говоря: программа установит КПЕ и вариометры в какое-то случайное (в пределах их границ) положение и построит график-линию на диаграмме Смита, какой импеданс антенны будет согласован в этом положении. А затем повторит это очень много (сколько мы ей зададим, а мы зададим несколько тысяч) раз. В результате на диаграмме множество линий от разных проходов сольются в одну почти полностью заштрихованную синими линиями графиков область.
То есть, программа эмулирует поведение упрямого, но ничего не понимающего пользователя. Все ручки тюнера хаотично и очень много раз крутятся. И для каждого сочетания их положений строится частотный график импеданса. Множество таких графиков. В пределе – все, которые можно получить от данного тюнера.
Эта заштрихованная область как раз и показывает все те импедансы, которые данный тюнер в данном диапазоне может согласовать. Точнее, не их, а все возможные положения выходного импеданса тюнера.
Согласуемый же импеданс антенны (который нас, собственно и интересует) будет комплексно-сопряженным выходному импедансу тюнера. То есть иметь такое же R, а JX такой же по модулю, но противоположный по знаку.
Проще говоря, чтобы видеть согласуемый импеданс антенны на диаграмме Смита, построенной для выходного импеданса тюнера, надо поменять знаки JX: теперь вверху будет емкостная (отрицательная) реактивность а внизу – индуктивная (положительная).
Понятно, что идеальный тюнер согласует всё. То есть закрашивает весь полный круг диаграммы на всех диапазонах. Столь же понятно, что идеального тюнера не существует. Реальный тюнер закрашивает не всю диаграмму, а оставляет белые места. Вот эти места и есть те импедансы, которые данный тюнер согласовать не может. Чем меньше этих мест, тем более универсальным является тюнер.
Посмотрим с этой точки зрения на различные схемы тюнеров.
Берем простой Г-образный тюнер (модель по клику на рисунке):
И указываем на схеме пределы изменения номиналов элементов. Понять как это делается проще всего на примере. В схеме на рисунке указан номинал 500 pF (это просто какое-то произвольно взятое круглое число внутри диапазона перестройки КПЕ). Допустим физически наш КПЕ имеет диапазон перестройки 50 – 2000 pF. Чтобы получить 50 pF из 500 pF из последних надо вычесть 90%. Вот и поставим нижнюю границу разброса –90%. А чтобы получить 2000 pF из 500 pF к последним надо прибавить 1500 pF или 300%. Ставим верхнюю границу разброса +300%. Мы получили в модели КПЕ 50 – 2000 pF.
Аналогично катушка 10 uH с разбросом + 230%, – 97% на рисунке выше – это вариометр от 0,3 uH (10 -10*0.97) до 33 uH (10 + 10*2,3).
Указываем в модели более-менее реальных холостые добротности (здесь и далее для конденсаторов взято 2000, для катушек – 300). И нажимаем кнопку Simulate.
В открывшемся окне в главном меню выбираем Тип графика – Диаграмма Смита Z. Справа на панели выбора какой график нам нужен, отмечаем S22 (нас интересует выходной импеданс). Затем снизу устанавливаем пределы частоты, интересующего нас диапазона в окошках Старт и Стоп внизу слева и справа (например, от 1,8 до 1,9 MHz), уменьшаем число точек сканирования в окошке Points посередине внизу до нескольких (например, 5; много точек в пределах одного диапазона нам не нужно, а время расчета сэкономим).
Далее нажимаем кнопку Свиппирование по разбросу на панели инструментов (самая черная и размазанная) или через команду главного меню как Разброс – Свиппирование по разбросу.
В открывшемся окне Установки разброса увеличиваем число качаний до 10000 ... 50000, нажимаем OK и ждем пока программа заштрихует всё, что сможет.
Для вышеприведенного тюнера и диапазона 160 м получаем такую картинку:
Результат не очень: большая часть круга (т.е. большая часть возможных импедансов нагрузки) осталась незаштрихованной. Там наш тюнер не работает.
Переключим катушку справа налево (от антенны ко входу трансивера) и повторим всё:
Лирическое отступление. На полученной картинке розовым я отметил область импедансов укороченных антенн (а на 160 м большинство их таковы): R < 16,7 Ом при емкостной реактивности больше (по модулю), чем -J100 Ом. Хорошо запомните положение этой области на диаграмме. Это пригодится для анализа не только этого, но и всех последующих тюнеров. Именно эта область отвечает за согласование коротких GP, ”веревок”, диполей. Даже через высокоомную двухпроводную линию, т.к. линия физической длиной до 10 м (а длиннее при таком сильном рассогласовании применять неразумно) на 1,8 MHz слишком коротка в λ, чтобы кардинально изменить импеданс. Но вернемся к предыдущему рисунку.
Картинка на нём снова нерадостная: большая часть круга снова осталась незаштрихованной. Но уже другая часть. А тюнер ведь тот же самый (мы только место подключения катушки переключили). Поэтому наложим две предыдущие картинки друг на друга и посмотрим все импедансы, который может согласовать такой тюнер (с переключением положения катушки):
Видим, что в диапазоне 1,8 MHz как универсальный такой тюнер никуда не годится: 1,8 MHz почти половина площади (т.е. возможных импедансов) не заштрихована (т.е. не согласуется). Даже при КСВ = 3 есть импедансы, которые такой тюнер согласовать не сможет. Не говоря уже о более высоких КСВ. Правда зато такой тюнер сможет согласовать даже очень короткие антенны с большой –JX (пресловутый ”гвоздь”): розовая зона импедансов таких антенн перекрыта полностью.
Но с ростом частоты дело улучшается. На следующем рисунке показана зона перекрытия такого тюнера в полосе 3,5 ... 3,8 MHz:
Тут уже картинка лучше. Перекрыто больше. Нерабочие белые области остались только для импедансов с низким R с одновременно небольшим емкостным JX. Улучшение связано с тем, что максимальная емкость КПЕ в 2000 pF имеет вдвое более низкое реактивное сопротивление на 80 м, чем на 160 м. Хотя, конечно для такого тюнера емкости 2000 pF маловато на 3,5 MHz (и мало на 1,8 MHz). На 7 MHz её уже хватает, чтобы две ”запятые”почти коснулись друг друга.
Общий вывод: такой тюнер будет хорошо работать на 1,8 MHz только при КПЕ с максимальной емкостью 8000 ... 10000 pF (то есть очень большой). Но у таких КПЕ велика начальная емкость и из-за этого тюнер не сможет перекрыть весь круг импедансов на ВЧ диапазонах. Следовательно, как универсальный всеимпедансный, вседиапазонный тюнер эта схема с КПЕ работать не может (а вот если конденсатор набирается переключателями или реле, то сможет).
Посмотрим теперь другую конфигурацию Г-тюнера с последовательной катушкой. Номиналы деталей, такие же, как и у предыдущей схемы: КПЕ 50 – 2000 pF, вариометр 0,3 – 33 uH. Модель, как и раньше по клику на картинке:
Вот картинка его импедансов от 1,8 до 1,9 MHz (с переключением КПЕ в оба положения: у трансивера и у антенны):
Надо сказать, очень печальная картинка. Большая часть импедансов не согласовывается, включая очень нужную область коротких антенн.
А вот так выглядит для этого тюнера полоса 3,5 ... 3,8 MHz:
Уже на так безобразно, как на 1,8 MHz. Но все равно неприемлемо для универсального тюнера. Даже при КСВ = 7 остаются нерабочие участки. Не говоря уж о более высоких значениях и плохом перекрытии зоны коротких антенн.
Только от 7 MHz перекрывается большая часть круга (импедансов), однако область коротких антенн не закрывается полностью.
Вывод: данная схема при использовании КПЕ вообще неприемлема в качестве универсального КВ тюнера. Она может быть использована только с набором переключаемых конденсаторов, общей емкостью ~ 8 ... 10 nF. Её (и предыдущей схемы тоже) основная область применения: фиксированные тюнеры на фиксированный импеданс. А её единственное хлипкое достоинство состоит в ослаблении высших гармоник. Хлипким, я его назвал потому, что неразумно выжимать дополнительные функции из специализированного устройства. Гармоники должен давить фильтр в передатчике (или если он там плох, то отдельный фильтр). Напрягать же этим универсальный тюнер не более разумно, чем забивать гвозди гаечным ключом.
Классический П-контур. Два таких же, как и выше КПЕ 50 – 2000 pF и прежний вариометр 0,3 – 33 uH:
Диапазон 160 м:
Точно так же, как и в предыдущей схеме, результат никуда не годится. По тем же причинам.
Диапазон 80 m:
Всё аналогично предыдущей схеме: уже лучше, но все равно немало белого незакрашенного. Только от 7 MHZ этот тюнер закрывает почти весь круг.
Вывод: П-контур при указанных номиналах КПЕ не может быть универсальным тюнером на 160 и 80 м.Но как и предыдущие может таковым стать если вместо каждого КПЕ использовать переключаемый набор конденсаторов с максимальной емкостью ~8 ...10 nF каждый.
Наиболее распространенный Т-тюнер. Вариометр такой же, как и выше 0,3 – 33 uH, а вот конденсаторы вчетверо меньше 13 – 500 pF:
Вот что он может на 160 м:
Даже при беглом взгляде на этот рисунок становится ясным почему Т-тюнер наиболее распространен. Перекрыт почти весь круг. Включая большую часть проблемной зоны укороченных антенн. Необработанными остались только области импедансов с совсем низкой (менее 5 Ом) активной частью при одновременно небольшой +j50 Ом реактивной части. Я не могу вообразить себе антенну с подобным импедансом (хотя чисто теоретически после трансформации в очень длинной линии нарваться на подобный подарок можно).
Еще лучше дело обстоит на 80 м:
Перекрыт практически весь круг. При КСВ = 30 нет ни одной нерабочей точки.
Вывод: в качестве универсального тюнера на все случаи жизни и импеданса на всех КВ диапазонах лучше всего подходит Т-тюнер с КПЕ максимальной емкости по 500 пФ и вариометром до 33 uH. Его единственный мелкий минус: он не ослабляет гармоники (но про универсальные инструменты см. выше). Зато он обходится вчетверо меньшими КПЕ, чем намного более проблемный в смысле перекрытия П-контур.
На это можно было бы статью и завершить, но для вашего самостоятельного анализа покажу еще как моделировать в тюнере катушку с отводами и связанные катушки. В качестве примера возьмем популярный Z-тюнер. Он имеет катушку в 20 витков с отводом от 14-го и катушку связи в 6 витков.
Катушка изображается одной, с реальной индуктивностью (в данном случае 7 uH для диапазона 80 м), а отводы и катушки связи в модели делаются идеальными трансформаторами с требуемым соотношением обмоток числа витков обмоток. Например, Z-тюнер на диапазон 80 м показан ниже:
Входной трансформатор 14:20 изображает отвод от 14-го витка катушки с 20-ю витками. А выходной 20:6 – обмотку связи с из 6-ти витков. КПЕ: последовательный 22 - 450 pF, параллельный 13 – 260 pF.
Полоса 3,5 – 3,8 MHz выглядит так:
В общем не очень плохо. Но и не хорошо, остается много нерабочих зон даже при КСВ 3 и 7. Да и с укороченными антеннами проблема.
Описанная методика анализа позволяет понять, что и в каких диапазонах частот может согласовать данная схема тюнера с конкретными номиналами элементов и пределами их перестройки.
Например, можно понять, подходить ли имеющийся КПЕ по своей минимальной и максимальной емкости для решения поставленных задач в данной схеме тюнера.
Также можно и нужно анализировать влияние на работу схему паразитных конструктивных емкостей (просто дорисовав в модели на корпус конденсаторы в несколько пикофарад параллельно входу, выходу и для Т-тюнера катушке) и индуктивностей (последовательно со всеми элементами и разъемами включить катушки примерно по 50 nH).
Bonn, 29.06.2014