Рис. 1.
Для согласования комплексного импеданса антенны с кабелем 50 Ом наиболее часто применяются Г-образные LC согласующие устройства (СУ). Для большинства импедансов возможны два варианта схемы такого СУ, а для некоторых – даже 4.
Возникает вопрос о выборе оптимальной схемы согласования в смысле КПД и требований к деталям СУ. Большинство известных мне расчетных программ таких СУ (например, окно Сервис MMANA-GAL) работают с идеальными элементами и не выдают ни КПД устройства ни требования (токи, напряжения, мощности) к элементам СУ.
Эта задача решена в окне Утилиты > СУ на LC GAL-ANA. Воспользуемся этим окном для выбора варианта схемы СУ на примере согласования диапазона 160 м, популярного 16,5 метровой вертикала с емкостными нагрузками. С учетом потерь в земле входной импеданс этой антенны на 1,83 МГц составляет 14 – J330 Ом.
Скормив эти данные окну СУ на LC, при входной мощности 1 кВт и холостой добротности катушек QL = 200, а конденсаторов QC = 500 (средние типовые значения), получаем 4 варианта схемы согласования.
Вариант 1:
Две катушки. КПД = 89,5%. До антенны доходит 894,57 Вт. Напряжение на антенне Uout = 2,64 кВ.
Данные последовательной катушки (отмечены индексом s, от англ. serial): ток Is = 7,99 А, напряжение Us = 2,45 кВ, рассеиваемая активная мощность 0,1 кВт (действительная часть от комплексной мощности Ss).
Параллельная катушка (ее данные отмечены индексом p, от англ. parallel): ток Ip = 6,65 А, напряжение Up = 244 В, рассеиваемая активная мощность 0,01 кВт (действительная часть от комплексной мощности Sp).
Какие выводы можно сделать по этим данным? КПД 89,5 % неплох (имея в виду, что антенна укорочена). Токи по катушкам большие, поэтому провод понадобится толщиной от 1,5 мм. Кроме того, на последовательной катушке выделится 100 Вт тепла, поэтому ее каркас должен быть устойчив к нагреву. Также на последовательной катушке большое напряжение, поэтому потребуемся намотка с шагом, чтобы избежать пробой между витками. Выходное напряжение 2,64 кВ потребует реле с зазором между контактами минимум 2 мм.
Вариант 2:
Катушка с параллельным входу конденсатором. КПД = 88,5%. До антенны доходит 885,35 Вт. Напряжение на антенне Uout = 2,63 кВ.
Данные последовательной катушки: ток Is = 7,95 А, напряжение Us = 2,81 кВ, рассеиваемая активная мощность 0,11 кВт (действительная часть от комплексной мощности Ss).
Параллельный конденсатор: ток Ip = 6,58 А, напряжение Up = 244 В, рассеиваемая активная мощность 0,01 кВт (действительная часть от комплексной мощности Sp), реактивная мощность (мнимая часть от Sp) 1,47 кВАр.
Выводы. КПД 88,5 % на 1% ниже, чем у предыдущей схемы. Требования к катушке и выходному реле примерно такие же, как и в предыдущем варианте. Конденсатор может быть не высоковольтным, но вот его допустимая реактивная мощность обязана быть не ниже 1,5 кВАр и он обязан без проблем рассеивать около 10 Вт тепловой активной мощности, т.е. или воздушный, или набранный из большого числа параллельно включенных слюдяных.
Вариант 3:
Тоже две катушки, как варианте 1. Но по иному включенные и существенно большей индуктивностью. На первый взгляд, из-за больших катушек должен снизиться КПД. Но на самом деле этого не происходит: КПД = 89,5%. До антенны доходит 894,35 Вт. Напряжение на антенне Uout = 2,64 кВ.
Данные последовательной катушки: ток Is = 4,47 А, напряжение Us = 2,63 кВ, рассеиваемая активная мощность 0,06 кВт (действительная часть от комплексной мощности Ss).
Параллельная катушка: ток Ip = 3,53 А, напряжение Up = 2,64 кВ, рассеиваемая активная мощность 0,05 кВт (действительная часть от комплексной мощности Sp).
Выводы. КПД 89,5 % выходное напряжение Uout = 2,64 кВ такие же как у 1-й схемы. Но токи в катушках почти вдвое ниже (это является причиной относительно низких потерь в этой схеме). Значит из можно мотать более тонким проводом, около 1 мм в диаметре.Но провода потребуется больше, чтобы набрать требуемую индуктивность. Высокие напряжения на обеих катушках требуют намотки с шагом.
Вариант 4:
Катушка, параллельная выходу, с последовательным конденсатором. На первый взгляд схема выглядит заманчиво: минимальная индуктивность, вроде бы обещает максимальный КПД. В действительности картина строго обратная: у этого варианта самый низкий КПД = 82,4%. До антенны доходит 823,88 Вт. Напряжение на антенне Uout = 2,53 кВ.
Данные последовательного конденсатора ток Is = 4,47 А, напряжение Us = 2,52 кВ, рассеиваемая активная мощность 0,15 кВт (действительная часть от комплексной мощности Ss), реактивная мощность (мнимая часть от Ss) 11,3 (!) кВАр.
Параллельная катушка: ток Ip = 12,1 А (самый большой, это является причиной повышенных потерь этого варианта), напряжение Up = 2,53 кВ, рассеиваемая активная мощность 0,15 кВт (действительная часть от комплексной мощности Sp).
Выводы. Это вариант никуда не годится. Самый низкий КПД = 82,4 %. Самые жесткие требования к катушке (ток 12 А потребует провода от 2 мм, а 150 Вт рассеиваемой мощности могут оплавить каркас). Потребуется дорогостоящий ВЧ конденсатор на напряжение не ниже 2,5 кВ и реактивную мощность выше 11,3 кВАр (т.е его придется набирать из нескольких мощных ВЧ конденсаторов).
Общий результат: первый вариант является оптимальным. Он обеспечивает максимальное КПД при отсутствии дорогостоящих мощных ВЧ конденсаторов и минимальном расходе провода. Но даже в этом варианте требования к последовательной катушке достаточно жестки: провод от 1,5 мм, намотка с шагом.
Собственно говоря, это все было выбрано и описано в статье про исходный вертикал. Однако анализ вариантов с помощью окна СУ на LC GAL-ANA подтвердил правильность выбора и дал конкретные цифры КПД, токов, напряжений и мощностей на элементах схемы.
Конечно, схема варианта 1 оптимальна не всегда, а лишь для данного (и близких к нему – а это все укороченные антенны) импеданса. Кроме того Все параметры схем зависят от холостой добротности применяемых элементов. Все вышеприведенные расчеты сделаны для холостой добротности катушек 200, а конденсаторов 500 (средние типовые значения). При вводе иных значений результаты будут несколько отличаться. Но не принципиально. Например, подъем добротности конденсаторов QC вплоть до бесконечности (значение Inf в меню установи добротности) увеличивает КПД не более, чем на пару %. Это подтверждение точным расчетом хорошо известного на практике утверждения, что КПД СУ определяется в основном холостой добротностью используемых в нем катушек.
Поэтому при изготовлении СУ главное внимание должно быть уделено добротности катушек. Например, если в рассмотренном выше варианте 1 мы применим катушки с QL = 300, а не 200 как было рассчитано выше, то КПД вырастет в 89,5% до 92,7%. А это означает что до антенны дойдет на 32,6 Вт больше. А подняв QL до 400 (это вполне реально при проводе толще 2 мм и хорошем каркасе) мы прибавим 49,8 Вт к мощности в антенне.
Окно СУ на LC GAL-ANA позволяет легко делать подобные расчеты и анализ всех видов Г-образных согласующих устройств н а LC элементах.