Согласующие устройства для антенн: принципы работы, виды и особенности применения

Что такое согласующие устройства для антенн. Зачем они нужны. Какие бывают типы согласующих устройств. Как правильно подобрать и настроить антенный тюнер. На что обратить внимание при выборе согласующего устройства.

Что такое согласующее устройство для антенны и зачем оно нужно

Согласующее устройство (СУ) или антенный тюнер — это устройство, предназначенное для согласования выходного сопротивления передатчика с входным сопротивлением антенны. Основные задачи СУ:

• Обеспечение максимальной передачи мощности от передатчика к антенне
• Минимизация отраженной мощности и снижение КСВ
• Защита выходных каскадов передатчика от перегрузки
• Расширение диапазона рабочих частот антенны

Без СУ при рассогласовании сопротивлений часть мощности отражается обратно в передатчик, что снижает эффективность и может привести к выходу из строя выходных транзисторов.

Основные типы согласующих устройств

Существует несколько основных схем построения СУ для антенн:

• L-контур — простейший вариант, состоящий из индуктивности и емкости
• Т-контур — более универсальный, содержит две индуктивности и емкость
• П-контур — состоит из двух емкостей и индуктивности между ними
• Симметричные СУ — для работы с симметричными антеннами
• Автоматические антенные тюнеры — с электронным управлением

Выбор конкретной схемы зависит от типа антенны, диапазона частот и требуемого диапазона согласования.

Принцип работы согласующего устройства

СУ работает по принципу трансформации сопротивлений. За счет изменения емкости и индуктивности элементов СУ добиваются такого режима, при котором входное сопротивление устройства равно выходному сопротивлению передатчика (обычно 50 Ом).

При этом СУ компенсирует реактивную составляющую импеданса антенны, приводя систему в резонанс на рабочей частоте. Это позволяет согласовать антенну с передатчиком и обеспечить максимальную передачу мощности.

Особенности применения СУ в любительской радиосвязи

При использовании СУ в любительской практике важно учитывать следующие моменты:

• СУ не может улучшить характеристики плохой антенны, оно лишь обеспечивает согласование
• Чем шире диапазон согласования, тем больше потери в элементах СУ
• Для многодиапазонных антенн лучше использовать широкополосные СУ
• При работе на передачу элементы СУ должны выдерживать высокие напряжения и токи
• Желательно размещать СУ как можно ближе к точке питания антенны

Как правильно настроить согласующее устройство

Настройка СУ обычно выполняется в следующем порядке:

1. Подключить СУ между передатчиком и антенной
2. Установить минимальную выходную мощность передатчика
3. Включить режим передачи на нужной частоте
4. Регулировкой элементов СУ добиться минимального КСВ
5. Постепенно увеличивая мощность, корректировать настройки СУ
6. Зафиксировать настройки для данной частоты

Для удобства многие современные СУ оснащаются встроенными КСВ-метрами и индикаторами настройки.

Преимущества и недостатки использования СУ

Основные преимущества применения согласующих устройств:

• Возможность работы с различными типами антенн
• Расширение диапазона рабочих частот антенны
• Защита выходных каскадов передатчика
• Повышение эффективности передачи мощности

Недостатки:

• Дополнительные потери мощности в элементах СУ
• Усложнение конструкции антенно-фидерного тракта
• Необходимость настройки при смене частоты
• Возможность ложного согласования на гармониках

Рекомендации по выбору согласующего устройства

При выборе СУ для любительской радиостанции следует учитывать:

• Диапазон рабочих частот — должен перекрывать все используемые диапазоны
• Максимальную мощность — с запасом относительно мощности передатчика
• Диапазон согласования — зависит от применяемых антенн
• Тип антенн — симметричные или несимметричные
• Наличие встроенных измерительных приборов
• Удобство органов управления
• Габариты и вес — для мобильного применения

Для начинающих радиолюбителей оптимальным выбором будет универсальное СУ с Т-контуром и диапазоном согласования КСВ до 10:1.

Russian Hamradio :: Антенные согласующие устройства.

Современная приемо-передающая транзисторная техника, как правило, имеет широкополосные тракты, входные и выходные сопротивления которых составляют 50 или 75 Ом. Поэтому для реализации заявленных параметров такой аппаратуры требуется обеспечить активную нагрузку сопротивлением 50 или 75 Ом как для приемной, так и для передающей частей. Акцентирую внимание на том, что для приемного тракта также требуется согласованная нагрузка!

Например, при отклонении от номинальных нагрузочных сопротивлений, в полосовых фильтрах приемника появляются дополнительные провалы в АЧХ, падает чувствительность, УВЧ из-за отсутствия оптимальной нагрузки изменяет свои параметры, иногда вплоть до «подвозбуда». Расстроенные «полосовики» влияют на работу первого смесителя, может произойти разбаланс плеч и, соответственно, появятся дополнительные паразитные каналы приема и «пораженки».

Конечно, в приемнике это никак ни на ощупь, ни на цвет или вкус без приборов не заметить. По-видимому, из-за этого некоторые коротковолновики «с пеной у рта» отстаивают преимущества старых РПУ типа Р-250, «Крот» и им подобных перед современной техникой. Старая техника чаще всего комплектуется подстраиваемой (или перестраиваемой) входной цепью, с помощью которой можно согласовать РПУ с проволокой-антенной с «КСВ=1 почти на всех диапазонах».

Если радиолюбитель действительно хочет проверить качество согласования цепи «вход трансивера — антенна», ему достаточно собрать примитивнейшее согласующее устройство (СУ), например, П-контур, состоящий из двух КПЕ с максимальной емкостью не менее 1000 пФ (если предполагается проверка и на НЧ-диапазонах) и катушки с изменяемой индуктивностью. Включив это СУ между трансивером и антенной, изменением емкости КПЕ и индуктивности катушки добиваются наилучшего приема. Если при этом номиналы всех элементов СУ будут стремиться к нулю (к минимальным значениям) — можете смело выбросить СУ и со спокойной совестью работать в эфире и дальше, по крайней мере, слушать диапазоны.

Для тракта передатчика отсутствие оптимальной нагрузки может окончиться более печально. Рано или поздно ВЧ-мощность, отраженная от рассогласованной нагрузки, находит слабое место в тракте трансивера и «выжигает» его, точнее, такой перегрузки не выдерживает какой-нибудь из элементов. Конечно, можно и ШПУ изготовить абсолютно надежным (например, с транзисторов снимать не более 20% мощности), но тогда по стоимости он будет, сопоставим с узлами дорогой импортной техники.

Например, 100-ваттный ШПУ, производимый в США в виде набора для трансивера К2, стоит 359 USD, а тюнер для него — 239 USD. И зарубежные радиолюбители идут на такие затраты, дабы получить «всего-то какое-то согласование», о котором, как показывает опыт автора этой статьи, не задумываются многие наши пользователи транзисторной техники… Мысли о согласовании трансивера с нагрузкой в головах таких горе радиолюбителей начинают возникать только после случившейся аварии в аппаратуре.

Ничего не поделаешь — таковы сегодняшние реалии. Экзамены при получении лицензий и повышении категории любительской радиостанции зачастую проводятся формально. В лучшем случае у претендента на лицензию проверяется знание телеграфной азбуки. Хотя в современных условиях, на мой взгляд, целесообразно больший акцент делать на проверку технической грамотности — поменьше было бы «групповух для работы на даль» и «рассусоливаний» по поводу преимуществ UW3DI перед «всякими Айкомами и Кенвудами».

Автора статьи радует тот факт, что все реже и реже на диапазонах слышны разговоры о проблемах при работе в эфире с транзисторными усилителями мощности (например, появления TVI или низкой надежности выходных транзисторов). Компетентно заявляю, что если транзисторный усилитель правильно спроектирован и грамотно изготовлен, а при эксплуатации постоянно не превышаются максимальные режимы работы радиоэлементов, то он практически «вечен», теоретически, в нем ничего сломаться не может.

Обращаю внимание на то, что если постоянно не превышаются максимально допустимые параметры транзисторов, они никогда не выходят из строя. Кратковременную перегрузку, особенно транзисторы, предназначенные для линейного усиления в КВ-диапазоне, выдерживают достаточно легко. Изготовители мощных ВЧ-транзисторов проверяют надежность произведенного продукта таким способом — берется резонансный ВЧ-усилитель, и после того как на выходе устанавливаются оптимальный режим и номинальная мощность, вместо нагрузки подключают испытательное устройство. Элементы настройки позволяют менять активную и реактивную составляющие нагрузки.

Если в оптимальном режиме нагрузка связана с испытуемым транзистором через линию с волновым сопротивлением 75 Ом, то обычно в рассматриваемом устройстве отрезок линии замыкается резистором сопротивлением 2,5 или 2250 Ом. При этом КСВ будет равен 30:1. Такое значение КСВ не позволяет получить условия от полного обрыва до полного короткого замыкания нагрузки, но реально обеспечиваемый диапазон изменений достаточно близок к этим условиям.

Завод-изготовитель гарантирует исправность транзисторов, предназначенных для линейного усиления КВ-сигнала, при рассогласовании нагрузки 30:1 в течение не менее 1 с при номинальной мощности.

Этого времени вполне достаточно для срабатывания защит от перегрузки. Работа усилителя мощности при таких значениях КСВ не имеет смысла, т.к. эффективность практически «нулевая», т.е. речь, конечно, идет об аварийных ситуациях.

Для решения проблемы согласования приемо-передающей аппаратуры с антенно-фидерными устройствами существует довольно дешевый и простой способ — применение дополнительного внешнего согласующего устройства. Хотелось бы акцентировать внимание счастливых пользователей «буржуинской» техники, не имеющей антенных тюнеров (да и самодеятельных конструкторов тоже), на этом очень важном вопросе.

Вся промышленная приемо-передающая аппаратура (и ламповая в том числе) комплектуется не только фильтрующими, но и, дополнительно, согласующими блоками. Возьмите, к примеру, ламповые радиостанции Р-140, Р-118, Р-130 — у них согласующие устройства занимают не менее четверти объема станции. А транзисторная широкополосная передающая техника вся, без исключения, комплектуется такими согласователями.

Изготовители идут даже на увеличение себестоимости этой техники — комплектуют автоматическими СУ (тюнерами). Но эта автоматика предназначена для того, чтобы обезопасить радиоаппаратуру от бестолкового пользователя, который смутно себе представляет, что и зачем он должен крутить в СУ. Предполагается, что радиолюбитель с позывным обязан иметь минимальное представление о процессах, происходящих в антенно-фидерном устройстве его радиостанции.

В зависимости от того, какие антенны применяются на любительской радиостанции, можно использовать то или иное согласующее устройство. Заявление некоторых коротковолновиков о том, что они применяют антенну, КСВ которой почти единица на всех диапазонах, поэтому СУ не требуется, показывает отсутствие минимальных знаний по этой теме. «Физику» здесь еще никому не удалось обмануть — никакая качественная резонансная антенна не будет иметь одинаковое сопротивление ни внутри всего диапазона, ни тем более на разных диапазонах.

Рис.1.

Что и происходит чаще всего — устанавливается или «инвертед-V» на 80 и 40 м, или рамка с периметром 80 м, а в худшем случае бельевая веревка используется в качестве «антенны». Особенно «талантливые» изобретают универсальные штыри и «морковки», которые, по безапелляционным заверениям авторов, «работают на всех диапазонах практически без настройки!»

Настраивается такое сооружение в лучшем случае на одном-двух диапазонах, и все — вперед, «зовем — отвечают, что еще больше нужно?» Печально, что для увеличения «эффективности работы» таких антенн все поиски приводят к «радиоудлинителям» типа выходного блока от Р-140 или Р-118. Достаточно послушать любителей «работать в группе на даль» ночью на 160 и 80-метровых диапазонах, а в последнее время такое можно уже встретить на 40 и 20 м.

Если антенна имеет КСВ = 1 на всех диапазонах (или хотя бы на нескольких) — это не антенна, а активное сопротивление, или тот прибор, которым измеряется КСВ, «показывает» окружающую температуру (которая в комнате обычно постоянна).

Не знаю — удалось или нет мне убедить читателя в том, что применять СУ требуется обязательно, но, тем не менее, перейду к описанию конкретных схем таких устройств. Их выбор зависит от применяемых на радиостанции антенн. Если входные сопротивления излучающих систем не опускаются ниже 50 Ом, можно обойтись примитивным согласующим устройством Г-образного типа — рис.1, т.к. оно работает только в сторону повышения сопротивления. Для того чтобы это же устройство «понижало» сопротивление, его необходимо включить наоборот, т.е. поменять местами вход и выход.

Рис.2.

Автоматические антенные тюнеры почти всех импортных трансиверов выполнены по схеме, показанной на рис.2. Антенные тюнеры в виде отдельных устройств фирмы изготавливают чаще по другой схеме (рис.3). Описание этой схемы можно найти, например, в [1, с.237]. Во всех фирменных СУ, изготовленных по этой схеме, имеется дополнительная бескаркасная катушка L2, намотанная проводом диаметром 1,2…1,5 мм на оправке диаметром 25 мм. Число витков — 3, длина намотки — 38 мм.

С помощью двух последних схем можно обеспечить КСВ = 1 практически на любой кусок провода. Однако не забывайте — КСВ = 1 говорит о том, что передатчик имеет оптимальную нагрузку, но это ни в коей мере не означает высокую эффективность работы антенны. С помощью СУ, схема которого приведена на рис.2, можно согласовать щуп от тестера в качестве антенны с КСВ = 1, но, кроме ближайших соседей, эффективность работы такой «антенны» никто не оценит. В качестве СУ можно использовать и обычный П-контур — рис.4. Достоинство такого решения — не требуется изолировать КПЕ от общего провода, недостаток — при большой выходной мощности трудно найти переменные конденсаторы с требуемым зазором.

Рис.3.

При применении на станции более или менее настроенных антенн и в том случае, когда не предполагается работа на 160 м индуктивность катушки СУ может не превышать 10…20 мкГн. Очень важно, чтобы имелась возможность получения малых индуктивностей до 1 …3 мкГн.

Шаровые вариометры для этих целей обычно не подходят, т.к. индуктивность перестраивается в меньших пределах, чем у катушек с «бегунком». В фирменных антенных тюнерах применяются катушки с «бегунком», у которых первые витки намотаны с увеличенным шагом — это сделано для получения малых индуктивностей с максимальной добротностью и минимальной межвитковой связью.

Достаточно качественное согласование можно получить, применяя в СУ «вариометр бедного радиолюбителя». Это две последовательно включенные катушки с переключением отводов (рис.5). Катушки — бескаркасные, и содержат по 35 витков провода диаметром 0,9…1,2 мм (в зависимости от предполагаемой мощности), намотанного на оправке 020 мм.

После намотки катушки сворачивают в кольцо и отводами припаивают на выводы обычных керамических переключателей на 11 положений. Отводы у одной катушки следует сделать от четных витков, у другой — от нечетных, например — от 1,3,5,7,9,11, 15,19, 23, 27-го витков и от 2,4, 6, 8,10, 14,18,22,28,30-го витков. Включив две такие катушки последовательно, можно переключателями подобрать требуемое количество витков тем более, что для СУ не особенно важна точность подбора индуктивности. С главной задачей — получением малых индуктивностей — «вариометр бедного радиолюбителя» справляется успешно.

Рис.4.

Чтобы этот самодельный тюнер по своим возможностям квазиплавной настройки приближался к «буржуинским» антенным тюнерам, например, АТ-130 от ICOM или АТ-50 от Kenwood, придется вместо одного галетного переключателя ввести закорачивание отводов катушки «релюшками», каждая из которых будет включаться отдельным тумблером. Семи «релюшек», коммутирующих семь отводов, будет достаточно, чтобы смоделировать «ручной АТ-50».

Пример релейной коммутации катушек приведен в [2]. Зазоры между пластинами в КПЕ должны выдерживать предполагаемое напряжение. Если применяются низкоомные нагрузки, при выходной мощности до 200…300 Вт можно обойтись КПЕ от старых типов РПУ. Если высокоомные — придется подобрать КПЕ с требуемыми зазорами (от промышленных радиостанций).

Рис.5.

Подход при выборе КПЕ очень прост — 1 мм зазора между пластинами выдерживает напряжение 1000 В. Предполагаемое напряжение можно найти по формуле U = ЦP/R , где:

Р — мощность,

R — сопротивление нагрузки.

На радиостанции обязательно должен быть установлен переключатель, при помощи которого трансивер отключается от антенны в случае грозы (или в выключенном состоянии), т.к. более 50% случаев выхода из строя транзисторов связаны с наводкой статического электричества. Переключатель можно смонтировать или в антенном коммутаторе, или в СУ.

П-образное согласующее устройство

Итогом различных опытов и экспериментов по рассмотренной выше теме стала реализация П-образного «согласователя» — рис.6. Конечно, трудно избавиться от «комплекса схемы буржуинских тюнеров» рис.2 — эта схема имеет важное преимущество, заключающееся в том, что антенна (по крайней мере, центральная жила кабеля) гальванически развязана от входа трансивера через зазоры между пластинами КПЕ. Но безрезультатные поиски подходящих КПЕ для этой схемы вынудили отказаться от нее. Кстати, схему П-контура используют и некоторые фирмы, выпускающие автоматические тюнеры, например, американская КАТ1 Elekraft или голландская Z-11 Zelfboum.

Помимо согласования, П-контур выполняет еще и роль фильтра низких частот, что очень полезно при работе на перегруженных радиолюбительских диапазонах — вряд ли кто-то откажется от дополнительной фильтрации гармоник. Главный недостаток схемы П-образного согласующего устройства — необходимость применения КПЕ с достаточно большой максимальной емкостью, что наводит на мысль о причине, по которой такая схема не применяется в автоматических тюнерах импортных трансиверов. В Т-образных схемах чаще всего используются два КПЕ, перестраиваемые моторчиками. Понятно, что КПЕ на 300 пФ будет намного меньше размером, дешевле и проще, нежели КПЕ на 1000 пФ.

Рис.6.

В схеме СУ, показанной на рис.6, применены КПЕ с воздушным зазором 0,3 мм от ламповых приемников. Обе секции конденсатора включены параллельно. В качестве индуктивности применена катушка с отводами, переключаемыми керамическим галетным переключателем.

Катушка — бескаркасная, и содержит 35 витков провода 00,9… 1,1 мм, намотанных на оправке 021…22 мм. После намотки катушка свернута в кольцо и своими короткими отводами припаяна к выводам галетного переключателя. Отводы сделаны от 2, 4, 7, 10, 14, 18, 22, 26 и 31-го витков.

КСВ-метр изготовлен на ферритовом кольце. Проницаемость кольца при работе на KB решающего значения, в общем-то, не имеет, в авторском варианте применено кольцо 1000НН с внешним диаметром 10 мм.

Кольцо обмотано тонкой лакотканью, а затем на него намотаны 14 витков провода ПЭЛ 0,3 (без скрутки, в два провода). Начало одной обмотки, соединенное с концом второй, образует средний вывод.

В зависимости от требуемой задачи (точнее, от того, какую мощность предполагается пропускать через СУ, и от качества светодиодов VD4 и VD5), можно использовать кремниевые или германиевые детектирующие диоды VD2 и VD3. При использовании германиевых диодов можно получить более высокую чувствительность. Наилучшие из них — ГД507. Однако автор применяет трансивер с выходной мощностью не менее 50 Вт, поэтому в КСВ-метре отлично работают обычные кремниевые диоды КД522.

Как «ноу-хау», помимо обычной, на стрелочном приборе, применена светодиодная индикация настройки. Для индикации «прямой волны» используется светодиод VD4 зеленого цвета, а для визуального контроля за «обратной волной» — красного цвета (VD5). Как показала практика, это очень удачное решение — всегда можно оперативно отреагировать на аварийную ситуацию. Если во время работы в эфире что-то случается с нагрузкой, красный светодиод начинает ярко вспыхивать в такт с излучаемым сигналом.

Ориентироваться по стрелке КСВ-метра менее удобно — не будешь же постоянно пялиться на нее во время передачи! А вот яркое свечение красного света хорошо заметно даже боковым зрением. Это положительно оценил Юрий, RU6CK, когда у него появилось такое СУ (к тому же, у Юрия плохое зрение). Уже более года и сам автор использует в основном только «светодиодную настройку» СУ, т.е. настройка «согласователя» сводится к тому, чтобы погас красный светодиод и ярко «полыхал» зеленый. Если уж и захочется более точной настройки, ее можно «выловить» по стрелке микроамперметра. В качестве микроамперметра применен прибор М68501 с током полного отклонения 200 мкА. Можно применить и М4762 — они устанавливались в магнитофонах «Нота», «Юпитер». Понятно, что С1 должен выдерживать напряжение, выдаваемое трансивером в нагрузку.

Настройка изготовленного устройства выполняется с использованием эквивалента нагрузки, который рассчитан на рассеивание выходной мощности каскада. Присоединяем СУ к трансиверу «коаксиалом» минимальной длины (насколько это возможно, т. к. этот отрезок кабеля будет использоваться в дальнейшей работе СУ и транисивера) с требуемым волновым сопротивлением, на выход СУ без всяких «длинных шнурков» и коаксиальных кабелей подключаем эквивалент нагрузки, выкручиваем все ручки СУ на минимум и выставляем при помощи С1 минимальные показания КСВ-метра при «отраженке». Следует заметить, что выходной сигнал передатчика не должен содержать гармоник (т.е. должен быть фильтрованный), в противном случае минимум можно и не отыскать. Если конструкция изготовлена правильно, минимум получается при емкости С1, близкой к минимальной.

Затем меняем местами вход и выход прибора и снова проверяем «баланс». Проверку осуществляем на нескольких диапазонах. Сразу предупреждаю, автор не в состоянии помочь каждому радиолюбителю, который не справился с настройкой описанного СУ. Если у кого-то не получается изготовить СУ самостоятельно, у автора данной статьи можно заказать готовое изделие. Всю информацию можно получить здесь [3].

Светодиоды VD4 и VD5 необходимо выбирать современные, с максимальной яркостью свечения. Желательно, чтобы светодиоды имели максимальное сопротивление при протекании номинального тока. Автору удалось приобрести красные светодиоды сопротивлением 1,2 кОм и зеленые — 2 кОм. Обычно зеленые светодиоды светятся слабо, но это и неплохо — ведь изготавливается не елочная гирлянда. Главное требование к зеленому светодиоду — его свечение должно быть достаточно отчетливо заметно в штатном режиме передачи. А вот цвет свечения красного светодиода, в зависимости от предпочтений пользователя, можно выбрать от ядовито-малинового до алого.

Как правило, такие светодиоды имеют диаметр З…3,5 мм. Для более яркого свечения красного светодиода применено удвоение напряжения — в схему введен диод VD1. По этой причине точным измерительным прибором наш КСВ-метр уже не назовешь — он завышает «отраженку». Если требуется измерять точные значения КСВ, необходимо применить светодиоды с одинаковым сопротивлением и сделать два плеча КСВ-метра абсолютно одинаковыми — или оба с удвоением напряжения, или без удвоения. Однако оператора скорее волнует качество согласования цепи «трансивер — антенна», а не точное значение КСВ. Для этого вполне достаточно светодиодов.

Предложенное СУ эффективно при работе с антеннами, запитанными через коаксиальный кабель. Автор испытывал СУ на «стандартные», распространенные антенны «ленивых» радиолюбителей — «рамку» периметром 80 м, «инвертед-V» — совмещенные 80 и 40 м, «треугольник» периметром 40 м, «пирамиду» на 80 м.

Константин, RN3ZF, (у него FT-840) применяет такое СУ со «штырем» и «инвертед-V» в том числе, и на WARC-диапазонах, UR4GG — с «треугольником» на 80 м и трансиверами «Волна» и «Дунай», a UY5ID с помощью описанного СУ согласовывает ШПУ на КТ956 с многосторонней рамкой периметром 80 м с симметричным питанием (используется дополнительный переход на симметричную нагрузку).

Если при настройке СУ не удается погасить красный светодиод (достичь минимальных показаний прибора), это может означать, что, помимо основного сигнала, в излучаемом спектре содержатся гармоники (СУ не в состоянии обеспечить согласование одновременно на нескольких частотах). Гармоники, которые по частоте располагаются выше основного сигнала, не проходят через ФНЧ, образуемый элементами СУ, отражаются, и на обратном пути «поджигают» красный светодиод. О том, что СУ «не справляется» с нагрузкой, может говорить только лишь тот факт, что согласование происходит при крайних значениях (не минимальных) параметров КПЕ и катушки, т.е. когда не хватает емкости или индуктивности. Ни у кого из указанных пользователей при работе СУ с перечисленными антеннами ни на одном из диапазонов таких случаев не отмечено.

СУ было испытано с «веревкой», т.е. с проволочной антенной длиной 41 м. Не следует забывать, что КСВ-метр является измерительным прибором только в случае обеспечения с обеих его сторон нагрузки, при которой он балансировался. При настройке на «веревку» светятся оба светодиода, поэтому за критерий настройки можно принять максимально яркое свечение зеленого светодиода при минимально возможной яркости красного. По-видимому, это будет наиболее верная настройка — по максимуму отдачи мощности в нагрузку.

Хотелось бы обратить внимание потенциальных пользователей данного СУ на то, что ни в коем случае нельзя переключать отводы катушки при излучении максимальной мощности. В момент переключения происходит разрыв цепи катушки (хотя и на доли секунды), и резко меняется ее индуктивность. Соответственно, подгорают контакты галетного переключателя и резко меняется сопротивление нагрузки выходного каскада. Переключать галетный переключатель необходимо только в режиме приема.

Информация для дотошных и «требовательных» читателей — автор статьи сознает, что КСВ-метр, установленный в СУ, не является прецизионным высокоточным измерительным прибором. Да такой цели при его изготовлении и не ставилось! Основная задача была — обеспечить трансиверу с широкополосными транзисторными каскадами оптимальную согласованную нагрузку, еще раз повторю — как передатчику, так и приемнику. Приемник, как и мощный ШПУ, в полной мере нуждается в качественном согласовании с антенной!

Кстати, если в вашем «радио» оптимальные настройки для приемника и передатчика не совпадают, это говорит о том, что настройка аппарата или вообще толком не производилась, а если и производилась, то, скорее всего, только передатчика, а полосовые фильтры приемника имеют оптимальные параметры при других значениях нагрузки.

КСВ-метр, установленный в СУ, покажет, что регулировкой элементов СУ мы добились параметров той нагрузки, которую присоединяли к выходу ANTENNA трансивера во время его настройки. Применяя СУ, можно спокойно работать в эфире, зная, что трансивер не «пыжится и молит о пощаде», а имеет почти ту же нагрузку, на которую его и настраивали. Разумеется, это не говорит о том, что антенна, подключенная к СУ, стала работать лучше. Не забывайте об этом!

Радиолюбителям, мечтающим о прецизионном КСВ-метре, могу рекомендовать изготовить его по схемам, приведенным во многих зарубежных серьезных изданиях, или купить готовый прибор. Но придется раскошелиться — действительно, приборы, выпускаемые известными фирмами, стоят от 50 USD и выше СВ — ишные польско-турецко-итальянские во внимание не беру. Удачная, хорошо описанная конструкция КСВ-метра приведена в [2].

А. Тарасов, (UT2FW) [email protected]

Литература:

1. Бунин С.Г., Яйленко Л.П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. — К.: Техника, 1984.
2. М. Левит. Прибор для определения КСВ. — Радио, 1978, N6.
3. http://www.cqham.ru/ut2fw/

Согласование антенн и согласующие устройства Устройства СВЧ…

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про согласование антенн, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое согласование антенн, согласующие устройства , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.

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

Рис. 1.14. Согласующие схемы с двумя (а) и тремя (б) неподвижными параллельными реактивностями

Рис. 1.15. К расчету схемы согласования с помощью двух неподвижных 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.

• полуволновый трансформатор , четвертьволновый трансформатор , согласование линий ,

Статью про согласование антенн я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое согласование антенн, согласующие устройства и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны

Согласование антенн

Подписаться на новости

Thank you! Your submission has been received!

Oops! Something went wrong while submitting the form.

Ключевые тезисы

• Согласование антенн осуществляется для того, чтобы обеспечить максимальный уровень мощности, поступающий на антенну и излучаемый ей.
• Согласование антенны заключается в уравнивании ее входного импеданса с импедансом фидерного устройства, которое подключено к ней.
• Как правило используются фильтрующие цепи, так как с помощью них, возможно получить требуемый импеданс в рабочем диапазоне частот антенны.  

Вне зависимости от того, что существует огромное количество типов антенн, различающихся, как по форме, так и по размерам, все они имеют одно общее свойство: для того, чтобы обеспечить нагрузку максимальным уровнем мощности, ее входной импеданс должен быть согласован с фидерной линией, к которой она подключена. Согласующие цепи достаточно просты, они выполняют роль фильтров, обеспечивающих соответствие импеданса фидеры с входным импедансом антенны. Использование фильтров – это самый простой способ согласования антенны или других радиотехнических элементов цепи.

Согласование антенн: определение требований по согласованию импеданса.

Необходимость в согласовании заключается в том, что входной импеданс антенн далеко не всегда равен 50 Ом. Некоторые антенны, например чип-антенна, при изготовлении имеет либо более высокое, либо более низкое значение входного сопротивления. Другие антенны, например патч-антенны может быть достаточно сложно спроектировать точно на 50 Ом целевого входного сопротивления; полосковые линии могут оказаться достаточно широкими, либо же антенна может занимать много места на плате. Поэтому патч-антенна может быть изготовлена с меньшими габаритами, что приводит к изменению входного импеданса.    

Кроме того, антенна и ее согласующая цепь может быть подключена к короткой фидерной линии, таким образом, входной импеданс фидера не является характеристическим сопротивлением линии. Вместо этого, необходимо согласовать входной импеданс с выходным сопротивлением передатчика для того, чтобы минимизировать возвратные потери (S11), как на антенне, так и на фидерном устройстве. Хотя 50-омная оконечная нагрузка часто применяется на устройствах со встроенным радиочастотным приемо-передатчиком, это, однако, не означает, что будет обеспечено идеальное согласование.    

При схемотехническом подходе, существует несколько способов согласования антенны. Цель заключается в том, чтобы гарантировать эквивалентность импедансов антенны с согласующей цепью и фидерным устройством. Стандартные топологии цепей приведены в таблице ниже:  

Стандартные топологии цепей

Цепи, типа последовательного LC фильтра не являются полезными, так как имеют полосу среза. Радиотехнические фильтры высших порядков могут быть успешно использованы, если требуется очень резкий спад, однако эти реализации требуют большего количества элементов. Не имеет значения, какой тип фильтра вы желаете использовать для согласования антенны, в любом случае ее входной импеданс должен соответствовать импедансу фидерной линии. Такая оценка может быть осуществлена SPICE моделированием. Как только требуемое согласование определено, вы можете следовать вверх по цепи до входного порта антенны, чтобы обеспечить последующее согласование.  

Входной импеданс  

После того как антенна и согласующее устройство спроектировано для целевого импеданса фидерной линии, важно определить соответствует ли входное сопротивление 50-ти Ом. Это может быть легко сделано, с помощью коэффициента отражения на входе антенны с подключенным к ней стандартной линией питания по формуле:

Формула расчета коэффициента отражения на входе антенны

Входной импеданс фидерной линии с известной постоянной распространения и заданной длинны. Важно отметить, что антенный импеданс должен быть известным, до вычисления входного импеданса фидерной линии.  

В идеальном случае, эта величина должна быть равно 50 Ом. Возвратные потери S11 можно получить на входе фидерного устройства; стандартная цель при проектировании антенно-фидерного устройства – не более 20 дБ возвратных потерь на входном порту.

Согласование шлейфами

Шлейфы на линиях передачи могут также являться шунтирующими элементами, в точности как емкость или индуктивность. Необходимо просто применить уравнение, приведенное выше для шлейфа, чтобы установить его влияние, как эквивалентного элемента цепи. Использование шлейфов является обычной практикой в пассивных радиотехнических цепях, выполненных на микрополосковых элементах; шлейфы также применяются и при их согласовании. Обратите внимание, что из-за характерных условий распространения электромагнитных полей на отрезке линии передачи, вы можете получить согласование на нескольких частотах с помощью короткозамкнутых шлейфов, или шлейфов холостого хода.

Альтернативные цепи согласования

В этой статье мы рассмотрели согласование импеданса различными фильтрующими цепями, что довольно часто используется при подключении чип-антенн, коаксиальных коннекторов и даже патч-антенн, микрополосковых антенн или щелевых антенн. Методы проектирования схем являются стандартными и очень простыми, они заключаются в применении параметрического свипирования в SPICE моделировании для нахождения входного импеданса и коэффициента отражения от входного порта антенны. Для тех, кто предпочитает не использовать схемотехническое моделирование, существуют альтернативные инструменты для согласования антенн.            

Согласование антенн может быть также реализовано, с помощью диаграммы Смита. Этот графический метод согласования предполагает отслеживание изменения импеданса антенны с согласующей цепью при добавлении L или C элементов последовательно или параллельно. Существует множество руководств по использованию диаграммы Смита, которые доступны онлайн. Начинающим проектировщикам антенн очень рекомендуется познакомиться с этими руководствами перед началом работы с диаграммой Смита. Убедитесь, что запомнили правила последовательного и параллельного подключения L и C элементов на диаграмме (см. ниже).

Правила последовательного и параллельного подключения элементов для достижения целевого импеданса в 50 Ом на диаграмме Смита.

Правила последовательного и параллельного подключения элементов для достижения целевого импеданса в 50 Ом на диаграмме Смита.

Последний неупомянутый способ согласования нестандартных излучателей – это использование электромагнитных решателей. Трехмерное моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD) может помочь установить характеристики излучаемых устройством электромагнитных полей, которые затем могут быть пересчитаны в токи и напряжения на антенне. Более продвинутые решатели могут рассчитывать параметры цепей для таких структур напрямую, что позволяет получать характеристики S11 на входных портах устройства на требуемых частотах. Далее, проектировщики могут использовать эти данные для определения параметров согласующих устройств с применением прочих техник, описанных здесь.    

Использование программного обеспечения Altair Feko позволяет значительно сократить время на разработку и согласование антенн. Тесная интеграция с Optenni Lab предлагает разработчику автоматизировать процесс создания согласующих цепей для согласования антенн. Optenni Lab – это быстрый и удобный инструмент для синтеза цепей согласования и анализа антенн, предназначенный для разработчиков антенно-фидерных устройств.

• Подробнее об Altair Feko: https://www.elm-c.ru/altair-feko
• Подробнее об Optenni Lab: https://www.elm-c.ru/optenni-lab

По вопросам предоставления временных лицензий на программные решения Altair Feko и Optenni Lab тестирования и приобретения, пожалуйста, обращайтесь к специалистам компании ООО «ЭЛМ» по телефону +7(495) 005-51-45 или по электронной почте [email protected].

Методы согласования антенн

» Electronics Notes

Очень важно, чтобы импеданс антенны был правильно согласован с ее фидером, и есть несколько методов, которые можно использовать: трансформаторы импеданса — балуны и разветвители, антенные тюнеры, согласующие шлейфы и т. д. .

---

Основы антенны Включает:
Основы теории антенн Поляризация Антенна ближнего и дальнего поля Резонанс и пропускная способность Усиление и направленность Полное сопротивление подачи Методы согласования антенн

Метод согласования импеданса: Соответствие антенны треугольнику Гамма-соответствие антенны

---

При проектировании или установке антенной системы очень важно убедиться, что импеданс источника сигнала или фидера соответствует импедансу антенной системы.

Обеспечение точного согласования импеданса обеспечивает оптимальную передачу мощности и, следовательно, оптимальную эффективность. Это может быть важно, когда используются системы радиосвязи или широковещательные передатчики, поскольку в этих ситуациях решающее значение имеют характеристики антенны.

Хотя в некоторых антенных системах используется высокий уровень КСВ в двойном или открытом механизме подачи проволоки, в конечном итоге для обеспечения оптимальной передачи мощности передатчику потребуется хорошее согласование.

Кроме того, если передатчик обнаруживает плохое совпадение, он не будет работать эффективно, а в некоторых случаях может возникнуть вероятность повреждения. Любой радиопередатчик или вещательный передатчик, работающий на разумном уровне мощности, должен иметь хорошее согласование импеданса.

Для приема обеспечение хорошего согласования обеспечит прием наилучшего сигнала, хотя иногда потребность в высокоэффективных антеннах не так важна.

Необходимость согласования антенн

Одной из основных причин, по которой требуется хорошее согласование между антенной и фидером, является обеспечение низкого уровня стоячих волн, КСВ. Также называемый КСВ — коэффициентом стоячей волны по напряжению, низкий уровень КСВ часто требуется для удовлетворительной работы передающей антенны.

Хотя потребность в очень хорошо согласованной комбинации фидера и антенны не так необходима для приема, для передачи это может иметь решающее значение.

Мощность, передаваемая от передатчика через фидер, достигает антенны. При плохом совпадении мощность будет отражаться обратно вдоль фидера.

Отраженная мощность создаст стоячие волны вдоль фидера. В различных точках фидера будут пики напряжения и тока.

Стоячие волны могут вызвать несколько проблем для передающих систем:

• Пики напряжения и тока могут повредить фидер:   В некоторых случаях пики напряжения и тока могут повредить фидер, если превышены его пределы. Высокий уровень тока может вызвать местное нагревание и, возможно, расплавить фидер. Высокое напряжение может привести к разрушению изоляции. И то, и другое маловероятно, потому что для возникновения этих проблем фидер должен работать очень близко к своим пределам.

• Усилитель мощности передатчика может быть поврежден:   Если высокий уровень отраженной мощности достигает усилителя мощности передатчика, это может привести к выходу из строя устройств вывода. Современные полупроводниковые приборы могут практически мгновенно выйти из строя при превышении максимального уровня напряжения. Кроме того, избыточный ток, вызванный стоячими волнами отраженной мощности, также может привести к выходу из строя устройств вывода.

  Ввиду этого многие усилители имеют встроенную схему защиты для снижения уровня мощности передатчика, чтобы не превышались номинальные параметры выходного устройства. Потеря мощности сигнала может привести к более низким уровням сигнала на приемнике и может привести к отказу линии радиосвязи.

  Другие выходные усилители имеют достаточный запас по номиналам, чтобы приспособиться к высоким уровням КСВ и отраженной мощности. Однако это увеличивает стоимость и нежелательные возможности усилителя, которые обычно не нужны.

• Потеря сигнала из-за высокого КСВ:   Тот факт, что мощность отражается от антенны, приводит к потере мощности или сигнала. Это снизит эффективность антенной системы.

Мощность отражается, когда импедансы фидера и нагрузки не совпадают

По целому ряду причин полезно, чтобы вся антенная система работала с низким уровнем отраженной мощности.

Примечание по коэффициенту стоячей волны, КСВ и КСВН:

Стоячие волны часто связаны с ВЧ-фидерами и генерируются при несоответствии импеданса фидера и импеданса нагрузки. При несоответствии мощность отражается, и объединенные напряжения и токи прямой и отраженной мощности образуют вдоль фидера стоячие волны.

Подробнее о Коэффициент стоячей волны по напряжению, КСВН.

Согласование антенны

Чтобы антенная система обеспечивала хорошее согласование с фидером и не отражала мощность обратно к передатчику, часто используется схема согласования антенны в той или иной форме.

Эти схемы согласования могут иметь различные формы: от катушек индуктивности, действующих как автотрансформаторы в основании антенны, трансформаторов, таких как балуны, в точке питания антенны, до блоков настройки или согласования, которые можно использовать для обеспечения переменного согласования на диапазон частот. Соответствующие заглушки также могут использоваться вместе с множеством других методов.

Базовая блок-схема антенной системы

Следует также отметить, что в некоторых антеннах, особенно в ВЧ-антеннах, может использоваться открытый механизм подачи проволоки, способный работать с высоким уровнем КСВ. Эта форма фидера будет иметь очень низкий уровень потерь и может выдерживать высокие уровни КСВ. Однако, в конечном счете, перед передатчиком необходима определенная форма согласования, чтобы передатчик мог видеть правильный импеданс для удовлетворительной работы.

Различные методы обеспечения хорошего совпадения будут описаны в следующих разделах, хотя некоторые методы могут рассматриваться как частично совпадающие.

Антенные тюнеры / блоки согласования

Одной из широко используемых форм согласования для антенны является использование блока настройки или согласования на основе катушки индуктивности/конденсатора.

Эти схемы настройки или согласования антенны могут иметь различные формы. Они могут быть встроены в печатную плату для небольших передатчиков в электронном оборудовании — от радиоприемников ближнего действия, системы Bluetooth и т. д., где необходимо согласовать небольшие антенны с высоким уровнем импеданса с передатчиком / приемником для обеспечения оптимальной работы.

Их также можно использовать с передающей и приемной ВЧ-антеннами для обеспечения оптимального согласования.

Типичный антенный тюнер любительского диапазона КВ с ручной регулировкой

Эти блоки антенного тюнера КВ, ATU часто размещаются в отдельном корпусе и имеют элементы управления, позволяющие им согласовывать передатчик и антенну в используемых диапазонах частот и диапазонах.

Этими ATU можно управлять вручную, хотя все чаще появляется возможность управлять ими с приемопередатчика ВЧ-диапазона и выполнять автоматическую настройку.

Примечание по блоку настройки антенны:

Блоки настройки антенны можно использовать различными способами для настройки или согласования антенны. Это особенно полезно, когда речь идет о передающих станциях, поскольку позволяет защитить передатчик от высоких уровней стоячих волн и результирующих пиков напряжения и тока, которые могут привести к повреждению выходных устройств.

Подробнее о блоках настройки антенн, ATU.

Согласующий трансформатор в вертикальных антеннах

Часто необходимо обеспечить какую-либо форму преобразования импеданса в самой антенне.

Часто вертикальные антенны необходимо запитывать коаксиальным кабелем сопротивлением 50 Ом, но импеданс вертикальной антенны обычно ниже: часто около 20 Ом.

При таком импедансе и использовании стандартного коаксиального кабеля сопротивлением 50 Ом будет значительное рассогласование.

Чтобы избежать этого, в основание антенны обычно помещают согласующий трансформатор. Часто это может быть простая катушка с отводом, чтобы обеспечить правильное преобразование импеданса.

Балуны

Согласование антенны включает в себя не только согласование импеданса. Это очень важно, но еще одним аспектом согласования антенн является обеспечение перехода от симметричных систем к несимметричным.

Это часто происходит из-за того, что многие антенны, такие как дипольная антенна, имеют симметричный вход, тогда как для питания антенны часто используется коаксиальный кабель. Коаксиальный кабель представляет собой несимметричный фидер, и хотя это очень удобная форма фидера, необходимо сделать подходящий переход между несимметричным коаксиальным фидером и симметричной дипольной антенной.

Существует много форм балунов, которые можно использовать, каждый из которых имеет немного разные физические характеристики, но всегда обеспечивает переход от сбалансированного к несбалансированному.

Часто балуны, но не всегда, используют соотношение витков 1:1, потому что импеданс антенны и импеданс фидера достаточно согласованы, и дополнительное преобразование импеданса не требуется.

Примечание по антенным балунам:

Балуны используются со многими антеннами и их фидерными системами для перехода от симметричной системы к несимметричной или наоборот. Они могут принимать различные формы и использоваться во многих антенных системах.

Подробнее об антенных балунах.

Шлейфы согласования полного сопротивления

Согласующие шлейфы состоят из отрезков линии передачи, обычно либо коаксиальной, либо сбалансированной фидерной линии, которые обрезаются до определенной длины для обеспечения требуемого преобразования импеданса.

Закороченный шлейф может иметь реактивное сопротивление любого значения. Это может действовать как устройство согласования импеданса, которое компенсирует реактивную часть комплексного импеданса.

Недостатком этих шлейфов является то, что они изменяют свое значение в зависимости от частоты и поэтому обеспечивают только узкополосное решение. Новый шлейф требуется, если производится какое-либо значительное изменение частоты.

В дополнение к этому, эти шлейфы могут занимать значительную длину в зависимости от используемой частоты.

Дельта-совпадение

Часто необходимо иметь антенный элемент, питаемый не от центра, с разрывом проводника в центре. Это особенно полезно для лучевых антенн Yagi, где физическая конструкция, особенно на ВЧ, означает, что антенну можно сделать намного более надежной с помощью непрерывного полуволнового элемента.

Концепция дельта-системы согласования импеданса антенны

Это можно легко согласовать с помощью так называемого дельта-соответствия — оно получило свое название из-за формы схемы согласования импеданса.

Соответствие треугольнику работает, потому что оно запитывает антенну в точках, где соотношение напряжения и тока таково, что импеданс намного выше. Это очень полезно для таких антенн, как Yagi, где импеданс фидера намного ниже 50 Ом из-за близости используемых паразитных элементов.

Стоит отметить, что согласование антенны треугольником по-прежнему требует использования симметричного фидера. Это означает, что для любого перехода на несбалансированный фидер, такой как коаксиальный кабель, потребуется балун для преобразования фидера из сбалансированного в несбалансированный.

Подробнее о . . . . Соответствие импеданса антенны треугольником

Гамма соответствует

Во многих отношениях гамма-сопоставление очень похоже на дельта-сопоставление. Опять же, он использует непрерывный проводник для ведомого элемента, но вместо этого он соединяется с центром антенного элемента, который часто соединяется со штангой конструкции антенны, такой как Yagi, которую можно рассматривать как потенциал Земли.

Затем он использует соединение со смещением, питаемое через конденсатор, чтобы удалить реактивные элементы импеданса питания.

Концепция системы согласования импеданса гамма-излучения антенны

Система согласования гамма-излучения или гамма-подача имеет два основных преимущества. Во-первых, это позволяет сконструировать основной элемент антенны из одного цельного проводника, что очень полезно с точки зрения физической конструкции, особенно для больших антенн, где важна механическая прочность.

Однако согласование гаммы также обеспечивает несбалансированный вход, и поэтому коаксиальный кабель может быть подключен непосредственно к нему без использования балуна.

Недостатком является наличие конденсатора, который необходимо подрезать для обеспечения оптимальной производительности.

Подробнее о . . . . Соответствие гамма-импеданса антенны

Согласование антенны — увлекательная тема, которая может значительно улучшить характеристики антенны. Очень важно, чтобы многие антенны были хорошо согласованы с фидером и, в конечном счете, с источником, если они должны обеспечивать наилучшие характеристики.

К счастью, существует множество способов обеспечить хорошее совпадение, и для каждой ситуации обычно имеется ряд очень хороших решений. Это может быть особенно полезно для систем, где необходимо очень эффективно использовать мощность передатчика: системы радиосвязи, радиолинии передачи данных, микроволновые линии связи, радиовещание и т.п.

Другие темы об антеннах и распространении:
ЭМ волны Распространение радио Ионосферное распространение Грунтовая волна Разброс метеоров Тропосферное распространение Основы антенны Кубический четырехугольник Диполь Отключить Ферритовый стержень Логопериодическая антенна Антенна с параболическим отражателем Антенны с фазированной решеткой Вертикальные антенны Яги Заземление антенны телевизионные антенны Коаксиальный кабель Волновод КСВ Антенные балуны MIMO
    Вернитесь в меню «Антенны и распространение». . .

Согласование антенны

Согласование антенны

Содержание: основы; методы согласования импеданса; Реактивное сопротивление против КСВ; Индуктивное согласование; Соответствие ЮООН; емкостное согласование; Сопоставление заглушек; шансы и конец;

Основы

Согласование мобильной антенны с требуемыми 50 Ом требуется по нескольким причинам. Например, современные твердотельные радиоприемники спроектированы таким образом, чтобы снижать их выходную мощность, когда входной КСВ достигает ≈2:1. Кто-то выдержит чуть больше, кто-то чуть меньше. После согласования КСВ не обязательно должен быть плоским, поэтому все, что ниже 1,6:1, достаточно близко. Помните также, если непревзойденный входной импеданс вашей антенны меньше 1,6:1 при резонансе , вам нужна лучшая антенна и/или сценарий монтажа.

Один очень важный момент необходимо упомянуть, прежде чем продолжить. Если вы используете дистанционно управляемую мобильную ВЧ-антенну, такую ​​как Scorpion, провода двигателя (и провода геркона, если они используются) и коаксиальный фидер должны быть надлежащим образом заглушены. Если это не так, у вас будут терминальные проблемы, и это не каламбур! Если вы не понимаете, почему подавление так важно, прочитайте следующие статьи: Антенные контроллеры и общий режим.

Кроме того, неправильное подключение проводов двигателя также повлияет на входное сопротивление вашей антенны. Поэтому перед попыткой настройки любого метода согласования необходимо отсоединить провода двигателя от антенны. После согласования, если при повторном подключении проводов двигателя меняется точка согласования и/или КСВ (независимо от того, насколько малы изменения!), это хороший признак того, что импеданс дросселя проводов двигателя слишком низкий.

Производители антенн часто советуют своим клиентам обрезать коаксиальные фидерные линии до определенной длины, чтобы получить хорошее согласование. Все это делает маскирует проблему , перемещая узел КСВ в другое положение вдоль линии подачи. Хотя это может показаться для решения проблемы, это не обманет большинство автоматических контроллеров. Правда в том, что если антенна правильно подобрана, не имеет значения, насколько длинна (или короткая) фидерная линия.

В следующих разделах необходимо точно знать резонансную точку (X=Ø) антенны, которую мы пытаемся согласовать. Сам по себе этот факт не должен означать, что требуется точный резонанс; это не так! Скорее, в данном случае это лишь средство достижения конечной точки (широкополосное согласование). После того, как сопоставление завершено, какой бы ни был КСВ (при условии, что он ниже ≈1,6: 1), он не имеет значения. Однако следует отметить, что измерение КСВ на приемопередающем конце коаксиальной линии обычно приводит к большим общим потерям и может сделать почти невозможным согласование. Причина в том, что любое реактивное сопротивление (±jΩ), которое демонстрирует антенна, будет преобразовано коаксиальным кабелем. В то время как КСВ может быть низким на стороне приемопередатчика, он может быть чрезмерным на стороне антенны, что приводит к дополнительным потерям в коаксиальном кабеле и возможному увеличению интермодуляционных искажений.

Следует отметить, что твердотельные приемопередатчики могут генерировать чрезмерные уровни интермодуляционных искажений (предписанные Федеральной комиссией связи США), когда КСВ превышает 1,8:1 или около того — еще одна причина для надлежащего согласования импеданса антенн. В то время как большинство мобильных операторов, по-видимому, не заботятся об IMD, они должны ! Особенно при использовании усилителя, который усиливает интермодуляционные искажения наряду со всем остальным. Другими словами, мусор на входе, мусор на выходе!

☜Возврат☜

Методы согласования импеданса

Буквально тысячи статей написаны о согласовании импеданса антенн. Какой бы метод вы ни выбрали для достижения согласования импеданса, это нормально, если элемент антенны заземлен по постоянному току! Этого можно добиться с помощью шунтирующей катушки (предпочтительный метод), UNUN или шлейфового согласования, все из которых описано ниже. Есть несколько причин, по которым важно заземление постоянного тока.

Во-первых, заземление по постоянному току помогает контролировать разряды статического электричества от антенны, тем самым уменьшая часть полученного хэша, с которым мы все миримся. Во-вторых, это вопрос безопасности. Если антенна соприкоснется с действующей воздушной линией электропередач, заземление постоянного тока поможет предотвратить повреждение вашего оборудования и, возможно, вас самого.

Другой причиной является молниезащита, поскольку заземление элемента по постоянному току снижает вероятность повреждения оборудования в случае удара.

Некоторые любители полагают, что заземление антенны (элемента) по постоянному току не работает, но это не так. То, что мы заземляем элемент антенны по постоянному току, не означает, что он также заземлен по радиочастоте! Они также предполагают, что заземление монтажной конструкции антенны (кронштейна) обеспечит низкий КСВ и/или заменит адекватную плоскость заземления. Ни одно из этих предположений не верно.

☜Возврат☜

Реактивное сопротивление против КСВ

К сожалению, слишком много внимания уделяется достижению низкого КСВ. Вдобавок ко всему, методология, используемая большинством любителей для проверки (или установки) своего КСВ, неверна. Факт, который скоро станет очевидным.

При резонансе входное сопротивление качественной, правильно установленной мобильной КВ антенны будет около 25 Ом. По определению точка резонанса находится там, где реактивная составляющая равна нулю (X=Ø или +Øj, если хотите). Поскольку требуемый импеданс нашей фидерной линии составляет 50 Ом, результирующий КСВ будет 2:1. Однако, если вы настроите антенну на частоту ниже истинная резонансная точка, указанное КСВ уменьшит , возможно, до 1,5:1. По этой причине при регулировке любой согласующей катушки или устройства антенны следует использовать антенный анализатор с показаниями реактивного сопротивления.

Опять же, вы должны искать наименьшее реактивное сопротивление (X=Ø), , а не наименьшее значение КСВ при настройке любого согласующего устройства. После правильной настройки согласующего устройства минимальное значение КСВ на вашем трансивере (или внешнем КСВ-метре) будет равно 9.0202 очень близко к фактической точке резонанса антенны.

Просто чтобы убедиться, что этот пункт как можно более понятен….. Относительно входного сопротивления мобильной антенны ниже 50 Ом, когда вы настраиваете антенну на частоту ниже истинной резонансной точки , резистивная составляющая будет увеличиваться быстрее, чем реактивная составляющая, что приводит к уменьшению указанного КСВ !

Вы можете убедиться в этом сами, настроив антенный анализатор на самое низкое реактивное сопротивление (X=Ø или как можно ближе к нему) и отметив КСВ. Затем отрегулируйте частоту анализатора, пока КСВ не станет самым низким, и обратите внимание на реактивное сопротивление. Это будет имитировать диаграмму, показанную вверху справа (реактивное сопротивление показано красным, а КСВ синим).

На двух фотографиях изображена 40-метровая резонансная антенна до (слева) и после (справа) правильного согласования. Обратите внимание, что на правом фото показано реактивное сопротивление в несколько Ом. Это связано с базовой точностью рассматриваемого прибора (≈±5%). Запишите частоту, показанную на 259B. Это указывает на то, что вы увидите в процессе настройки согласующей катушки или устройства антенны. Он включен сюда, потому что (как отмечалось выше) регулировка дистанционно настроенной согласующей катушки ВЧ-антенны является основным применением антенного анализатора в мобильном сценарии.

На показания реактивного сопротивления антенного анализатора может влиять находящийся поблизости широковещательный передатчик. Вот как проверить. Когда MFJ-259B подключен к вашей антенне, нажимайте переключатель режимов, пока не отобразится счетчик частоты. Если КСВ-метр значительно отклоняется, у вас, вероятно, есть BCI. MFJ продает дополнительный фильтр BCI для модели 259B, что устраняет проблему.

☜Возврат☜

Индуктивное согласование

Если вы планируете использовать антенну с дистанционной настройкой и автоматический контроллер антенны, то индуктивное согласование — ваш единственный выбор, если вы ищете полностью автоматическую работу.

Индуктивное согласование работает путем заимствования небольшого количества емкостного реактивного сопротивления у антенны (путем настройки антенны немного выше фактической частоты передачи). Эта заимствованная емкость и индуктивность шунтирующей согласующей катушки образуют высокочастотную LC-цепь, которая преобразует низкий импеданс антенны (обычно 25 Ом или около того) в импеданс фидерной линии 50 Ом. При правильной установке и настройке согласование шунта обеспечит достойное согласование (<1,6:1) на нескольких октавах. Закрытие согласующей катушки, даже в пластике, повлияет на отношение частоты к реактивному сопротивлению катушки, эффективно уменьшая ее полосу пропускания.

Кроме того, катушка должна быть как можно более чистой от окружающего металла. Например, поставляемые на заводе шунтирующие катушки часто монтируются напротив монтажного кронштейна антенны. Для достижения наилучших результатов эти катушки следует переместить. Вам следует избегать коммерческих устройств, которые окружают мачту, или устройств, которые закорачивают часть катушки для достижения согласования, так как это снижает эффективную добротность катушки, что увеличивает общие потери. Очевидно, что открытые шунтирующие согласующие катушки обеспечивают наилучшее согласование и наименьшие потери по сравнению с любой другой методологией согласования.

Слева фотография блока согласования MFJ-908 L. Создание одного, а не его покупка, не сэкономит вам денег, но вы можете узнать, как они работают, если вы это сделаете. Справочник по антеннам ARRL — хорошее место для начала.

Однако, как правило, вам не нужен переключаемый индуктор, такой как вышеупомянутый блок MFJ, если только вы не работаете на 160 м (см. «Разное» ниже). Вместо этого будет достаточно простого индуктора, подобного показанному на правом фото (или верхнем правом рисунке). Один конец подключается к фидеру антенны, а другой конец подключается к земле. Заземляющий конец катушки должен быть совмещен с заземлением экрана коаксиального кабеля.

Катушка справа имеет 9 витков, внутренний диаметр 1 дюйм и намотана проводом #14 Thermalese ^® (эмалированным). Форм-фактор катушки должен быть близким к 1:1 (длина к диаметру). Длинные тонкие катушки не работают так же хорошо. Вы также можете использовать строительную проволоку, но с ней немного сложнее работать. В реальных условиях витки расположены немного дальше друг от друга, чтобы регулировать индуктивность. Катушка должна быть около 1 мкГн, но в реальном мире значение может быть между 0,5 мкГн и 1,5 мкГн в зависимости от фактического входного импеданса при резонансе.

Существует специальная процедура , которой необходимо следовать, если необходимо добиться надлежащей регулировки шунтирующей согласующей катушки, и вот она: Регулировка антенной катушки.

Наконец, некоторые коммерческие версии винтовой антенны имеют встроенные согласующие катушки с фиксированным значением, и поэтому не могут обеспечить идеальное согласование во всем диапазоне резонансных частот антенны. Хотя эти антенны можно модифицировать для использования регулируемой катушки, лучше вообще не покупать эту проблему.

☜Возврат☜

UNUN Соответствие

Вы также можете использовать ВЧ-трансформатор UNUN (несбалансированный в несбалансированный), такой как блок MFJ-907, показанный слева. Как и описанная выше LC-цепь, она обеспечивает заземление по постоянному току и необходимое соответствие импеданса. Если вы используете монобандеры разной длины, предпочтительным методом сопоставления является UNUN. Однако, если вы используете антенну с дистанционным управлением, вам придется переключать отводы между диапазонами. В большинстве случаев можно использовать один отвод на 80 и 40, другой на 20 и 17 и сквозной на 12 и 10. Если вам не нравится идея смены отводов, то сделайте один из вышеупомянутых дросселей.

Если вы хотите построить свой собственный UNUN, схема находится справа (щелкните, чтобы увеличить). Ферритовый сердечник F114-67, несколько футов эмалированного медного провода №14 (достаточно для 9 бифилярных витков), небольшая коробка для его монтажа — и вы дома. Я предпочитаю покрывать сердечник стеклолентой 3M #27, так как это облегчает намотку, но это не является обязательным требованием.

☜Возврат☜

емкостное согласование

У емкостного согласования есть существенный недостаток — антенна не заземлена по постоянному току! Во-вторых, по мере увеличения частоты реактивное сопротивление (в омах) уменьшается, а это означает, что вы должны использовать конденсаторы разного номинала для каждой полосы, а иногда и внутри полосы. Очевидно, что если вы используете автоматический контроллер антенны, это серьезный недостаток! Если вы используете емкостное согласование, вам следует серьезно подумать о замене его индуктивным согласованием.

☜Возврат☜

Заглушка, соответствующая

Любая из приведенных выше схем согласования может использоваться для согласования однодиапазонной антенны. Однако есть и другой способ, который не только выполняет сопряженное сопоставление, но и расширяет полосу пропускания! Введите короткозамкнутый 1/4-волновой шлейф! Недостатком такого типа спички является то, что она по своей природе является однополосной. Хотя в некоторых случаях вы можете каскадировать (параллельно) шлейфы, механические соображения становятся головной болью. По крайней мере, это намного проще, чем использование внутреннего или внешнего автосцепки с примерно такими же результатами.

В зависимости от множества неявных факторов этот метод может расширить полосу пропускания в 2 или 3 раза. Причина этого в том, что кривая реактивного сопротивления 1/4-волнового короткозамкнутого шлейфа в зависимости от частоты противоположна кривой сопротивления антенны. Если вы хотите узнать больше о том, как они работают, обратитесь к Главе 11 Справочника ARRL.

☜Возврат☜

Разное

Для антенн с увеличенным радиусом действия до 160 метров может потребоваться MFJ-908 L или аналогичный переключаемый индуктор. Причина в том, что 160-метровая нагрузочная катушка примерно в 5 раз больше (по индуктивности), чем 80-метровая нагрузочная катушка. При прочих равных потери в катушке увеличатся более чем в два раза, и, следовательно, входное сопротивление будет близко к 50 Ом (согласование не требуется). Здесь также действует скрытый фактор. Антенна с дистанционным управлением от 160 до 10 метров будет демонстрировать большие потери в катушке на любой частоте, чем антенна от 80 до 10 метров. Потенциальные покупатели должны знать об этом факте.

В качестве альтернативы вы можете сделать свой собственный шунтирующий индуктор. Тот, что на фото справа, принадлежит Майрону Шафферу, WVØH. Катушка аналогична описанной выше. Переключатель закорачивает нижние 4 витка, уменьшая индуктивность с 2 мкГн до 0,7 мкГн. Этот метод стоит меньше и столь же эффективен, как и покупной, хотя и требует небольшой настройки, чтобы получить правильные индуктивности.

Для согласования входного импеданса мобильной антенны с сопротивлением 50 Ом можно использовать как внутренний, так и внешний автоответвитель. И их можно использовать для расширения полосы пропускания однодиапазонной антенны. Однако использование устройства с дистанционно настроенной антенной создает некоторые эксплуатационные проблемы. Если вы используете его, имейте в виду следующее.

Рассматриваемая антенна должна быть настроена на резонанс (самый низкий КСВ достаточно близок) до автосцепки включена. Это особенно важно для внешних ответвителей с их большим диапазоном согласования. При правильных обстоятельствах неспособность настроить антенну близко к рабочей частоте может привести к тому, что ВЧ-напряжение будет достаточно высоким, чтобы дуга прошла через большинство базовых изоляторов и/или витки катушки!

☜Возврат☜

Дом

 

Методы согласования импеданса для антенн | Блог системного анализа

Ключевые выводы

• Методы согласования импеданса для антенн предназначены для обеспечения максимальной передачи мощности в антенну, чтобы элемент мог излучать сильно.

• Согласование импеданса антенны включает согласование входного импеданса на конце фидера антенны с характеристическим импедансом фидера.

• Обычно используются схемы фильтров

  , поскольку они могут быть сконфигурированы для обеспечения определенного импеданса прямо на желаемой частоте передачи.

Хотя антенны бывают разных форм и размеров, у них есть одна общая черта: им необходимо обеспечить согласование импеданса на конце фидерной линии, чтобы обеспечить передачу максимальной мощности в нагрузку. Цепи согласования импеданса довольно просты; они действуют как фильтры, обеспечивающие соответствие импеданса фидерной линии антенны входному импедансу на входном порту антенны. Начиная с точки зрения фильтрации, это самый простой метод согласования импеданса в антеннах или других элементах радиочастотной схемы.

Методы согласования импедансов в антеннах: определение требований к согласованию импедансов

Необходимость в методах согласования импедансов в антеннах связана с тем, что импедансы антенн не всегда равны 50 Ом. Некоторые антенны, такие как чиповые антенны, при изготовлении имеют низкий или высокий импеданс. Для других антенн, таких как печатная антенна, может быть сложно спроектировать антенну так, чтобы она точно попадала в цель с импедансом 50 Ом; дорожки могут быть очень широкими или антенна может занимать место на плате. В результате конструкцию необходимо изготавливать меньшего размера, что создает несоответствие импеданса.

Кроме того, антенна и ее согласующая цепь могут быть подключены к короткому фидеру, поэтому входное сопротивление фидера может не совпадать с характеристическим импедансом линии. Вместо этого входной импеданс должен быть согласован с выходным импедансом передатчика, чтобы можно было максимально снизить обратные потери (S11) на входе антенны и на входе фидерной линии. Хотя в устройствах со встроенным радиочастотным приемопередатчиком часто применяется или настраивается оконечная нагрузка 50 Ом, это не означает идеального согласования импедансов.

Если использовать схемный подход, существует несколько вариантов методов согласования импеданса в антеннах. Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что эквивалентный импеданс (антенна + сеть согласования импеданса) соответствует входному импедансу на входе линии передачи. Типовые топологии цепей показаны в таблице ниже:

Топология цепи	Поведение фильтра
Пи-фильтр	Фильтр верхних или нижних частот
Т-образный фильтр	Фильтр верхних или нижних частот
Параллельный LC, параллельно антенне	Полосовой фильтр
Серия/шунт	Фильтр верхних или нижних частот

Схемы, подобные последовательному LC-фильтру, бесполезны, так как они будут иметь полосу задерживания. ВЧ-фильтры более высокого порядка также можно использовать, если требуется очень резкий спад, хотя это увеличивает количество компонентов. Независимо от того, какой тип фильтра вы хотите использовать для согласования импеданса, импеданс (антенна + цепь согласования импеданса) должен соответствовать характеристическому импедансу фидерной линии антенны. Это можно оценить с помощью моделирования SPICE. Как только это согласование определено, вы можете работать вверх по течению от входного порта антенны, чтобы обеспечить дальнейшее согласование.

Входной импеданс

Если схема (антенна + согласование импеданса) предназначена для согласования с целевым импедансом фидерной линии, следующим шагом будет убедиться, что входной импеданс также соответствует 50 Ом. Это легко сделать, используя коэффициент отражения антенны на ее входе со стандартным уравнением входного импеданса линии передачи:

Входное сопротивление фидерной линии с известной постоянной распространения и выбранной длиной. Обратите внимание, что импеданс антенны должен быть известен перед расчетом входного импеданса фидерной линии.

В идеале это значение также должно достигать 50 Ом. Затем можно рассчитать S11 (или обратные потери) на входе фидерной линии; типичная цель проектирования — не более 20 дБ потерь на этом входном порту.

Соответствие шлейфа

Шлейфы линии передачи также могут быть реализованы как шунтирующие элементы, как и в случае шунтирующего конденсатора или катушки индуктивности. Просто используйте приведенное выше уравнение входного импеданса для шлейфной секции, чтобы рассчитать ее влияние как эквивалентного элемента схемы. Использование шлейфов очень распространено в пассивных радиочастотных схемах, в которых используются печатные элементы, поэтому их также целесообразно использовать для согласования импедансов. Обратите внимание, что из-за распространения электромагнитных полей на отводе линии передачи вы можете согласовать несколько частот с отводом линии передачи с разомкнутой цепью или коротким замыканием.

Альтернативы цепям согласования импеданса

В этой статье мы рассмотрели согласование импеданса с помощью различных схем фильтров, что довольно часто встречается при подключении к чип-антеннам, коаксиальным соединителям и даже печатным антеннам, дорожкам или щелевым антеннам. Методы проектирования схемы являются стандартными, потому что в симуляторе SPICE очень легко реализовать параметрическую развертку для проверки входного импеданса и коэффициента отражения на входном порту антенны. Для тех, кто предпочитает не использовать моделирование цепей, есть альтернативные инструменты для согласования импедансов в антеннах.

Согласование импеданса антенны также можно выполнить с помощью диаграммы Смита. Этот графический метод применения согласования импедансов требует отслеживания импеданса комбинации (антенна + согласующая сеть) путем последовательного добавления элементов L и C или размещения шунта. Существует множество руководств по использованию диаграмм Смита, которые можно найти в Интернете, и начинающим разработчикам антенн рекомендуется воспользоваться этими руководствами, чтобы начать свою первую попытку использования диаграмм Смита. Обязательно помните правила последовательностей и шунтирования для применения элементов L и C к диаграмме (см. ниже).

Серии диаграмм Смита и правила шунтирования используются для перемещения общего импеданса (антенна + согласующая сеть) к целевому импедансу 50 Ом.

Последним оставшимся методом для нестандартных радиаторов является использование решателя электромагнитного поля. Моделирование в конечно-разностной частотной области (FDFD), выполненное в 3D, может использоваться для изучения электромагнитного поля, излучаемого устройством, которое затем можно связать с распределением напряжения и тока в антенне. Более сложные решатели могут извлекать параметры сети из этих структур, что может обеспечивать прямой расчет S11 на входном порту и при желаемой частоте/ширине полосы излучения. Затем разработчики могут использовать эти данные для определения степени согласования импеданса для конструкции антенны, используя другие описанные здесь методы.