Настройка антенн

Настройка радиолюбительских КВ антенн
Практические рекомендации

Советы радиолюбителям по достижению максимально лучших результатов при:

  1. Настройке радиолюбительских антенн различных конструкций;
  2. Согласовании антенн в любительских условиях;
  3. Работе с антенными анализаторами;
  4. применении согласующих устройств (тюнеров);
  5. Борьбе по снижению помех телевидению (TVI).
  • Часть 1Антенны и их настройка
  • Часть 2Работа с антенным анализатором MFJ-259, MFJ-269
  • Часть 3Согласование антенн и согласующие устройства

Часть 1.

Антенны и их настройка

Установленную антенну, как правило, необходимо настроить перед тем как подключать её к трансиверу на передачу. Антенна настраивается на заданный диапазон волн. Её волновое сопротивление согласуется с волновым сопротивлением линии передачи, а линия передачи согласуется с выходом трансивера.

Бывает так, что не всегда и не все радиолюбители понимают важность хорошего согласования тракта «Трансивер — Линия Передачи — Антенна», точнее, важность то понимают, но совершенно не в состоянии реально оценить положение дел (по разным причинам). Тогда приходится довольствоваться показаниями встроенного КСВ метра (желательно близкими к единице). Самое неприятное при этом состоит в том, что в случае плохого согласования, владелец радиостанции начинает просто повышать мощность до тех пор, пока не станут все отвечать.

А сколько мощности наведётся на телевизор соседа и уйдёт на разогрев атмосферы — остаётся только догадываться и иметь проблемы, с соседом это уж точно.

На картинке выше схематично изображена схема из трёх устройств и двух переходов между ними.

 

 

Секрет в том, что КСВ метр показывает то что он «видит» на разъёме трансивера. Остальные устройства и импедансы «прячутся за спины» впереди стоящих, как одна матрёшка внутри другой. И на каждом переходе и устройстве существуют потери обусловленные затуханием в кабеле или линии передачи и плохим КСВ.

Для начала определимся с единицами измерения. Для специалистов, например в области сельского хозяйства, термин диБи ближе к медицинскому, чем к понятию «во сколько раз». Поэтому для начала таблица потерь в Дб и расшифровка в процентах, в которых все хорошо понимают.

Далее смотрим таблицу физических потерь в линиях и местах соединений в зависимости от диапазона рассчитанные специальной программой моделирования линий передачи а также потери при плохом согласовании.

 

Глядя на это, можно даже и легко согласиться с тем, что при совсем неблагоприятном раскладе в антенну вообще ничего не попадёт.

Если антенна имеет реальный импеданс равный сопротивлению линии передачи, будь то коаксиальный кабель, четвертьволновой трансформатор или настроенная линия, то на разъёме трансивера КСВ-метр измерит реальный КСВ антенно-фидерного устройства (АФУ). Если нет, то КСВ-метр покажет скорее согласование с кабелем, чем со всей системой.

В связи с тем, что измерять КСВ непосредственно на антенне, уже поднятой над землей, очень неудобно, для связи с антенной часто применяют настроенные линии и четверть или полуволновые отрезки кабеля, также являющимися трансформаторами, которые точно «передают» на вход радио значение КСВ антенны (импеданс).

Именно поэтому, если сопротивление антенны неизвестно, или её только настраивают, имеет смысл применять коаксиальный кабель определённой длины. Приведённые выше таблицы помогут выбрать из двух зол наименьшее — либо потери в фидере, либо потери КСВ. В любом случае то, что описано выше лучше знать, чем оставаться в неведении.

При выборе, установке или настройке той или иной антенны необходимо знать несколько основных их свойств, которые можно описать следующими понятиями.

 

Резонансная частота

Антенна излучает или принимает электромагнитные колебания с наибольшей эффективностью только тогда, когда частота возбуждающего колебания совпадает с резонансной частотой антенны. Из этого следует, что ее активный элемент, вибратор или рамка имеют такой физический размер, при котором наблюдается резонанс на нужной частоте.

Изменением линейных размеров активного элемента — излучателя, антенна настраивается в резонанс. Как правило (исходя из наилучшего соотношения эффективность/трудоёмкость и согласования с линией передачи), длина антенны равна половине или четверти длины волны на центральной рабочей частоте. Однако из-за емкостных и концевых эффектов электрическая длина антенны больше, чем ее физическая длина.

На резонансную частоту антенны влияют: близость расположения антенны над землей или какого-нибудь проводящего объекта. Если это антенна многоэлементная, то резонансная частота активного элемента может еще изменяться в ту или иную сторону в зависимости от расстояния активного элемента по отношению к рефлектору или директору.

В справочниках по антеннам приводятся графики или формулы для нахождения коэффициента укорочения вибратора в свободном пространстве в зависимости от отношения длины волны к диаметру вибратора.

В действительности коэффициент укорочения определить точнее довольно сложно, т.к. существенное влияние оказывает высота подвеса антенны, окружающие предметы, проводимость почвы и т.п. В связи с этим, при изготовлении антенны, используют дополнительные элементы подстройки, позволяющие в небольших пределах изменять линейные размеры элементов. Одним словом «доводить» антенну до рабочего состояния лучше на месте её постоянного расположения.

Обычно, если антенна проволочная типа диполя или Inverted V, укорачивают (или удлиняют) провод, подключенный к центральной жиле фидера. Так меньшими изменениями можно добиться большего эффекта.

Таким образом настраивают антенну на рабочую частоту. Кроме этого, изменяя наклон лучей в Инвертед V, подстраивают по минимуму КСВ. Но и этого может оказаться недостаточно.

 

Импеданс или входное сопротивление (или сопротивление излучения)

Слово импеданс обозначает комплексное (суммарное) сопротивление антенны и оно изменяется вдоль её длины. Точка максимального тока и минимального напряжения соответствует наименьшему импедансу и называется точкой возбуждения. Импеданс в этой точке называется входным импедансом. Реактивная составляющая входного импеданса на резонансной частоте теоретически равна нулю. На частотах выше резонансной, импеданс носит индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной — емкостной. На практике реактивная составляющая в большинстве случаев меняется от 0 до +/-100 Ом.

Импеданс антенны может зависеть и от других факторов, например, от близости расположения к поверхности Земли или каким-либо токопроводящим поверхностям. В идеальном случае симметричный полуволновой вибратор имеет сопротивление излучения 73 Ом, а четвертьволновый несимметричный вибратор (читай штырь) — 35 Ом. В реальности влияние Земли или проводящих поверхностей может изменить эти сопротивления от 50 до 100 Ом для полуволновой и от 20 до 50 Ом для четвертьволновой антенны.

Известно, что антенна Inverted V, из-за влияния земли и других объектов никогда не получается строго симметричной. И чаще всего сопротивление излучения в 50 Ом оказывается смещено от середины. (Следует одно плечо укоротить, а другое увеличить на эту же величину.) Так, например, три противовеса чуть короче четверти волны расположенные под углом в 120 градусов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, превращают сопротивление GP в очень удобные для нас 50 Ом. И как правило, сопротивление антенны чаще «подгоняют» под сопротивление линии передачи, чем наоборот, хотя известны и такие варианты. Этот параметр очень важен при конструировании узла питания антенны.

Не очень опытные в этом деле радиолюбители, даже не догадываются о том, что активные элементы в многодиапазонных антеннах можно подключать физически не все! Например, очень распространённая конструкция, когда непосредственно к фидеру подключается только два, а то и один элемент, а остальные возбуждаются переизлучением. Даже слово такое есть – «переопылением». Конечно это не лучше, чем прямое возбуждение вибраторов, но очень экономно и сильно упрощает конструкцию и вес. Пример – многочисленные конструкции трёхдиапазонных антенн типа Yagi, Русские Яги, в том числе — конструкции линейки XL222, XL335 и XL347.

Активное питание всех элементов – это классика. Всё по науке, максимальная полоса пропускания без завалов, намного лучше диаграммы направленности и соотношения Front/Back. Но всё хорошее всегда дороже и тяжелее. Поэтому за этим тянется более могучая мачта, такая же поворотка, площадь под растяжки и т.д. и т.п. Для нас, потребителей, стоимость – не последний аргумент.

Не следует забывать и о таком приёме как симметрирование. Оно необходимо для устранения «перекоса» при питании симметричной антенны несимметричной линией питания (в нашем случае коаксиальный кабель) и вносит значительные изменения в реактивную составляющую сопротивления приближая его к чисто активному.

На практике это или специальный трансформатор именуемый балун (баланс-унбаланс) или просто некоторое количество ферритовых колец, надетых на кабель вблизи точки подключения антенны.

Обратим внимание, что когда говорим «балун-трансформатор», то имеем в виду что в этом случает реально транфсормируется импеданс, а если это просто балун, то скорее это дроссель включенный в цепь оплётки кабеля.

Обычно даже для диапазона 80 метров хватает десятка колец (типоразмер по кабелю, проницаемость что-нибудь от 1000 НН и меньше).

На диапазонах выше можно меньше. Если кабель тонкий и есть одно или несколько колец большого диаметра, можно поступить наоборот, т.е. намотать на кольце (цах) несколько витков кабелем.

Важно: из всех витков, что помещаются, половину надо намотать в другую сторону.

Есть практика применения на диполе 80-ти метрового диапазона 10 витков кабеля на кольце 1000НН, а на трёхдиапазонном гексабиме (спайдере) 20 колец надетых на кабель.

Их общее сопротивление (как индуктивность) на рабочей частоте должно быть более одного кОм’а.

Это исключит протекание тока по оплетке кабеля, тем самым достигается симметричное возбуждение в точке подключения.

Самое практичное решение, в связи со своей простотой и эффективностью применяемое повсеместно – это 6-10 витков кабелем питания в катушку диаметром 200 мм (витки следует закрепить: или на каркасе, или пластиковыми направляющими так, чтобы получилась индуктивность, а не бухта кабеля.

На фото ниже это можно хорошо рассмотреть. Такой приём отлично сработает и на вашем обычном диполе. Попробуйте и сразу заметите разницу в уровне TVI (помех телевидению).

 

Усиление

Если антенна излучает одинаковую мощность абсолютно на всех направлениях, то она называется изотропной, т.е. диаграмма направленности – сфера, шар. Реально такая антенна не существует, поэтому её ещё можно назвать виртуальной. У неё только один элемент и у неё нет усиления.

Понятие «усиление» может применить только к многоэлементным антеннам, оно образуется за счёт переизлучения синфазных электромагнитных волн и сложения сигналов на активном элементе.

Всем знакома ситуация с плохой связью мобильных телефонов в сельской местности. И её решение в том, чтобы найти длинный токопроводящий предмет и поднести к нему «мобилу» как можно ближе. Качество связи возрастает. Конечно же, за счёт переизлучения найденным нами токопроводящим предметом сигналов базовой станции.

Те, кто постарше, помнят аналогичную ситуацию с транзисторными приёмниками 60-тых, слушая на КВ «Битлз». Та же ситуация. Особенно это было заметно на магнитных антеннах — из-за большого количества витков магнитной антенны суммируемое переизлучаемое напряжение было больше.

Особый случай, иногда употребляют слово «усиление» в отношении одиночного штыря для определения насколько вертикальная составляющая излучения меньше излучения в горизонтальной плоскости. Априори это не есть усиление – это скорее коэффициент трансформации. Не путать с фазированными или коллинеарными вертикалами: в них два или больше элементов, и у них есть реальный коэффициент усиления.

Коэффициент усиления можно получить, сконцентрировав энергию излучения в одном направлении. Усиление образуется за счёт сложения-вычитания радиоволн возбуждённых в вибраторе и переизлучённых директором.

На анимированном рисунке ниже результирующая волна показана зелёным цветом.

 

 

Коэффициент направленного действия (КНД) является мерой увеличения потока мощности за счёт сжатия диаграммы направленности в каком-то одном направлении. Антенна может иметь высокий КНД, но малый коэффициент усиления, если омические потери в ней велики и «съедают» полученное за счёт переизлучения полезное напряжение.

Коэффициент усиления рассчитывается сравнением напряжения на измеряемой антенне, с напряжением на эталонном полуволновом диполе, работающем на той же частоте, что и измеряемая антенна, и том же удалении от передатчика. Обычно коэффициент усиления выражается в децибелах по отношению к эталонному диполю — dB. Точнее, это будет называться dBd.

А вот если сравнивать с виртуальной, изотропной антенной, то тогда величина будет выражаться в dBi и само число будет несколько больше, потому что диполь всё-таки имеет какие-то направленные свойства – максимумы в направлении перпендикулярном полотну, вспомните, а изотропная антенна нет. В знаменателе меньшее число, поэтому и отношение больше. Но вы на них не «ведитесь», мы «практики», смотрим всегда на dBd.

 

Диаграмма направленности

Антенны стараются конструировать таким образом, чтобы они имели максимум коэффициента усиления (принимали и передавали) в заранее выбранном направлении. Это свойство называется направленностью. На рисунке приведён динамический чертёж сложения-вычитания возбуждаемой в вибраторе и переизлучённой рефлектором и директором радиоволн. Зелёным цветом обозначена результирующая радиоволна.

Характер излучения антенны в пространстве описывается диаграммой направленности. Кроме излучения в основном (главном) направлении, существуют побочные излучения — задние и боковые лепестки.

 

 

Диаграмму направленности передающей антенны можно построить, поворачивая её и измеряя напряжённость поля на фиксированном расстоянии и не изменяя частоту передачи. Эти измерения преобразованные в графическую форму дают представление в каком направлении антенна имеет максимальный коэффициент усиления, т.е. полярная диаграмма показывает направление, в котором концентрируется энергия, излучаемая антенной в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

В радиолюбительской практике это наиболее сложный вид измерений. Проводя измерения в ближней зоне необходимо учитывать ряд факторов влияющих на достоверность измерений. Любая антенна кроме основного лепестка имеет ещё и ряд боковых лепестков, в диапазоне коротких волн мы не можем поднять антенну на большую высоту.

При измерениях диаграммы направленности в диапазоне КВ боковой лепесток отразившись от земли или от ближнего здания может попасть на измерительный зонд, как в фазе так и в противофазе, что может привести к ошибке в измерениях.

Диаграмма направленности есть и у простых проволочных антенн. Например у диполя — восьмерка с глубокими провалами в диаграмме, что не есть хорошо. То же самое у популярной антенны Inverted V.

Если все хорошо помнят учебники по радиотехнике или Ротхаммеля, то Инвертед ви (диполь) имеет восьмёрочную диаграмму. Т.е. есть глубокие провалы. А если поменять положение полотен, поменять местами одну пару (сдвинуть полотна одной антенны, например, под углом 90 градусов), то диаграмма начинает приближаться к условно говоря толстой сардельке. Но самое главное — пропадают провалы, а диаграмма «округляется». У диполя достаточно изменить угол между половинками. А если сделать у волнового диполя этот угол равным 90°, то с некоторой натяжкой диаграмму излучения можно назвать круговой.

Полоса пропускания

Как правило, различают два класса антенн: узкополосные и широкополосные. Очень важно, чтобы в рабочем интервале частот поддерживалось хорошее согласование и заданное усиление. Полоса пропускания антенны не должна меняться при перестройке по частоте передатчика или приемника.

К узкополосным антеннам относятся все простые резонансные антенны, а также направленные такие как «волновой канал” и «квадрат”. Меня, как заядлого телеграфиста, вполне устраивают антенны с полосой 100 кгц, но есть универсалы, любители SSB, поэтому производители антенн стараются обеспечить полосу пропускания равную ширине радиолюбительских участков. Например, антенна волновой канал” на радиолюбительский диапазон 14 МГц должна иметь полосу пропускания не менее 300 кГц (14000 — 14300 кГц) и к тому же хорошее согласование в этой полосе частот.

Широкополосные антенны отличаются большим диапазоном изменения частот, в котором сохраняются рабочие свойства антенны, во много раз превосходящим в этом отношении резонансные системы. К ним относятся логопериодические и спиральные антенны.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Часть подводимой к антенне мощности излучается в пространство, а другая часть в проводниках антенны превращается в тепло. Поэтому, антенну можно представить как эквивалентное нагрузочное сопротивление состоящее из двух параллельных составляющих: сопротивления излучения и сопротивления потерь. Эффективность антенны характеризуется ее КПД или отношением полезной (излучаемой) мощности к суммарной мощности, подводимой к антенне.

Чем больше сопротивление излучения по отношению к сопротивлению потерь, тем больше КГIД антенны. Совершенно очевидно, что хорошие электрические контакты и небольшие омические сопротивления (толщина элементов) – это хорошо.

 

КСВ

Как видите, этот параметр интересует нас в последнюю очередь и не является главным. (Не дай бог вам подумать, что его плохому значению можно не огорчаться. Если КСВ более двух – это плохо). Если антенна настроена в резонанс и в ходе настройки мы скомпенсировали ее реактивность, и согласовали с фидером питания по сопротивлению, то КСВ будет равен единице. Только не используйте в качестве КСВ-метра встроенный в трансивер прибор. Он скорее индикатор. Плюс ко всему не всегда выключается автотюнер. А мы ведь хотим знать правду.

И ещё, не забудьте про симметрирование (см. выше). Известно, что можно запитывать антенны коаксиальным кабелем любой длинны, на то он и несимметричный коаксиальный кабель, но в случае, когда по одному кабелю запитывается две антенны, лучше убедиться, что для обоих расчетных частот длинна кабеля кратна полуволне.

Например, для частоты 14,100 длина кабеля должна быть: 100 / 14,1 х 1; 2; 3; 4 и т.д. = 7,09 м; 14,18 м; 21,27 м; 28,36 м и т.д.

Для 21,100 МГц соответственно: 100 / 21,1 х 1; 2; 3; 4 и т.д. = 4,74 м; 9,48 м; 14,22 м; 18,96 м; 23,70; 28,44 и т.д.

Обычно народ считает приоритетным минимальную длину фидера, а если просчитать немного большие длины, то мы увидим, что для диапазонов 15 и 20 метров первая «кратность» наступит при длине кабеля 14,18 и 14,22 метра, вторая, соответственно, 28,44 метра и 28,36 метра. Т.е. разница в 4-ре сантиметра, длинна разъема PL259.

Этой величиной пренебрегаем и имеем один фидер для двух антенн. Просчитать «кратную длину» фидера для диапазонов 80 и 40 метров для вас теперь не составит труда. Если мы не забыли про симметрирование, теперь мы можем настраивать антенну с уверенностью в том, что фидер не вносит никаких помех в чистоту эксперимента. Очень хороший вариант два двойных Инвертед Ви на двух мачтах: 40 и 80 + 20 и 15 метров. С таким вариантом (ну еще GP на 28 МГц на случай если будет прохождение) EN5R выезжает практически во все экспедиции.

Ну, вот теперь мы вооружены теоретическими знаниями о свойствах антенн и адекватно можем воспринимать советы по их исполнению и настройке. Конечно же всё теоретически, потому что вам на месте видней. Самый популярный среди антенн у радиолюбителей – диполь. Итак, исходные условия: мы можем поднять-опустить диполь в течении получаса и много раз в день. Тогда, скорее всего, нет смысла тратить время на предварительную настройку его на земле: это нетрудно будет выполнить для его работы на высоте подвеса. Из предварительных теоретических познаний вам понадобится только сведения о том, что рабочая частота диполя вблизи земли с подъёмом «уйдёт» вверх на 5-7 %. Например, для 20-ти метрового диапазона это 200-300 кГц.

Для настройки в резонанс с рабочей частотой обычного диполя можно использовать (кроме системы опустить-отрезать-поднять) или свип-генератор (многие знают этот прибор под именем ГКЧ), или ГИР или, на худой конец, ГСС и осциллограф.

Понятно, что если таких приборов нет, то придется настраивать полотно диполя в резонанс с помощью обыкновенного индикатора поля, или как его еще называют – зонд. Это обычный диполь с длинной полотен не менее чем в десять раз меньше чем расчетная длинна самой антенны, подключенный к выпрямительному мосту (лучше на германиевых диодах – будет реагировать на меньшее напряжение), нагруженному на обычный стрелочный прибор – микроамперметр с максимальным размером шкалы (чтобы лучше видно было).

Лучше будет если зонд будет с контуром(фильтром) на рабочую частоту, чтобы не настроиться на мобилку соседа, и с усилителем. Например такой. Понятно, что подгоняем длину диполя по максимуму его излучения на рабочей частоте. Минимум КСВ в этом случае должен образоваться автоматом. Если нет, вспоминаем про симметрирование. Если не помогает и значение КСВ всё еще высокое – придется вспомнить о способах согласования. Хотя это бывает очень редко.

 

 

Следующая по сложности композиция – несколько диполей по одному кабелю. Ну, про кабель читайте выше, а про полотна следует знать следующее: для их минимального влияния одного на другой их следует растягивать под углом в 90 градусов. Если такой возможности нет, то после коррекции длинны одного, скорее всего, придется корректировать и другой. Несколько inv V. по одному кабелю – вариант описанный выше и отличается только тем, что «подровнять» КСВ к минимальному значению можно регулируя угол наклона полотен в вертикали (к мачте), что, конечно, проще, чем изготовление согласующего устройства и даже проще очередной подгонки длины полотна.

Итак, выясняется, что должна выполняться последовательность действий – сначала антенну настраивают в резонанс, а затем добиваются минимального КСВ в необходимой полосе частот. Всё это справедливо для простых дипольных антенн. И очень усложняется, в случае если антенна многоэлементная. В этом варианте без специальных приборов не обойтись, так как следует настроить не только систему с несколькими неизвестными, но ещё и добиться вполне определённых направленных свойств.

Настройка включает в себя измерение основных параметров антенны и коррекцию их путем подгонки линейных размеров элементов антенны, расстояний между элементами, настройки согласующих и симметрирующих устройств. Совет: доверьтесь специалистам. Как говорил известный белорусский коротковолновик Владимир Приходько EW8AU, «настраивая антенну только по КСВ, можно из антенны сделать хорошую согласованную нагрузку для выходного каскада передатчика. Он хорошо будет работать в нормальном режиме, только антенна при этом может иметь плохую диаграмму направленности, низкий коэффициент полезного действия, часть мощности будет расходоваться на нагрев элементов антенны и антенно-фидерного тракта и самое неприятное, что может быть для радиолюбителя – это помехи телевидению».

Часть 2.

Работа с антенным анализатором MFJ-259, MFJ-269

 

Анализатор MFJ—259 предназначен для работы в 50~омных цепях радиочастоты (РЧ) от 1,6 до 170 МГц. Он состоит из четырех основных узлов — высокочастотного генератора, цифрового частотомера с индикацией на жидких кристаллах (ЖКИ дисплей), 50-ти омного РЧ моста и мостового измерителя коэффициента стоячей волны {КСВ-метра). Для удобства работы диапазон частот ВЧ генератора разбит на 6 поддиапазонов.

 

 

С помощью анализатора достаточно легкими становятся измерения:

— Антенн — КСВ, резонансная частота, полоса пропускания и др.

— Антенных тюнеров — КСВ, частота настройки.

— Усилителей радиочастоты — входное, выходное сопротивление, полоса пропускання.

— Коаксиальных линий — определять коэффициент укорочения, КСВ, потерн, резонанс

— Симметричных линиий — волновое сопротивление, коэффициент укорочения, резонансы.

— Согласование и настройка коаксиальных резонаторов — КСВ, граничные частоты, полоса пропускания.

— Фильтров — определять резонансную частоту, частоты среза» полосу пропускании.

— Колебательных контуров — определять резонансную частоту, полосу пропускания, добротность.

— Емкостей небольших конденсаторов.

— Дросселей и катушек — индуктивности частоты последовательного и параллельного резонанса и величины индуктивностей.

— Передатчиков и генераторов — определять частоту передачи и генерации.

— Предварительную настройку П—контуров.

— Анализатор можно применять в качестве генератора сигналов.

 

Прибор MFJ-259 и MFJ-269 — переносной, может питаться как от внешнего источника питания 8… 18 В (макс.), так и от внутреннего источника питания {например, 8 элементов АА—серии).

 

На лицевой панели MFJ-259/269 расположены (сверку «низ)

— ЖКИ дисплей цифрового частотомера, слева стрелочный индикатор КСВ-метра, справа стрелочный индикатор РЧ-моста, кстати дающий достоверные показания только при подключении активной нагрузки (при КСВ-1), поскольку прибор предназначен для работы в 50-омных цепях, то остальные (кроме 50 Ом) показания индикатора моста при КСВ, отличном от 1, будут говорить о наличии реактивности в измеряемой на данной частоте нагрузке и не будут соответствовать нанесенным значениям по шкале индикатора моста, т.е. будут относительными.

— Ниже, на передней стенке прибора, слева — расположена ручка настройки частоты генератора, справа переключатель поддиапазонов генератора.

— На верхней стенке {слева направо) находятся переключатель времени счета прибора, под ним переключатель режимов работы прибора: измерение частоты внутреннего генератора, измерение частоты извне при включенном генераторе, то же при выключенном, BNC гнездо — вход частотомера, гнездо антенного входа, выключатель питания и гнездо внешнего питания прибора (утоплено внутрь, и при подключении внешнего источника питания внутреннее отключается).

Познакомившись с органами управления и индикации прибора, определимся с тем, какие измерения и каким образом мы сможем производить.

 

Измерение коэффициента стоячей воины — КСВ

 

КСВ определяется как отношение сопротивления нагрузки (Rн) к сопротивлению источника тока (Ri) KCB= Rн/Ri

 

Поскольку практически вся аппаратура используемая радиолюбителями пятидесятиомная, то этот прибор разработан для использования в 50-ти омных цепях.

Пример

При подключении к антенному гнезду прибора активной нагрузки 150 Ом получается КСВ = 150/50 = 3. Чтобы получить КСВ=1, следует подключить нагрузку 50 Ом. Не следует впадать в заблуждение, что 25 Ом реактивного и 25 Ом активного сопротивления дадут при последовательном включении КСВ = 1. Это утверждение абсолютно неверно. КСВ получится равным 2,6. Прибор не обманешь.

Другое заблуждение, что сменой длины питающей линии можно изменить КСВ. Если сопротивление линии 50 Ом, а сопротивление нагрузки 25 Ом, то вне зависимости от длины питающей линии КСВ = 2. Если потери в линии невысоки, можно производить измерение КСВ на конце фидера — у передатчика, и при этом фидер может быть любой длины. Если возрастают потери в линии и растет КСВ, потери будут возрастать в том и другом случае. Ошибка выражается в улучшении КСВ. Если изменение длины фидера влияет на изменение величины КСВ, значит действует один или несколько нижеприведенных факторов:

1. Фидер не 50 Оммный;

2. Измерительный пост не предназначен дли работы в 50-омных цепях;

3. Значительны потери в линии (фидере);

4. Фидер является частью антенны и излучает (реактивная нагрузка).

 

Фидеры с воздушной изоляцией имеют очень малые потери и потери в них не будут сколь—либо значительными даже при высоком значении КСВ.

Кабели с большими потерями, такие как тонкий с полиэтиленовой изоляцией RG-58, с повышением КСВ теряют свою эффективность. При больших потерях в фидере или большой его длине очень важно обеспечить низкое значение КСВ на всей длине фидера, который должен быть высокорегулярным (одинаковым) по всей длине, цельным — без вставок (особенно нежелательны вставки из другого кабеля). Настройку на минимум КСВ следует делать на антенне, так как никакие согласования со стороны передатчика не влияют ни на потери, ни на эффективность антенной системы. MFJ-259 и 269 измеряет КСВ любой нагрузки, близкой к 50 Ом. КСВ может быть измерено на любой частоте от 1,6 до 170 МГц, и ничего дополнительного для измерения КСВ подключать не требуется.

Гнездо «АНТЕННА» прибора представляет собой место подключения выхода моста КСВ-метра. Сюда подключается нагрузка — тестируемая цепь — фидер антенны. Чтобы измерить КСВ, просто следует подключить к этому гнезду 50-омную коаксиальную линию (фидер антенны), отключив ее от передатчика, который при измерении КСВ не используется, т.к. MFJ имеет внутренний генератор. Переключатель рода работ следует установить в положение А (индицируется иа дисплее), т.к. для измерения частоты внутреннего генератора прибора. Чтобы измерить КСВ на какой-нибудь определенной частоте, манипулируя ручкой «TUNE» (настройка) и переключателем поддиапазонов (Frequency), устанавливаем требуемую частоту, контролируя ее на дисплее. Значение КСВ можно прочитать по шкале стрелочного прибора КСВ-метра (SWR).

Чтобы найти минимальный КСВ, нужно вращать ручку настройки генератора «TUNE» до тех пор, пока стрелка прибора КСВ-метра покажет минимальное знамение КСВ. Частоту, при которой получается минимальный КСВ, можно считать с дисплея частотомера. Полосу пропускания антенны можно измерить, задев критерий, по которому будет определяться полоса. Например, по КСВ=2. Вращая ручку настройки генератора вправо и влево от положения резонансной частоты антенны (частоты с минимальным КСВ), на дисплее видим значения частот, ПРИ КОТОРЫХ СТРЕЛКА ПРИБОРА КСВ-МЕТРА ПОДНИМАЕТСЯ ДО ЗНАЧЕНИЯ КСВ=2. Меньшая частота — нижняя граница полосы пропускания антенны, большая частота — верхняя частота (граница) полосы пропускания антенны.

 

Измерение сопротивлений

 

Узел РЧ моста обеспечивает точное измерение сопротивления только активной нагрузки, что обеспечивается при КСВ=1 (и сопротивлении 50 Ом), т.е. на резонансной частоте, например, антенны. Если ее резонанс 3,5 МГц, то на частоте 3,7 МГц показания индикатора будут неверными, так как будет измеряться не чисто активное сопротивление, а активное плюс реактивное. Если показания прибора 50 Ом, а КСВ высокий, то нагрузка также имеет комплексный характер, т.е. активное плюс реактивное сопротивление. При КСВ=1 для данного РЧ моста прибор должен показывать 50 Ом чисто активного (не реактивного) сопротивления. Если присутствует реактивное сопротивление или активная нагрузка не равна 50 Ом, КСВ не может быть равным 1. Если КСВ-метр показывает КСВ=1, а измеритель сопротивления другое (не 50 Ом) значение, то возникает, так называемая, инструментальная ошибка, связанная, например, с наводками радиочастоты на прибор.

 

Измерение частоты

 

Частотомер MFJ-259 и MFJ-269 может измерять частоту электрических колебаний в диапазоне от нескольких герц до 200 МГц. Для частот выше 1 МГц чувствительность прибора 600 мВ. Ниже 1 МГц требуется подавать меандр ТТЛ уровня размахом 5В от вершины до вершины импульса. Включаем питание прибора MFJ, переключателем входа частотомера (переключатель рода работ) на верхней панели корпуса прибора устанавливаем режим внешнего измерения частоты, о чем свидетельствует появившаяся буква «В» ив дисплее. Кнопкой последовательно включаются три положения — измерение частоты внутреннего генератора, внешнее измерение без отключения внутреннего генератора и внешнее с отключением внутреннего генератора. Подключаем к BNC гнезду (входу частотомера) сигнальную цепь, частоту у которой необходимо измерить.

Следует отметить, что ни на один вход MFJ-259 нельзя подключать цепи, содержащие постоянные напряжения и большие мощности. Частоту передатчика можно измерить, например, подключив на вход частотомера кусок провода, образующий петлю связи с источником РЧ, телескопическую антенну, длину которой следует изменять в зависимости от расстояния и мощности передатчика до получения устойчивых показаний. Если источника РЧ поблизости нет, то проверить работу частотомера (с внешнего гнезда) можно, соединив проволочной перемычкой средние контакты гнезд антенного входа и входа частотомера, манипулируя переключателем рода работ. В двух положениях из трех (при включенном генераторе и внутреннем и внешнем измерениях) показания частотомера не должны изменяться.

Приближая или удаляя прибор от источника мощного сигнала, определяется оптимальный уровень для устойчивой индикации частоты, начиная с нижнего предела, когда частотомер еще ничего не показывает. В противном случае сигналом мощного передатчика частотомер можно перегрузить и его «внутренности», выполненные на МОП-структурах, выйдут из строя.

Вход частотомера может быть соединен с выходом передатчика посредством петли или нескольких витков катушки связи, намотанной поверх кабеля питания (фидера) антенны, причем, количество витков такой катушки, включенной на вход частотомера, следует подобрать экспериментально. Число витков больше, если мощность передатчика невелика или используется кабель со сплошной или двойной оплеткой, или низкая рабочая частота передатчика, в противном случае следует поступать наоборот. Петля провода, размещенная внутри ваттметра, эквивалента антенны, фильтра низких частот, также может служить датчиком для частотомера. Последовательным нажатием на кнопку «Время счета» (Gate) можно получить на дисплее точность измерения частоты от 4 до 7 знаков после запятой при измерении частоты в МГц.

 

Настройка простых антенн

 

Настройка большинства антенн производится, обычно, изменением их геометрических размеров (длины элементов).

 

Диполь

 

Известно, что диполь это симметричная антенна, поэтому для симметрирования при подключении коаксиального кабеля полезно применять симметрирующий трансформатор. Его можно сделать несколькими способами, например, намотав у точки подключения к антенне несколько витков диаметром 10…20 см тем же кабелем или изготовить отдельный трансформатор с намоткой на ферритовом кольце проводом или тем же кабелем.

Высота подвеса диполя, как и его окружение, влияет на его входное сопротивление, а также на КСВ в питающей линии (фидере). Большинство настроенных диполей имеет КСВ ниже 1,5. Пожалуй, единственным настроечным элементом у диполя является его длина. Чем короче диполь, тем на большую частоту он настроен и наоборот. Это справедливо для классической формы диполя — «в струнку».

Есть несколько способов изменить частоту настройки, входное сопротивление и полосу пропускания диполя. Например, увеличивая толщину (диаметр) проводников, мы при одной и той же длине снизим частоту настройки, уменьшим его входное сопротивление и увеличим полосу пропускания. Примером служит известная антенна — диполь Надененко. Тоже самое можно получить, опуская вниз плечи диполя — получится популярная антенна «Inverted Vee». Всему виной вносимая в раскрытый колебательный контур дополнительная емкость.

 

Штыревые антенны

 

Как правило, это несимметричные антенны. Производители штыревых антенн часто подчеркивают необходимость хорошей «заземляющей» системы противовесов. В этом случае гарантируется на резонансной частоте КСВ, не превышающий 2. На рабочую частоту штыри настраиваются как и диполи изменением длины излучателя и противовесов, если таковые имеются. Штырь с системой противовесов получил название «Ground plane». Угол между излучателем и противовесами, также как и в случае с «Inverted Vee», влияет на параметры антенны. Например, антенна типа «рукав», — где противовесы вытянуты с излучателем «в струнку». Фактически, это тот же диполь, только вертикальный, плечо которого конструктивно выполнено в виде металлического чулка или трубки, надетой на питающий фидер в точке подключения. Входное сопротивление такой антенны близко к 75 Ом, но стоит уменьшить угол между излучателем и противовесами, как упадет входное сопротивление и при угле примерно 120 градусов составит 50 Ом, а при угле 90 градусов — примерно 30 Ом.

 

Настройка простых антенн (диполей и штырей)

 

Антенны с питанием по коаксиальному кабелю 50 Ом без различных удлинняющих катушек, контуров, емкостных нагрузок и т.п.

1. Присоедините фидер антенны к гнезду «Antenna»;

2. Настройте генератор по минимуму показаний КСВ-метра;

3. Прочтите и запишите частоту на дисплее частотомера;

4. Разделите полученную частоту на желаемую;

5. Умножьте имеющуюся длину антенны на полученный в п.4 результат — это и будет новая искомая длина антенны.

 

Измерение сопротивления в точке питания (приблизительно)

 

Присоедините прибор непосредственно к выводам нагрузки (антенны). Если нагрузка несимметричная, проверьте правильность ее подключения — оплетка должна соединяться с корпусом прибора (на коаксиальном разъеме). Если нагрузка симметричная — следует применять внутреннее питание прибора, чтобы не вносить асимметрии.

1. Поставьте переключатель диапазонов в нужное положение;

2. Найдите ручкой настройки положение с минимальным КСВ;

3. Снимите показания с шкалы измерителя сопротивлений;

4. Повторите измерение и сравните результаты теперь с кабелем 50 Ом. КСВ должен быть равен отношению измеренного сопротивления без кабеля к 50 Ом.

 

Нахождение КЗ (короткого замыкания) в коаксиальных кабелях

 

1. Соедините конец кабеля с гнездом «Antenna»;

2. Включите прибор и плавно перестраивайте генератор во всем диапазоне частот, начиная с 1,6 МГц, наблюдая за показаниями измерителя сопротивлений. Запишите частоту нулевого показания — F1.

3. Продолжайте изменять частоту и найдите второй «провал» показаний измерителя сопротивлений — F2;

4. Рассчитайте местонахождение К.З. Для этого число 492 следует разделить на частоту первого «провала» F1 (МГц) и умножить на коэффициент укорочения измеряемого кабеля (Ку). Результат — местоположение K.3. (Lкз) в футах. Поскольку 1 Фут 0,3048 м, то переводной коэффициент равен 3,2808398, на который следует разделить Lкз, чтобы получить местоположение в метрах. Формула для расчета К.З. (в метрах) примет окончательный вид Lкз = 149.9616 Ку /F1(МГц)

Для проверки расчета повторите вышеуказанное с другого конца кабеля. Истина лежит посредине между найденными точками К.З.

 

Проверка и настройка отрезков кабеля и передающих линий

 

Точная длина Lamda/2 и Lamda/4 отрезков кабеля или передающих линий может быть найдена с помощью дополнительного безиндуктивного резистора 5O Ом. Точные измерения справедливы для коаксиального кабеля любого типе или 2-х проводной линии с волновым сопротивлением, отличным от 50 Ом.

 

 

Центральный проводник отрезка коаксиального кабеля соединяется последовательно с резистором 50 Ом рис. 1а, а оплетка соединяется с корпусом прибора.

Для 2-х проводной линии 50-омный резистор соединяется последовательно с экранной оболочкой дополнительного штекера PL-259 и одним из проводников линии, другой проводник линии соединяется непрямую с центральным проводником соединителя (подключается к гнезду «Antenna» прибора), рис. 1б.

Коаксиальный кабель может быта свернут в бухту или лежать как угодно, тогда как открытая линия должна быть вытянута «в струнку» и находиться на расстоянии не менее метра от поверхности и окружающих предметов, иначе снижается точность измерения.

Для измерения «нечетных» отрезков, кратных 1/4, 3/4, 5/4 длины волны и т.п., на дальнем конце линия должна быть разомкнута, и замкнута для измерения «четных» отрезков кратных 1/2, 1, 3/2 длины волны и т.п.

Соедините измеряемой линией разъем PL-259 (дополнительный штекер) с гнездом SO-239 прибора:

1. Определите приблизительную длину линии или кабеля с учетом частоты, для которой производится расчет;

2. Отмерьте и отрежьте отрезок чуть большей длины;

3. Измерьте частоту при минимальном КСВ. Она должна быть чуть ниже искомой;

4. Разделите измеренную частоту на требуемую;

5. Умножьте полученный результат на фактическую длину отрезке получится требуемая длина линии;

6. Укоротите линию до расчетной длины и сверьте с показаниями прибора. Минимум КСВ должен находиться вблизи необходимой частоты, на которую рассчитан отрезок.

 

Измерение коэффициента укорочении передающей линии

 

1. Отключите оба конца передающей линии и измерьте ее физическую длину;

2. Подключите линию, как показано на ркс. 1а, для измерения, кратного 1/4 от длины волны;

3. Найдите наименьшую частоту из всего диапазона частот прибора, на которой будет наименьший КСВ. Провал будет наблюдаться немного ниже 1/4 длины волны.

Отметьте частоту на дисплее, соответствующую 1/4 длины волны резонанса вашей передающей линии (фидера). Проверьте, низкий КСВ будет соответствовать всем длинам, кратным 1/4, 3/4 и т.д.

 

Пример:

Физическая длина линии L= 7 футов, минимум КСВ приходится на частоту F=7,3 МГц.

Разделите число 246 на частоту в МГц — получится длина линии, кратная 1/4 в свободном пространстве (в футах)

246/7,3 (МГц) = 33,69863 (Фута)

Разделите физическую длину линии на полученный результат — получится коэффициент укорочения

27/33,69863 — 0,8012195 или 80,12195%.

 

Для определения в метрах разделим

246/3,2808398 (переводной коэффициент, см.выше) = 74,980802.

Формулы для расчета коэффициента укорочения примут следующий вид

1/4 св.пр. = 74,980802/F (МГц) в метрах.

Ку = L/ 1/4 св.пр.

Могут использоваться округленные значения цифр с большим количеством знаков после запятой. Переводные значений Футы в метры взяты из «Instruction Manual MFJ Enterprise*»

 

Измерение сопротивления передающей линии (имепеданса) от 15 до 150 ом

 

Дли этого дополнительно потребуется Омметр и безиндуктинвеый потенциометр 250 Ом. Для линий с большим сопротивлением потребуется потенциометр с большим сопротивлением и РЧ широкополосный трансформатор, преобразующий высокое сопротивление линии к низком, близкому 50 Ом.

 

1. Измерьте частоту 1/4 фидера как описано выше, при определении длины отрезков кабеля;

2. К дальнему концу кабеля подключите безнндуктивный потенциометр 250 Ом (соединнив реостатом);

3. Подсоедините фидер к прибору и настройте его на частоту 1/4;

4. Наблюдайте за КСВ при изменении частоты в выбранном поддиапазоне частот или в необходимом диапазоне частот;

5. Установите сопротивление потенциометра, включенного — реостатом, в положен когда KCВ по диапазону почти не меняется. Величина КСВ значения не имеет, важно, лишь его изменение.

6. Сопротивление потенциометра практически соответствует сопротивлению линии и его можно определить Омметром.

 

Потери в фидерах и передающих линиях

 

Потери от 3 до 10 дБ могут быть измерены, довольно просто — необходимо их определить на известной частоте и соотнести с потерями на более низкой частоте.

 

1. Соедините фидер с прибором;

2. Длинный конец фидера должен быть либо разомкнут, либо замкнут накоротко;

3. Настройте прибор на необходимую частоту и проследите за КСВ;

4. Если КСВ находится в пределах красного сектора шкалы КСВ-метра, то потерн меньше 3 дБ. Увеличьте частоту до показания КСВ = 3. Тем самым вы определите границу частоты, до которой потери не превышают величину 3 дБ. Если КСВ на рабочей частоте находится в пределах черного сектора, берите ближайшее значение КСВ по шкале и вычитывайте потери по таблице из описания к прибору.

Можно также судить о потерях дБ, помня, что они уменьшаются до 70% на половинной частоте и увеличиваются до 140% на двойной по отношению к измеренной частоте. Это справедливо при распределении потерь равномерно по всей длине фидера, а не для одной дефектной его части.

Возьмем, например, рабочую частоту 28 МГц, на которой хотим определить потери. На этой частоте стрелка КСВ-метра находится в красном некалиброванном секторе, значит потери не превышают 3 дБ. Увеличивайте частоту до тех пор пока стрелка укажет не калиброванную точку. На частоте 60 МГц стрелка укажет, например, не значение 3, По Таблице потери составляют 3 дБ. Так как 28 МГц примерно половина от 60 МГц, умножаем 3 дБ на 0,7 (70%) — получаем 2 дБ на частоте 29 МГц.

 

Настройка тюнеров

 

Соедините вход прибора «Antenna» с 50-омным входом тюнера, а необходимую антенну подключите к выходу тюнере. Это соединение желательно сделать с помощью, ручного РЧ переключателя для оперативного подключения тюнера (антенны) к прибору или передатчику (трансиверу). Помните, что средний контакт РЧ переключателя подключается только к тюнеру. Ни в коем случае не допускать прямое соединение прибора с передатчиком — прибор ВЫЙДЕТ ИЗ СТРОЯ.

1. Соединить прибор с входом тюнера;

2. Включить прибор и настроить на необходимую частоту;

3. Настраивать тюнер до тех пор, пока КСВ будет равен 1;

4. Выключить прибор и подключить передатчик.

 

Проверка Baluns — симметрирующих трансформторов

 

Несимметричная обмотка трансформатора подключается к прибору, а к симметричной последовательно подключаются два резистора, рис. 2.

 

Сумма сопротивлений (строго одинаковых) должна быть равна той, на которую рассчитан трансформатор.

Например, резисторы по 100 Ом — при проварке трансформатора с соотношением сопротивлений 1:4, т.е. 50:200 Ом. Проверяется КСВ при касании перемычкой точек А, В, С. Хороший, т.е. правильно рассчитанный и изготовленный трансформатор дает малый КСВ при присоединении перемычки к любой из точек. В денном случае речь идет о трансформаторе тока.

В случае трансформатора напряжения малый КСВ в широком диапазоне частот будет в случае, когда перемычка находится в положении В и большой КСВ, когда перемычка в положениях A и С. Трансформатор напряжения можно также проверить на низкий КСВ, соединяя параллельно включенные резисторы на корпус, рис.3.

 

 

Измерение индуктивности L и емкостей С

 

Чтобы измерить емкость и индуктивность, нужно иметь калиброванные катушки индуктивности или конденсаторы, соответственно. Они должны быт подобраны в набор и тщательно выверены. От их точности будет зависеть точность будущих вычислений. Рекомендуется следующий набор — индуктивностей 330; 56; 0,47 мкГн, конденсаторов 10; 150; 1000; 3300 пФ.

Измерения могут быть более точными, если используется ряд индуктивностей в пределах 0,5…500 мкГн, емкостей в пределах 10…5000 пф. Возьмите неизвестную емкость (конденсатор) или индуктивность (катушку). Соедините последовательно с калиброванной индуктивностью или емкостью, и получите последовательный колебательный LC контур, который в свою очередь подключается к прибору через безиндуктивиый резистор 50 Ом.

 

Измерение ёмкости

 

1. Соедините Cx последовательно с калиброванной катушкой L с самой большой индуктивностью (из набора).

2. Соедините LC контур последовательно с 50-омный резистором.

3. Вращая ручку настройки, пройдя по диапазону, отыщите частоту с минимальным КСВ. Если таковой не найдете — смените поддиапазон частот или смените катушку на другую с меньшей индуктивностью. Продолжайте до тех пор, пока не получите низкий, близкий к 1 КСВ.

4. Вычислите неизвестную искомую емкость по формуле

Сх [пф] = 1 / 0,00003949 F2 L,

где F частота минимального КСВ в МГц,

L — индуктивность калибровочной катушки.

 

Измерение индуктивности можно провести аналогично.

 

Форумла для индуктивности

Lx [мкГ] = 1 / 0,00003948 F2 L,

где Г — частота с минимальным КСВ в МГц,

С — калибровочная емкость в пФ.

 

 

Измерение резонансной частоты

 

Существует два способа измерения резонансной частоты.

Первый способ.

Последовательно с контуром включается 50-омный резистор с короткими выводами и подключается к прибору как показано на рис.4.

Этот способ справедлив для контуров с большой емкостью и малой индуктивностью. В случае с большой индуктивностью и малой емкостью следует использовать последовательное включение емкости и индуктивности как показано на рис.5. Резонансная частота контура в обоих случаях определяется, по показаниям на дисплее частотомера при перестройке частоты по минимуму КСВ. Возможно подключение дополнительного диодного детектора и высокоомного вольтметра рис.6. Резонанс отмечается по максимальным показаниям (максимальному напряжению постоянного тока), внешнего высокоомного вольтметра.

 

Второй способ.

Он предполагает подключение небольшой катушки связи (3 витка) к прибору и индуктивную связь этой катушки с катушкой контура, частоту которого нужно определить. Частота перестраивается по диапазону до получения спада показаний прибора КСВ-метра. Спад указывает на поглощение энергии настроенным контуром на резонансной частоте, значение которой можно прочитать на дисплее частотомера.

Часть 3.

Согласование антенн и согласующие устройства

 

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 счёте и приводит к минимизации потерь в линии передачи. И, самое главное, к снижению внеполосных излучений.

Как правило, стандартное выходное сопротивление почти всех современных широкополосных передатчиков (трансиверов) 50 ом. Большинство применяемых в качестве фидера коаксиальных кабелей также имеют стандартную величину волнового сопротивления 50 или 75 ом. 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 её 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 70 Ом, соединен 75-омным коаксиальным кабелем (фидером) с передатчиком, выходное сопротивление которого 50 Ом. 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.

 

Ещё один пример:

Рамочную антенну, имеющую входное сопротивление активного характера приблизительно 110 ом, необходимо согласовать с 50-омной линией передачи. Выход передатчика 50 ом. 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…20 см, 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). Он включается между антенной и тюнером, находящимся возле передатчика. Входное сопротивление антенны около 110 ом переносится к нижнему концу кабеля и с помощью тюнера трансформируется в сопротивление 50 ом. 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 рассогласования 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 ёмкостей.

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.:

Рис. 1. Схема ВЧ трансформатора

 

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 1,5 кВт в полосе частот от 1,5 до 30 МГц.

Основные элементы тюнера — ВЧ автотрансформатор на ферритовом 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 2,5 мм 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 75 ом, 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.

 

 Рис. 2. Полная схема согласующего устройства

 

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.

 

73!