Фирма ULTRA: радиолюбительские антенны и аксессуары к ним

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Согласующее устройство для многодиапазонной коротковолновой антенны

Скачать оригинал статьи в формате MS WORD (233kb).

Согласующее устройство (СУ) предназначено для трансформации входного сопротивления антенны, которое, обычно, носит комплексный характер, в активное сопротивление, равное волновому сопротивлению фидера питающего антенну. Описываемое СУ относится к классу устройств, располагающихся между фидером и антенной.

Основное назначение этого СУ состоит даже не в том, чтобы уменьшить потери в антенно-фидерном тракте, возникающие из-за рассогласования фидера и антенны, а в том, чтобы создать комфортные условия работы для радиолюбителя и заставить антенну работать в нужных диапазонах частот.

Применяя описываемое устройство, отпадает необходимость применения, перестраиваемых на каждом диапазоне, устройств согласования трансивера с антенной. Это становится возможным из-за того, что входное сопротивление  фидера всегда будет близко к требуемому сопротивлению нагрузки трансивера. Конечно, это произойдет  только в случае, если СУ правильно спроектировано и изготовлено.

СУ не содержит в своем составе никаких коммутирующих элементов, управляемых извне (реле, диодов и др.). Оно состоит только из пассивных и линейных элементов – катушек индуктивности и конденсаторов.

Изменение характеристик, необходимое для процесса согласования в каждом из диапазонов частот происходит автоматически. Точнее СУ всегда имеет требуемые характеристики для согласования фидера с антенной на каждом диапазоне.

Таким образом, радиолюбитель, только переключив диапазон, сразу работает на согласованную с трансивером антенну.

В технических терминах задачу разработки СУ можно сформулировать так:

нужно создать (синтезировать) такой четырехполюсник (блок, узел с четырьмя выводами), который будет иметь активное и при том строго определенное входное сопротивление в оговоренных диапазонах частот, когда к его выходу подключено комплексное сопротивление нагрузки, изменяющееся определенным образом.

Основные компоненты антенно-фидерного тракта показаны на Рис.1.

 

           

 

Антенна

 

 
                               Rн                 Фидер (ρ)               Zвх                     Za

 

где:

Rн – требуемое сопротивление нагрузки трансивера

ρ – волновое сопротивление фидера

Zвх – входное сопротивление согласующего устройства

Za = Ra + iXa – входное сопротивление антенны

 

Рис.1. Основные компоненты антенно-фидерного тракта

 

Для согласования необходимо, чтобы Rн = ρ = Zвх при любых возможных Za в пределах любительских диапазонов. Эту задачу и должно решать СУ.

Работа по созданию такого согласующего устройства довольно кропотлива, но она  под силу радиолюбителю средней квалификации.

В качестве исходных данных для разработки необходимо знать активную часть Ra и реактивную часть Xa входного сопротивления антенны и их зависимость от частоты в пределах интересующих диапазонов.

Есть два способа получения этих сведений: измерение и расчет.

Для проведения измерений необходима собственно антенна (или ее физическая модель), измерительные приборы и методика измерений.

Антенну, обычно, строит сам радиолюбитель.

В качестве измерительных приборов можно применять измерители  комплексных  коэффициентов  передачи Р4-11, Р4-37/1, Р4-68,  «Обзор 103», векторные анализаторы электрических цепей «R&S  ZRVE», Agilent (Hewlett Packard) 8714 ET, AEA Vector Impedance Analyzer  432916 и др.

Это дорогие приборы, поэтому радиолюбителям больше подходят  более дешевые и простые, например, анализатор антенн MFJ-269 и векторный анализатор VA1 Vector R-X Analyst [1].

Есть также очень неплохие приборы любительской разработки.  Это анализатор антенн АА908, разработанный George L Heron N2APB и Joseph H Everhart N2CX  [2], векторный анализатор цепей miniVNA, разработанный Davide Tosatti IW3HEV и Alessandro Zanotti IW3IJZ [3] и векторный анализатор цепей VNA, разработанный Paul A Kiciak N2PK [4].

Можно также воспользоваться и высокочастотным измерительным мостом, например,   MFJ-202B или даже самодельным.

При проведении измерений полезно использовать известные принципы повышения достоверности результатов:

·  очень хорошо представлять себе, что и как измеряется,

·  проводить работу максимально аккуратно,

·  в процессе измерений периодически калибровать измерительную аппаратуру,

·  проводить многократные измерения на каждой из частот,

·  усреднять результаты с целью повышения точности, 

·  следить за тем, чтобы результаты измерений на одной частоте не отклонялись друг от друга более чем на величину предполагаемой (желаемой) погрешности,

·  не продолжать измерений, если какой-нибудь результат измерений сильно отклонился от аналогичных, до тех пор, пока не будет найдена и устранена причина.

Следует отметить, что от точности определения входного сопротивления антенны в значительной степени зависит успех всей работы по созданию СУ. Поэтому нужно стремиться к минимальной погрешности измерений. Погрешность измерения активной и реактивной компонентов входного сопротивления антенны в 3 – 5% может считаться хорошей, - 10% - приемлемой, а 15 – 20% недопустимо большой.

Другим способом получения исходных данных для разработки СУ может быть расчет.

В настоящее время есть несколько компьютерных программ моделирования антенн ориентированных на радиолюбителей. Это MMANA, NEC4WIN, MININEC, NEC2, SuperNEC и др.

Наиболее популярна, по моему мнению,  MMANA.

С ее помощью любой радиолюбитель может промоделировать расчетным способом антенну, которую он хотел бы построить. В результате он получит коэффициент усиления, диаграмму направленности, активную и реактивную компоненты входного сопротивления, КСВ в питающем фидере и некоторые другие характеристики модельной антенны.

В радиолюбительских средствах информации и в эфире на протяжении последних лет появляются противоречивые отзывы о точности расчетов, выполненных программой MMANA - от восторженных до весьма критических. И те, и другие бывают очень убедительны. Однако я бы отметил, что негативные результаты получаются в случаях моделирования антенн в нетипичных условиях или при ошибках в исходных данных. Например, при очень низком (по отношению к длине волны или длине антенны) расположении антенны над землей, при неудачном разделении антенны на расчетные сегменты и т.п.

При соблюдении известных ограничений на расчетную модель (антенну), результаты расчетов по программе MMANA получаются вполне вразумительными и похожими на истину. Во многих случаях любительской практики результаты таких расчетов получили хорошее экспериментальное подтверждение.

Воспользуемся и мы для примера разработки СУ расчетами, которые выполним с помощью программы MMANA. Рассчитаем треугольную рамочную антенну с периметром  30,86м + 30,91м + 30,91м из медного провода диаметром 1,7 мм, поднятую на 20 метров над землей с удельной проводимостью 5 мСим/м и относительной диэлектрической проницаемостью 13. Точка подключения фидера - линии с волновым сопротивлением 75 Ом - вершина одного из углов.

Нужно учитывать, что при расчете входного сопротивления антенн в MMANA предполагается, что земля идеальна, т.е. имеет равное нулю удельное сопротивление. Реальная земля такими свойствами не обладает и поэтому в результат расчета входит методическая погрешность, которая тем меньше, чем выше высота подвеса антенны над землей. Пренебрежимой такая погрешность может считаться при высоте подвеса более

 

где:

 – высота подвеса, м

 – длина волны, м.

 

Для получения корректных результатов в диапазоне 3,5 МГц и более высокочастотных, высота антенны над землей должна быть больше 13,6м.

Диаграммы направленности и коэффициенты усиления моделируемой антенны для разработки СУ не имеют значения, а активная Ra и реактивная Xa части входного сопротивления необходимы.

Графики полученных зависимостей Ra и Xa от частоты приведены на Рис.2.

Рис. 2. Графики зависимости компонентов входного сопротивления антенны от частоты

 

 

Легко заметить, что график отражает несколько явно выраженных чередующихся резонансов, подобных резонансам последовательного и параллельного колебательных контуров.

Это совпадает с физическими представлениями о процессах, происходящих в антенне, которая, по сути, представляет собой электрическую систему с распределенными параметрами – длинную линию.

На частотах последовательного резонанса активное сопротивление Ra принимает минимальное значение (провал на графике), а реактивное сопротивление Xa - нулевое значение, пересекая ось частот от отрицательных (емкостных) значений к положительным (индуктивным). На частотах параллельного резонанса Ra принимает максимальное значение, а Xa - нулевое значение, пересекая ось частот, наоборот, от положительных индуктивных значений к отрицательным -  емкостным.

Резонансные частоты и величины входных сопротивлений антенны на этих частотах сведены в Таблицу 1.

                                                                             Таблица 1

Fпосл., МГц

Ra, Ом

Fпар., МГц

Ra, Ом

 

 

 

 

3,35

132,81

4,74

2948,23

6,62

292,37

8,02

4344,85

13,11

241,77

14,42

2322,18

19,58

161,73

20,95

3219,68

22,86

285,20

24,11

1874,29

26,01

276,02

27,35

2588,33

29,29

184,97

30,63

2657,92

 

На резонансных частотах характеристики антенны сильно  изменяются: значительно возрастает или снижается активное сопротивление Ra, изменяется от емкостного к индуктивному (или наоборот) характер сопротивления Xa.  Это усложняет реализацию СУ.

Для преодоления этой трудности напрашивается следующий, казалось бы, парадоксальный вывод: для работы антенны совместно с многодиапазонным СУ желательно применять такую антенну, которая не будет иметь ни последовательного, ни параллельного резонанса, ни на одном из любительских диапазонов частот.

Парадокс состоит в том, что, при разработке антенны, любители, наоборот, стараются настроить ее в резонанс.

Этими соображениями определяется выбор частоты основного резонанса модели антенны. Из Таблицы 1 видно, что эта частота составляет 3,35 МГц. К сожалению, несмотря на попытку оптимального выбора частоты основного резонанса, все же не удалось избавиться от последовательного резонанса в диапазоне 10 м на частоте 29,29 МГц.

Проблема заключается в том, что, как видно из таблицы, разница между соседними последовательным и параллельным резонансами составляет около 1,4 МГц, а ширина любительского диапазона 10м – 1,7 МГц. Поэтому, как бы мы ни выбирали частоту основного резонанса в районе 3,35 МГц, все равно в диапазоне 10 м получим хотя бы один резонанс.

Если же выбрать частоту основного резонанса 3,4 МГц, при которой межрезонансный интервал составит как раз около 1,7 МГц и последовательный резонанс смещается на 29,75 МГц, то получим последовательный резонанс на 21,2 МГц, что с моей точки зрения еще хуже, чем в первом варианте.  Существенно укорачивать антенну не хотелось бы из-за снижения ее эффективности. Выбор оптимальной резонансной  частоты довольно кропотливая работа требующая значительных затрат времени для моделирования и анализа, оставим ее заинтересованному читателю.

Если резонансные частоты антенны, благодаря описанному выбору частоты основного резонанса, находятся вне любительских диапазонов, то изменения Ra и Xa внутри диапазонов   происходят монотонно без экстремумов (отсутствуют «горки» и «впадины») и, наоборот, при наличии резонанса – с экстремумом.

В качестве примера на Рис. 2 приведены графики зависимости Ra и Xa от частоты в диапазоне 3,5 МГц, а на Рис. 3 – в диапазоне 28 МГц. На Рис. 3 видно, что Xa пересекает ось частот в около частоты 29,29 МГц, при этом Ra принимает минимальное значение.

Для упрощения задачи и благодаря малой относительной ширине любительских диапазонов, примем решение о приемлемости точного согласования антенны и фидера только на одной частоте в каждом любительском диапазоне за исключением диапазона 10м. При этом предполагаем, что благодаря отсутствию резонансов в пределах диапазона, согласование на других частотах диапазона останется удовлетворительным. Для проверки такого предположения рассчитаем Г-образные цепочки согласования для нашей антенны в диапазонах 14МГц и 24МГц.

Для диапазона 14МГц применим LC цепочку с L = 4,31мкГн и C = 30,7 пФ, а для диапазона 24МГц – с L = 2,07 мкГн и C = 12,2 пФ.

Графики зависимости КСВ в этих диапазонах от частоты приведены на Рис. 4 и Рис. 5.

 

Рис. 2. График зависимости компонентов входного сопротивления

антенны от частоты в диапазоне 80м

 

Рис. 3. График зависимости компонентов входного сопротивления

антенны от частоты в диапазоне 10м

 

 

Рис. 4. График зависимости КСВ от частоты в диапазоне 20 м с

Г-образным согласующим звеном

 

 

Рис. 5. График зависимости КСВ от частоты в диапазоне 12м с

Г-образным согласующим звеном

 

Видно, что согласование в пределах диапазона получается удовлетворительным.

Казалось бы, на этом решение задачи можно и заканчивать. Определив для середины каждого диапазона компоненты входного сопротивления антенны, нужно рассчитать для каждого диапазона согласующую Г-образную цепочку, поставить все цепочки межу фидером и антенной и получить желаемое согласование на всех диапазонах.

К сожалению, так просто задача не решается. Как бы мы ни соединяли цепочки, они будут так влиять друг на друга, что согласования не получится.

Есть два выхода из создавшейся ситуации: переключать согласующие цепочки с помощью реле или рассчитать такие цепочки, чтобы, несмотря на взаимное влияние их друг на друга, согласование все-таки происходило.

Как уже было сказано выше, первый из этих вариантов нас не устраивает.

Поэтому будем синтезировать согласующий четырехполюсник.

Вообще при разработке электрических схем могут решаться две разные задачи.

Первая, более простая, состоит в том, чтобы проводить анализ схемы. На основе интуиции, обобщения опыта работы, расчетных оценок  или еще как-то создается первое приближение схемы, выбираются значения ее элементов, и производится анализ. В результате анализа получаются данные о том, как работает эта схема: величины токов, напряжений, времена процессов, резонансные или иные частоты и др. Сравниваются эти результаты с заданием (с пожеланиями) и, если схема работает не так как нужно, то в нее вносятся изменения и проводится повторный анализ. Так продолжается до тех пор, пока не будет получен желаемый результат.

Вторая задача состоит в том, чтобы, имея тем или иным образом формализованное задание (математическое выражение выполняемых функций, набор графиков, характеристик), целенаправленно действуя по определенному алгоритму, создавать (синтезировать) именно ту схему, которая сразу будет обладать требуемыми свойствами.

Вторая задача сложнее и даже теоретически не имеет решения на все случаи жизни, а решена только для некоторых типов схем. Это двухполюсники, четырехполюсники в приложении к фильтрам, согласующим устройствам и некоторые другие.

Хотя формально для решения задачи согласования фидера и антенны необходим четырехполюсник – два вывода подключаются к фидеру и два к антенне, мы будем пользоваться принципами синтеза двухполюсников, как более простыми. Согласующий четырехполюсник будет состоять из двух двухполюсников. Один из них будет подключен между фидером и антенной, а второй параллельно выводам антенны. Схематически это изображено на Рис. 6.

 

 

 

где: ДП – двухполюсник

 

Рис. 6. Схема подключения согласующих элементов

 

 

Функции двухполюсников в схеме сильно различаются.

Задача, решаемая двухполюсником ДП2, состоит в приведении величины активного сопротивления Ra к величине волнового сопротивления фидера ρ. При этом абсолютная величина реактивного сопротивления Xa может не только не уменьшится, но даже увеличится.

Задача двухполюсника ДП1 - в приведении к нулю реактивного сопротивления Xm, которое получилось после подключения к антенне ДП2. При этом величина активного сопротивления Rm = ρ, которая получилась после подключения ДП2, должна остаться неизменной.

Если удастся синтезировать такие двухполюсники, то задача многодиапазонного согласования нерезонансной КВ антенны будет решена.

Синтез реактивных двухполюсников будем вести на основе известных теоретических выкладок [5].

Нас интересует именно реактивный двухполюсник, состоящий только из емкостей и индуктивностей и не содержащий активных сопротивлений. В таком двухполюснике не происходит потерь энергии и КПД системы фидер – СУ – антенна получается наивысшим.

Правда, идеальных емкостей и индуктивностей не бывает. Реальные элементы схем имеют неустранимые потери энергии, но чем выше добротность катушек индуктивности и меньше тангенс угла потерь конденсаторов, тем выше будет КПД и точнее результаты проектирования СУ.

После решения задачи синтеза двухполюсника из идеальных компонентов весьма полезно провести математическое моделирование  СУ, например, с помощью программы RFSim99, с указанием реализуемых на практике потерь и посмотреть насколько ухудшатся характеристики согласования. 

Теория решает задачу синтеза двухполюсника, исхдя из знания аналитического выражения (формулы) функции цепи (по сути входного сопротивления). Несмотря на то, что у нас нет такой формулы, теория нам сильно поможет, т.к. она определяет общий вид схем синтезируемых реактивных двухполюсников.

Входное сопротивление двухполюсника может описываться выражением

 

                                  

               (1)

 

где:

 – входное сопротивление

 – круговая частота,

 – частота

 – индуктивность

 – емкость

 – резонансная частота параллельного колебательного контура.

 

Входная проводимость двухполюсника может описываться выражением

 

                                  

+                  (2)

 

где:

 –входная проводимость

 – круговая частота,

 – частота

 – индуктивность

 – емкость

– резонансная частота последовательного контура.

 

Эти формулы соответствуют двум вариантам схемного исполнения двухполюсников, изображенным на Рис. 7 и Рис. 8.

 

 

 

 

Рис. 7. Схема двухполюсника, соответствующая формуле (1)

 

 

                                           

 

Рис. 8. Схема двухполюсника, соответствующая формуле (2)

 

На Рис. 7 видно, что индуктивность L определяет сопротивление двухполюсника на верхних частотах. Сопротивления емкостей С, С3, С4,…Сn при возрастании частоты стремятся к нулю, а сопротивление индуктивности L растет. Поэтому ток, протекающий на верхних частотах, определяется, в основном, сопротивлением индуктивности, что и показывает формула (1).

На низких частотах сопротивления индуктивностей L, L3, L4, …Ln, наоборот, малы. Ток будет определяться сопротивлением емкости С.

На промежуточных частотах ток через двухполюсник, изображенный на Рис. 7 будет определяться совместным действием L, C и колебательных контуров L3C3, L4C4, L5C5,…LnCn. При этом влияние колебательных контуров на входное сопротивление двухполюсника будет особенно сильно проявляться вблизи резонансной частоты каждого из контуров.

Все сказанное относится и к схеме на Рис. 8, с той лишь разницей, что говорить нужно не о сопротивлениях, а о проводимостях. И влияние на проводимость на низких частотах  будет оказывать, в основном, индуктивность L, а на высоких – емкость С.

Приведенные схемы, при определенном выборе величин элементов, могут иметь одинаковые входные сопротивления, в этом случае схемы эквивалентны.

Применение той или иной схемы определяется удобством и возможностью реализации рассчитанных компонентов.

Для расчетов  более удобно использовать проводимости при параллельном подключении к внешней цепи или сопротивления – при последовательном, т.к. в этих случаях, для определения суммарного действия просто применяется операция сложения. На практике трудно реализовать емкости величиной менее десятых долей пикофарады или индуктивности менее единиц наногенри. Если при расчете получаться такие величины элементов, то изменение схемы двухполюсника и новый расчет могут помочь решить проблему.

Количество элементов в двухполюсниках ДП1 и ДП2 зависит от количества точек точного согласования антенны с фидером.

Если нужно провести согласование только на двух диапазонах и по одной точке на каждом из них, то можно обойтись двумя элементами - L и C в каждом из двух двухполюсников. Если нужно согласование в трех точках на двух диапазонах или в трех точках на трех диапазонах, то придется использовать схему из L, C, L3C3. Если в пяти точках – L, C, L3C3, L4C4, L5C5 и т.д. (Нумерация элементов в тексте по Рис. 7 и Рис. 8.) Схемы таких СУ изображены на Рис. 9.

 

к антенне

 

к фидеру

 

к антенне

 

к фидеру

 
                    

СУ для двух точек согласования                            СУ для трех точек согласования

 

                                              

 

 

к антенне

 

к фидеру

 

СУ для пяти точек согласования

 

Рис. 9. Варианты схем СУ

 

Для разрабатываемого СУ применим согласование в девяти точках любительских диапазонов на частотах 3,65; 7,05; 10,125; 14,2; 18,2; 21,2; 25; 28,5; 29,5 МГц. Схема согласования получается довольно громоздкой и будет приведена ниже.

Определим значения элементов двухполюсника ДП2.

Для этого необходимо составить и решить систему из девяти уравнений  с девятью неизвестными.

Основой для системы уравнений может служить равенство вещественной части входного сопротивления, соединенных параллельно входных сопротивлений антенны и ДП2, волновому сопротивлению фидера. Как указывалось выше, это главное назначение ДП2.

Математически это выглядит так:

 

                                   (3)

где:

 - комплексное входное сопротивление антенны

 - комплексная входная проводимость ДП2

- волновое сопротивление фидера.

Система уравнений, в сокращенной записи, выглядит так:

 

.

.

.

 

В этой системе уравнений известны следующие величины:

, , … - круговые частоты, на которых производятся точные согласования,

  - вещественная и мнимая компоненты входного сопротивления антенны в точках точного согласования,

 - волновое сопротивление фидера,

.

Неизвестны индуктивности , ,,,,,,,.

, , … - частоты настройки последовательных колебательных контуров, подключенных параллельно антенне. Эти частоты необходимо выбрать. Их нужно выбирать между частотами точного согласования. Для начала можно руководствоваться знаком мнимой части входного сопротивления антенны, если входное сопротивление в точке согласования емкостное (отрицательное), то последовательный контур следует настроить выше точки согласования и наоборот.

Решать такую систему комплексных уравнений вручную едва ли разумно и возможно. Поэтому нужно воспользоваться математическим комплексом (пакетом) программ  решающим такие системы уравнений, например, Mathcad.

Система уравнений сложная и не обязательно имеет решение при любых исходных данных. Поэтому, при решении, очень вероятно придется варьировать частоты настройки контуров.

После решения системы будут определены значения индуктивностей, но для колебательных контуров нужно определить еще и емкости. Это делается по известной формуле:

 

.

 

В результате расчета для промоделированной выше антенны получились величины элементов контуров и частот их настройки, приведенные в Таблице 2.

                                                                                                                            Таблица 2

Частота

, Гц

5000001

8500001

12000001

16000001

19500001

23000001

30000001

33000001

Индуктив-ность,

мкГн

7,25

20

11,4

14,3

27,7

18

19,4

6,8

Емкость,

пФ

140

17,5

15,4

6,92

2,4

2,67

1,45

3,42

 

Величина L получилась равной 23 мкГн.

После проведения расчета величин элементов двухполюсника ДП2 очень полезно проверить правильность решения системы уравнений. Для этого нужно подставить в левую часть уравнений все, теперь уже известные, величины. В результате должны получиться действительные (активные) части входного сопротивления равными волновому сопротивлению фидера.

Частота, МГц

3,65

7,05

10,125

14,2

18,2

21,2

25

28,5

29,5

Rm, Ом

75

75,002

75,002

75

75

75

75

75

75

Xm, Ом

-214

202

196

385

508

487

325

-338

-139

После подстановки получились результаты, помещенные в Таблицу 3.

       Таблица 3

 

Из таблицы видно, что действительные части входного сопротивления получились равными 75 Ом, что и закладывалось в расчет.

На этом этапе проектирования СУ полезно также проверить полученные результаты другим программным средством. Для этой цели можно применить, например, RFSim99 или программу MMANA. После введения в них схемы ДП2 с рассчитанными значениями L и C и расчета, должны получиться приведенные в Таблице 3 величины Rm и Xm.

Данные, приведенные в таблице, проверены  c помощью RFSim99. Результат сравнения – хорошее совпадение. Использование программы MMANA, хотя и несколько сложнее, но дает «сквозную» проверку – расчет согласования вместе с расчетом антенны.

После расчета элементов ДП2 можно переходить к ДП1.

Принцип расчета практически такой же. Отличие состоит в том, что теперь мы будем оперировать мнимыми, а не действительными сопротивлениями. 

 

                                        (4)

 

где:

- входное сопротивление ДП1

 - сопротивление системы после подключения ДП2, до подключения ДП1.

 

В правой части уравнения (4) стоит «0» т.к. в режиме согласования, мнимой части сопротивления быть не должно.

В результате опять получаем систему девяти уравнений с девятью неизвестными.

 

.

.

.

 

Решаем систему аналогично ранее рассмотренной. В результате получаем величины индуктивности и емкостей двухполюсника ДП1 (Таблица 4). Значения индуктивностей параллельных контуров рассчитываем по формуле аналогичной приведенной выше для емкостей.

 

       Таблица 4

Частота

, Гц

3400001

6060001

8000001

12000001

16000001

19500001

23000001

29000001

Емкость,

пФ

263

30

38,7

36,5

47,1

109

138

1078

Индуктив-ность,

мкГн

 

8,34

23,1

10,2

4,8

2,1

0,61

0,35

0,028

 

Величина L получилась равной 6,34 мкГн.

В результате мы получили значения всех элементов схемы согласующего устройства. Схема с номинальными величинами элементов приведена на Рис. 10

 

Подпись:

Схема согласующего устройства для антенны

 

Для подтверждения правильности расчетов проведено математическое моделирование СУ с помощью программы RFSim99.

Отпечатки с экранов приведены на Рис. 11, Рис. 12.

На Рис. 12 видно, что практически точное согласование произошло на частоте 3,648 МГц, что лишь на 2 кГц ниже расчетной частоты и может считаться вполне удовлетворительным. При этом входное сопротивление СУ со стороны фидера составляет 74,92+0,14i Ома, что также очень не плохо.

Результаты контрольных расчетов СУ приведены в Таблице 5.

  

 

Рис. 11. Расчетная схема для моделирования СУ на 3,65 МГц

 

 

Рис. 12. Результат моделирования СУ

Частота, МГц

3,648

7,053

10,126

14,203

18,202

21,196

24,992

28,492

29,5

R, Ом

74,92

76,54

75,61

74,51

78,51

79,51

76,76

76,46

80,96

X, Ом

0,14

0,38

-0,51

0,07

-0,53

0,41

0,11

0,19

-0,25

КСВ ~

1,001

1,02

1,008

1,007

1,05

1,06

1,02

1,02

1,08

Таблица 5

 

 

Как видно из Таблицы 5 согласование антенны с фидером в точках расчетного согласования вполне приемлемое для радиолюбительской практики.

Реальное согласование будет несколько хуже из-за влияния потерь в катушках индуктивности и конденсаторах. Поэтому, при реализации, желательно применять катушки с высокой добротностью и качественные конденсаторы.

Таким образом, задача синтеза четырехполюсника, для согласования антенны с фидером на всех КВ диапазонах решена.

Следует учитывать, что схема СУ и номиналы элементов относятся к конкретной антенне – треугольной рамке с периметром 30,86 + 30,91 + 30,91м на высоте 20м, с резонансной частотой 3,35 МГц. Для других антенн и схема и номинальные значения элементов могут значительно отличаться от приведенных, поэтому требуется проведение новых измерений и расчетов.

Кроме описанных, есть и другие варианты математического описания двухполюсников и другие схемы их реализации, но они выходят за рамки этой статьи.

Перечислим кратко последовательность действий, которые надо выполнить для самостоятельного проектирования СУ.

·        Выбрать антенну для реализации

·        Выбрать диапазоны и частоты точного сопряжения

·        Измерить или рассчитать активную и реактивную части входного сопротивления антенны в точках сопряжения

·        Выбрать схемы двухполюсников ДП1 и ДП2

·        Выбрать частоты настройки колебательных контуров в ДП2

·        Составить и решить систему уравнений для определения элементов ДП2

·        Проверить правильность решения путем моделирования работы антенны с ДП2

·        Выбрать частоты настройки колебательных контуров в ДП1

·        Составить и решить систему уравнений для определения элементов ДП1

·        Проверить правильность решения путем моделирования работы антенны с ДП1 и ДП2

·        Собрать электрический макет СУ, подстраивая резонансные частоты колебательных контуров, в соответствии со значениями, принятыми в расчетах 

·        Нагрузив макет СУ RL или RC цепочками – эквивалентами антенны на частотах согласования, проверить правильность согласования

·        Собрать рабочий вариант СУ, настроить колебательные контуры, обеспечить стабильность элементов, их взаимного положения, минимизацию магнитной связи между катушками и герметизацию

·        Проверить согласование на эквивалентах антенны на всех частотах точного согласования

·        Присоединить антенну, фидер и поднять антенну, СУ, фидер на рабочую высоту

·        Тщательно проверить согласование, как на частотах точного согласования, так и на других частотах в каждом из диапазонов

·        При положительном результате начать эксплуатацию антенны, иначе разбираться, в чем проблемы.

 

В завершение автор приносит благодарность за участие в обсуждении на форуме Radio-Antenna-PRO (Hertz Group) http://groups.yahoo.com/group/Hz/ вопросов, связанных с разработкой СУ Игорю Гончаренко DL2KQ, Сергею Носакову UA6LGO, Константину Попандопуло UR5FFC.

Особую благодарность автор приносит Александру Юркову RA9MB, высказавшему плодотворную мысль о синтезе СУ на основе двухполюсников с последующим объединением их в четырехполюсник.

 

 

Использованные источники.

  1. http://www.autekresearch.com/va1.htm
  2. http://www.amqrp.org/kits/micro908/
  3. http://www.miniradiosolutions.com/
  4. http://users.adelphia.net/~n2pk/
  5. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники./Под. ред. Б.Х.Кривицкого. В 2-х т. Т. 2, М., «Энергия», 1977.

 

 


Дополнение к статье «Согласующее устройство для многодиапазонной коротковолновой антенны».

Взяться за это дополнение и, связанные с ним, дополнительные проработки согласующего устройства (СУ) меня сподвигли материалы обсуждения сатьи в «Гласе народа» и на форуме этого сайта и, в особенности, данные опубликованные Смирновым Николаем (UA3TW) и наша переписка с ним. Привожу его сообщение из «Гласа народа» полностью.

2 января 2007 г. в 08:20   Nick, UA3TW

Нарисовав ММАНА модель данной антенны с данным СУ получил следующие результаты: на 80м полоса 20кГц, на 40м 20кГц на 30м 50кГц, на 20м 50кГц, на 17м 50кГц, на 15м 75кГц, на 10м 150кГц. Это по КСВ 2. Потери из за реальных индуктивностей с добротностью 200 в среднем 2=3дБ. По диапазонам 80м 1,57дБ, 40м 3,83дБ, 30м 1,88дБ, 20м 2,7дБ, 17м 3,45дБ, 15м 3,1дБ, 12м 2,39дБ, 10м 1,74дБ. Причем расеяние потерь происходит в основном на катушках смежных с рабочей частотой контуров, например, 2/3 потерь на 20м происходит на двух катушках параллельных контуров с частотами 12МГц и 16МГц, и еще чуть меньше одной трети на катушках двух последовательных контуров с частотами 12МГц и 16МГц. Это значит, что работая 1кВт на 20м мы будем рассеивать почти 500Вт на этих четырех катушках, на другом диапазоне = на других четырех катушках, так что все катушки должны быть очень мощные.

Вывод, который можно сделать из этого сообщения практически однозначен: СУ обладает низким КПД и очень узкополосно и поэтому реализация его нецелесообразна.

Интуитивно я понимал, что может так оно и есть, но решил копнуть задачу немного глубже и попытаться подтвердить этот вывод или опровергнуть его.

Проверка основных результатов, полученных Николаем, показала, что они правдоподобны. Разные программы дают несколько разные результаты, но отличия незначительны и не изменяют общей картины.

Наиболее вероятной причиной невысоких характеристик СУ является то, что, при поектировании, синтез и анализ двухполюсников проводился без учета потерь энергии в их элементах. На эту проблему было указание и в статье, где дана рекомендация максимально увеличивать добротность катушек индуктивности. Однако эта рекомендация была дана исходя из самых общих соображений, без детального анализа.

Расчет входного сопротивления СУ и антенны без потерь (Рис. 1) и с учетом потерь в катушках индуктивности (Рис. 2) программой RFSim99 показал, что:

1.      Потери в элементах приводят не только к естественному снижению КПД, но и к существенной расстройке СУ и, как следствие, ухудшению согласования.

2.      Из-за смещения, вызываемого учетом потерь, графика функции входного сопротивления от точки точного согласования, уменьшается его длина (графика), ограниченная окружностью равного КСВ (линия КСВ=2 на рисунках). Это эквивалентно уменьшению рабочей полосы системы СУ – антенна.

3.      Входное сопротивление СУ сильно изменяется в зависимости от частоты, что, возможно, вызвано высокой скоростью изменения реактивного сопротивления идеальных колебательных контуров от частоты.

Точка точного согласования КСВ=2

Рис. 1. График зависимости входного сопротивления системы СУ- антенна в диапазоне 7 МГц. Вариант СУ без потерь

Точка точного согласования
КСВ=2
 

Рис. 2. График зависимости входного сопротивления системы СУ-антенна в диапазоне 7 МГц. Вариант СУ с учетом потерь.

Несколько слов о диаграмме Смитта, раз уж я ее привожу. Пишу об этом потому, что на форумах высказываются полярные точки зрения о ее «современности» и необходимости использования. Применять ее или нет это дело привычки и личных предпочтений. На мой взгляд, диаграмма удобна тем, что:

·        Позволяет изобразить комплексные сопротивления в диапазонах значений 0<R<и -<X<+ на одном графике – «не потеряешь», в отличие, от декартовых координат, где очень большие или очень малые величины могут выйти за пределы графиков.

·        Линии равного КСВ изображаются окружностями, поэтому наглядно отображаются комплексные сопротивления нагрузок, которые при подкючению к генератору, приводят к КСВ в линии передачи меньше или больше заданного значения.

На Рис. 2 видно, что для улучшения свойств СУ нужно сделать такие преобразования, чтобы график входного сопротивления сместился влеводо точки точного согласования. Это приведет к обеспечению согласования и одновременно к некоторому расширению полосы пропускания. Попытаемся выполнить такое преобразование.

Кроме этого проведем анализ получившегося КПД СУ.

Воспользуемся подходом к проектированию изложенном в статье.

Отличия в следующем:

·        Учтем в уравнениях цепей потери в катушках индуктивности, введя добротность Q, которая будет задана на частоте настройки каждого из контуров. Зависимость добротности от частоты определим по известной формуле:

.

·        В обоих двухполюсниках оставим только резонансные контуры, убрав нерезонансные звенья. Это делается для удобства - для достижения полной однородности схемы и уравнений.

 

Для упрощения, рассмотрим расчет СУ только для четырех диапазонов: 3.5, 7, 14 и 28 МГц. Заинтересованный читатель сможет воспользоваться принципами построения и видом уравнений и дополнить системы, решить их для требуемого числа диапазонов или точек точного согласования.

Система уравнений для ДП2 приобретает вид:

где:

Q2, Q3, Q5, Q9 добротности катушек индуктивности контуров в двухполюснике ДП2.

Остальные обозначения в системе уравнений аналогичны обозначениям в статье.

При решении системы уравнений использованы следующие величины:

В результате расчетов получены значения элементов ДП2 сведенные в Табл. 1.

Таблица 1.

ω2dop=5.5e6*2π

ω3dop=8.5e6*2π

ω5dop=14.5e6*2π

ω9dop=31e6*2π

L2=6.58мкГн

L3=9.64мкГн

L5=27.18мкГн

L9=8.53мкГн

C2=127.2пФ

C3=36.36пФ

C5=4.43пФ

С9=3.09пФ

Сопротивления потерь в катушках приведены в Табл. 2.

Таблица 2.

ω2=3.65e6*2π

ω3=7.05e6*2π

ω5=14.2e6*2π

ω6=28.5e6*2π

R2, Ом

1.85

2.58

3.65

5.18

R3, Ом

3.37

4.69

6.66

9.43

R5, Ом

12.43

17.27

24.51

34.72

R9, Ом

5.7

7.93

11.25

15.93

Уравнения для проверки расчета элементов ДП2 и результат проверки приведен ниже:

Входное сопротивление системы ДП2 – антенна на частотах точного согласования приведено в Табл.3.

Таблица 3.

ω, рад/c

ω2=3.65e6*2π

ω3=7.05e6*2π

ω5=14.2e6*2π

ω9=28.5e6*2π

 

Z(ω)

 

 

75 – i*203.28

 

 

75+i*182.24

 

 

75 – i*147.11

 

75-i*284.66

Из Табл. 3 видно, что цель этого этапа расчета достигнута - действительная часть входного сопротивления системы ДП2 – антенна, с реальными индуктивностями с добротностью 100, равна 75 Омам на частотах точного согласования во всех диапазонах.

Проведем подобный расчет для ДП1.

Система уравнений.

где:

Qs2, Qs3, Qs5, Qs9 добротности катушек индуктивности контуров в двухполюснике ДП1.

Расчетные значения элементов двухполюсника ДП1 приведены в Табл. 4.

Таблица 4.

ωs2dop=5e6*2π

ωs3dop=6e6*2π

ωs5dop=17e6*2π

ωs9dop=35e6*2π

Ls2=2.95мкГн

Ls3=0.9мкГн

Ls5=0.444мкГн

Ls9=0.665мкГн

Cs2=344.1пФ

Cs3=782.2пФ

Cs5=197.5пФ

Cs9=31.12пФ

Сопротивления потерь – в Табл. 5.

Таблица 5.

ω2=3.65e6*2π

ω3=7.05e6*2π

ω5=14.2e6*2π

ω9=28.5e6*2π

Rs2, Ом

0.79

1.099

1.559

2.209

Rs3, Ом

0.264

0.368

0.522

0.739

Rs5, Ом

0.22

0.305

0.433

0.614

Rs9, Ом

0.472

0.656

0.931

1.319

Результаты расчета входного сопротивления и КСВ системы СУ – антенна с учетом потерь в СУ (добротность всех катушек индуктивности 100) приведены в Табл. 6.

Таблица 6.

ω, рад/с

ω2=3.65e6*2π

ω3=7.05e6*2π

ω5=14.2e6*2π

ω9=28.5e6*2π

Z(ω), Ом

86.81

82.57

83.98

89.37

КСВ

1.16

1.1

1.12

1.19

Результаты расчетов показывают, что хотя входное сопротивление имеет активный характер, но величина его несколько отличается от требуемых 75 Ом.

Это вызвано тем, что сопротивление потерь двухполюсника ДП1 включено последовательно с сопротивлением системы ДП2 – антенна, а активная часть ее (системы) входного сопротивления уже задана исходными данными для расчетов Rk=75 Ом, т.е. активная часть полного входного сопротивления будет обязательно больше 75 Ом, что мы и получили.

Конечно, теперь, зная на сколько больше получилось входное сопротивление СУ, чем 75 Ом, можно на эту величину уменьшить сопротивление Rk и повторить весь расчет снова, а затем, при желании, еще раз. Так можно добиться точного согласования, но при этом часть входного сопротивления системы СУ – антенна все равно будет приходится на сопротивление потерь в СУ и поэтому мощность рассеиваемая этим сопротивлением будет по прежнему потеряна. Повысится или понизится при этом КПД неизвестно. Желающие могут это выяснить. Интуитивно, прибавка или потеря КПД будут составлять лишь часть КПД системы расчитанной выше.

Схема СУ с элементами приведена на Рис. 3.

Рис. 3. Схема СУ для диапазонов 3.5, 7, 14 и 28МГц со значениями элементов.

Результаты проверочных расчетов прогаммой RFSimm99 прведены на Рис. 4, Рис. 5, Рис. 6, Рис. 7.

Точка точного согласования
 
КСВ=2

Рис. 4. График функции входного сопротивления системы СУ – антенна от частоты в диапазоне 3.5 МГц при добротности катушек в СУ Q=100.

Точка точного согласования
КСВ=2
 

Рис. 5. График функции входного сопротивления системы СУ – антенна от частоты в диапазоне 7.05 МГц при добротности катушек в СУ Q=100.

Точка точного согласования
КСВ=2

Рис. 6. График функции входного сопротивления системы СУ – антенна от частоты в диапазоне 14.2 МГц при добротности катушек в СУ Q=100.

Точка точного согласования
КСВ=2

Рис. 7. График функции входного сопротивления системы СУ – антенна от частоты в диапазоне 28.5 МГц при добротности катушек в СУ Q=100.

На графиках видно, что согласование удовлетворительно, полосы пропускания по уровню КСВ=2 покрывают значительную часть любительских диапазонов.

Видны некоторые несовпадения между результатами расчетов по уравнениям и RFSimm99. Но, на мой взгляд, они не столь велики, чтобы ставить под сомнение результаты проекта СУ. А обсуждение причин отличия, по моему мнению, выходит за рамки этой статьи.

Расчеты по определению КПД СУ проведем с помощью PSpiсe.

Рис. 8. Графики зависимости входной и выходной мощности СУ от частоты в районе 3.65 МГц. Входной ток Iвх.=1А.

Рис. 9. Графики зависимости входной и выходной мощности СУ от частоты в районе 7.05 МГц. Входной ток Iвх.=1А.

Рис. 10. Графики зависимости входной и выходной мощности СУ от частоты в районе

14.2 МГц. Входной ток Iвх.=1А.

Рис. 11. Графики зависимости входной и выходной мощности СУ от частоты в районе

28.5 МГц. Входной ток Iвх.=1А.

Результаты расчетов КПД СУ помещены в Табл.7.

Таблица 7.

Частота, МГц

КПД, %

3.65

90.1

7.05

78.4

14.2

16.8

28.5

64

Краткие выводы.

  • Проектирование СУ без учета потерь энергии в элементах приведет при реализации к невысоким характеристикам СУ: сравнительно низкому КПД и недостаточной полосе пропускания.
  • Учет потерь в катушках индуктивности, которые вносят основную часть в потери в колебательных контурах, позволяет достичь при проектировании СУ приемлемых для любительской практики значений КПД. Казалось бы парадоксальный результат – потери увеличили, а КПД тоже увеличился. Это произошло потому, что СУ спроектирован с учетом потерь, поэтому они не приводят к его расстройке.
  • Немного неожиданым результатом является заметное расширение полосы пропускания СУ. Учет потерь привел к снижению скорости изменения входных сопротивлений контуров от частоты в областях близких к разонансам и, как следствие, к расширению полосы пропускания.
  • КПД СУ имеет тенденцию к снижению с повышением частоты. Вероятно это вызвано сложным характером одновременного изменения добротности восьми катушек индуктивности при изменении частоты (в принятой математической модели ).
  • Наблюдается резкое снижение КПД в диапазоне 20м. Вероятно это вызвано тем, что активная часть входного сопротивления антенны в расчетной точке согласования в этом диапазоне довольно велика (R=1650 Ом). Из-за высокого сопротивления антенны получается сравнительно большая индуктивность катушки соответствующего контура (L5=27.18мкГн), что приводит к большому сопротивлению потерь. Для снижения такого эффекта нужно добиваться, чтобы активная часть входного сопротивления антенны в пределах любительских диапазонов не была очень высокой (скажем, не выше ~10Rk).
  • Для реализации описанного СУ следует применять катушки индуктивности с определенной добротностью. В противном случае характеристики СУ будут ухудшаться.

Следует еще раз отметить, что простое копирование описанного СУ для «случайной» антенны, наверняка, не даст положительного результата. Это СУ должно проектироваться, по описанной методике, для конкретной антенны. При этом исходными данными служит зависимость входного сопротивления антенны от частоты.

Проведенный анализ, по моему мнению, показывает, что СУ реализуемо, хотя и обладает определенными недостатками, впрочем, это свойствено любому техническому объекту.

Автор благодарит участников обсуждения статьи, и персонально Николая (UA3TW).

Виталий (RZ3TJ)  Январь 2007г.


 

           

 

Автор: Чучко Виталий Федорович, 607190 г. Саров Нижегородской обл. ул. Березовая 8 кв. 9., д.т. (83130)9-16-27, сл.т. (83130)4-50-42. Позывной сигнал RZ3TJ. E-mail: rz3tj@mail.ru



Глас народа
27.01.2012 22:34 СТАТЬЯ ЗАМЕЧАТЕЛЬНАЯ НАПИСАНО ПРАВИЛЬНО СПАСИБО!...  --  UR3AFJ
10.05.2007 11:55 Замечательная статья! Спасибо! А требовать от автора, например уч...  --  RX3AKT
06.02.2007 07:01 Я не имел в виду вообще не возможна, а невозможна по данной канон...  --  Nick UA3TW
04.02.2007 14:39 «Насколько я это понял, плавная коррекция внутри диапазона невозм...  --  Николай UR0GT...
21.01.2007 12:54 Насколько я это понял, плавная коррекция внутри диапазона невозм...  --  Nick UA3TW
21.01.2007 03:32 Дорогой Виталий! Восхищен Вашим мужеством и корректностью. Как и ...  --  Сергей, ЕХ8А....
20.01.2007 14:54 Обращаю внимание желающих прочитать, что, на рисунках в дополнени...  --  Виталий RZ3TJ...
19.01.2007 10:31 В Реальности ВСЕ гораздо проще ......И ЗАЧЕМ огород город...  --  Alex
05.01.2007 18:45 Безусловно, красивая и достойная проработка. Конечно, тот кто зад...  --  cwfan
05.01.2007 09:29 НУ ОЧЕНЬ КРУТО...  --  прохожий
02.01.2007 08:20 Нарисовав ММАНА модель данной антенны с данным СУ получил следующ...  --  Nick, UA3TW...
30.12.2006 19:26 Я думаю, что надо повторить эту конструкцию несколько раз и сопос...  --  Красимир, LZ2CH...
26.12.2006 12:23 Где это видано ,ну очень хаачу и т д ...  --  micyaylo
26.12.2006 10:42 Здравствуйте уважаемые коллеги! Я немного о практической реализац...  --  Александр RZ9SP...
24.12.2006 15:51 www.forum.cqham.ru/viewtopic.php?t=10514...  -- 
24.12.2006 15:50 www.forum.cqham.ru Раздел "Антенны"...  -- 
24.12.2006 15:47 Разговор затягивается. Предлагаю открыть ветку на форуме - там ра...  --  Александр RU9HA...
24.12.2006 11:17 to RU9HA. Дорогой Александр! Вы высказали ряд очень интересных по...  -- 
24.12.2006 08:24 Ответ Виталию RZ3TJ. А я не понял, почему Вы посчитали мое мнение...  --  Александр RU9HA...
23.12.2006 19:44 Для Александра RU9HA. Здравствуйте, Александр! Я не совсем понял ...  --  Виталий RZ3TJ...
22.12.2006 14:44 Не буду повторять положительные стороны данной работы, отмеченные...  --  Aлександр RU9HA...
19.12.2006 09:03 Здравствуйте коллеги! Попробую ответить на вопросы и прокомменти...  --  Виталий RZ3TJ...
18.12.2006 18:39 Интересная тема, Виталий. Для ее ПОСТЕПЕННОГО развития в ПРАКТИЧЕ...  --  RZ6AU/3
18.12.2006 14:24 Статья действительно является прорывом в области согласования ант...  --  Александр, RA3A...
18.12.2006 14:24 Цель, поставленная автором, и интеллектуальные усилия, затраченны...  --  Vlad UR4III...
18.12.2006 11:25 честно признаюсь ... не осилил статью.... только пробежался и ухв...  --  Николай, UA9XTL...
18.12.2006 08:54 Здравствуйте, Сергей (EX8A)! Спасибо за хороший отзыв о статье. ...  --  Виталий RZ3TJ...
17.12.2006 15:33 Дорогой Виталий! Спасибо Вам огромное за статью! Это настоящий пр...  --  Сергей, ЕХ8А...
17.12.2006 12:41 интересно а как 22 нГн получать отрезочек проводочка ИМХО...  --  ra1tex
17.12.2006 06:03 До практической реализации пока дело не дошло. Нужен хороший анте...  --  Виталий RZ3TJ...
17.12.2006 03:01 Ну раз Гончаренко так считает значит не получится, он же Бог!...  --  Vic
17.12.2006 01:30 А Гончаренко Вы за что благодарите, Виталий? :) Ведь на Hz он т...  --  Сергей
17.12.2006 00:08 Замечательная статья, только практической реализации не видно......  --  ra3apq

Возврат