Непосредственно к передатчику можно подключить только антенно-фидерное устройство, входное сопротивление которого обеспечивает его нормальную работу. Питание большинства антенн, применяемых в настоящее время радиолюбителями-коротковолновика-ми, осуществляется с помощью коаксиального кабеля с КСВ, близким к 1 (обычно не более 2). Имеющиеся в выходных каскадах ламповых усилителей мощности устройства связи с антенной обеспечивают возможность согласования с такими антенно-фидерными устройствами, т. е. передачу максимальной выходной мощности в антенну. Транзисторные усилители мощности могут не иметь органов регулировки согласования с антенной и требуют подключения к ним фидера с КСВ не более 1,1 ... 1,2. Поэтому между антенно-фидерным устройством с большим КСВ и любым передатчиком и между передатчиком, рассчитанным на работу с определенным согласованным фидером (на активную нагрузку 50 или 75 Ом), и любым антенно-фидерным устройством необходимо включить устройство согласования. Для контроля настройки устройства согласования между передатчиком и входом антенны включают измеритель КСВ, как это показано на рис. 3.11. При этом КСВ-метр должен работать при полной выходной мощности передатчика. Схема подключения устройства согласования рис. 3.11 отличается от обычно приводимых схем в учебниках по антенно-фидерным устройствам, где устройство согласования включается между антенной и фидером, обеспечивая минимальный КСВ, а следовательно, и потери в фидере. В практике радиолюбителей-коротковолновиков согласование антенны с фидером достигается включением его в точки питания антенны, сопротивление между которыми близко к волновому сопротивлению фидера или использованием простейших трансформаторов сопротивлений между антенной и фидером. А в некоторых типах KB радиолюбительских антенн применяются фидеры, рассогласованные с антенной, такие сооружения радиолюбители называют антеннами с питанием стоячей волной. При применении в этих антеннах фидерных линий с малыми потерями (например, воздушных двухпроводных симметричных линий) КПД антенно-фидерного устройства, как было показано выше, сохраняется достаточно высоким.
Согласующее устройство, трансформирующее входное сопротивление антенны в активное сопротивление, близкое к 75 Ом, оказывается полезным и при приеме. Оно обеспечивает оптимальное согласование входной цепи приемника (обычно рассчитанной на подключение коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 ... 75 Ом) и, следовательно, реализацию полной чувствительности приемника.
Используемые радиолюбителями согласующие устройства (в частности, и описанные ниже) полезны и для улучшения фильтрации побочных излучений передатчика и являются хорошим средством защиты от помех телевизионному приему.
На рис.3.12 приведена схема универсального согласующего устройства, предназначенного для работы с несимметричным антенно-фидерным устройством (антенна, питаемая коаксиальным кабелем, антенна типа «длинный провод» с заземлением и т.п.). Это устройство обеспечивает возможность согласования передатчика, рассчитанного на нагрузку 50 или 75 Ом, с антенной, имеющей активную составляющую входного сопротивления от 10 до 1000 Ом и индуктивную или емкостную реактивную составляющую входного сопротивления до 500 Ом. Диапазон рабочих частот 1,8 ... 30 МГц, подводимая мощность до 200 Вт. При необходимости работать с полной мощностью, разрешенной любительским KB радиостанциям, детали устройства (рис. 3.12) должны быть рассчитаны на работу при ВЧ напряжениях, достигающих 3000 В, - зазоры между пластинами С1 должны быть не менее 3 мм, расстояния между контактами переключателей не менее 10 мм. При работе с меньшими мощностями или при согласовании антенн, питаемых коаксиальными кабелями при КСВ не более 3, достаточно использовать С1 с зазором 0,5 мм (сдвоенный конденсатор переменной емкости от старых радиовещательных приемников) и обычные галетные керамические переключатели. Катушка L1 намотана на керамическом каркасе диаметром 50 мм медным проводом диаметром 1,5 мм. Считая от конца, соединенного с XS1, она содержит: два витка с шагом 5 мм, конца, соединенного с XS1, она содержит: два витка с шагом 5 мм, два витка с шагом 5 мм, три витка с шагом 3 мм, три витка с шагом 3 мм, пять витков с шагом 3 мм, пять витков с шагом 3 мм и пять секций по семь витков с шагом 2 мм.
Переключатель SA1 регулирует индуктивность катушки LI. Переключатель SA2 изменяет схему согласования: в показанном на рис. 3.12 положении SA2 конденсатор С1 подключен между выходом передатчика и корпусом, a L1 - между выходом передатчика и антенной.
При этом обеспечивается согласование антенн, имеющих низкое входное сопротивление.
В следующем (по схеме) положении SA2 конденсатор С1 подключается между антенной и корпусом, a L1 остается включенной между выходом передатчика и антенной. В таком положении SA2 обеспечивается согласование антенн, имеющих высокое входное сопротивление. В последнем (по схеме) положении SA2 элементы С1 и L1 включаются последовательно между выходом передатчика и антенной, что позволяет скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления антенны без трансформации его активной составляющей.
Схему рис. 3.12 можно применить и для связи передатчика с несимметричным выходом (под коаксиальный кабель) с симметричной антенной. Для этого между XS2 и антенной необходимо включить симметрирующий трансформатор (рис. 3.13).
Соединитель XS1 подключается к антенному выходу согласующего устройства по схеме рис. 3.12, а к XS2 и XS3 подключаются провода симметричного кабеля, питающего антенну. Трансформатор Т1 можно выполнить на тороидальном ферритовом магнитопроводе с магнитной проницаемостью 70 ... 200, диаметром около 100 мм и сечением не менее 2 см2. Обмотка выполняется проводом во фторопластовой изоляции, сечение провода не менее 2 мм2 (можно использовать медный провод, пропущенный в фторопластовую трубку или медный провод с любой другой высокочастотной изоляцией, рассчитанной на напряжение до 3000 В). Обмотку выполняют двумя проводами, скрученными с шагом около 15 мм на одно перекрещивание проводов. Число витков 2x15, начало одного провода соединяют с концом другого, образуя заземляемый отвод трансформатора. Следует учитывать, что в зависимости от входного сопротивления антенны и материала сердечника число витков Т1 возможно придется подобрать. Кроме того, магнитопровод трансформатора может стать источником потерь и нелинейных искажений сигнала, приводящих к появлению побочных составляющих сигнала передатчика в антенне при их отсутствии на его выходе.
Более надежным для работы с симметричной антенной является согласующее устройство, собранное по схеме рис. 3.14. Как и устройство, показанное на рис. 3.12, оно рассчитано на подводимую мощность до 200 Вт в диапазоне 1,8 ... 30 МГц. Конденсатор С1 должен иметь зазор между пластинами не меньшее 0,5 мм, а С2 - не меньшее 2 мм. Катушка L1 намотана на керамическом каркасе диаметром 50 мм. От заземляемого отвода в обе стороны ведется намотка медным проводом диаметром 1,2 мм. Первые десять витков в обе стороны от отвода наматываются с шагом 4 мм, далее еще по 20 витков с шагом 3 мм. От каждого витка катушки делается отвод (его удобно выполнить в виде лепестка из медной фольги). Отводы располагаются равномерно по окружности катушки так, что к любому из них легко подключить выводы, соединяющие L1 с устройствами. На каждом диапазоне необходимо подобрать положение подключений соединителей XS2 и SS3 (связь с антенной) и индуктивность L1 закорачивающими перемычками. При этом число положений подключения фидера и число действующих витков с каждой стороны L1 от заземленного отвода должно быть одинаковым. Отвод, подключающий к L1 конденсатор С1 , регулирует связь согласующего устройства с передатчиком. Конденсатор С1 настраивает в резонанс цепь связи с передатчиком, а С2 - цепь связи с антенной. Выполнение регулировки согласующих устройств, сделанных по схемам рис. 3.12 и 3.14 дело трудоемкое. Большое число имеющихся в этих схемах органов настройки позволяет в кабеле, идущем к передатчику, добиться КСВ, близкого к 1. Так как при произвольном положении органов настройки согласующих устройств передатчик может оказаться резко рассогласованным с нагрузкой, регулировку согласования с антенной надо начинать при минимальной мощности передатчика.
Можно использовать на каждом диапазоне (или только на диапазонах, где КСВ в фидере антенны велико) отдельные согласующие устройства, выполненные на основе схем рис. 3.12 и 3.14.
Устройство, собранное по схеме рис. 3.14, позволяет добиться согласования передатчика с антенной при различных установках отводов регулировки связи передатчика и антенны При слабой связи с обоих сторон повышается фильтрующее действие согласующего устройства, но снижается его КПД в процессе эксплуатации радиостанции можно подобрать оптимальные связи в согласующем устройстве, при которых полностью отсутствует проявление побочных излучений при достаточно малых потерях в нем При работе с симметричной антенной целесообразно проверить, выполняется ли в действительности ее симметричное питание Для этого замеряются ВЧ напряжения на проводах фидера по отношению к корпусу передатчика. Их значения должны быть равны с точностью не хуже ±2%.
В радиолюбительской коротковолновой связи в качестве передающей антенны используется «длинный провод». Выражение - антенна в виде длинного провода - означает, что длина провода больше, чем длина рабочей волны, и, следовательно, антенна возбуждается на гармониках ее собственной длины волны. Рассмотрим подробнее свойства и конструктивные особенности антенны в виде длинного провода.
Сооружение антенны в виде длинного провода достаточно просто и не требует больших затрат, но сама антенна занимает много места, так как пропорционально длине антенны увеличивается ее эффективность. При соответствующем подборе размеров антенны и фидера антенна может служить в качестве коротковолновой широкодиапазонной антенны.
Необходимая длина антенны в виде длинного провода определяется по формуле $$l=\frac{150 \cdot (n-0,05)}{f},$$
где l - искомая длина, м ;
n - число полуволн рабочей волны;
f - рабочая частота, Мгц .
Из диаграммы направленности полуволнового вибратора (рис. 1-9) видно, что максимум излучения направлен перпендикулярно оси антенны.
С увеличением длины антенны направление основного лепестка диаграммы направленности все больше и больше приближается к оси антенны. Одновременно увеличивается и интенсивность излучения в направлении основного лепестка. На рис. 2-1 изображены диаграммы направленности антенн, имеющих различную длину.
Особенно заметно, что с увеличением длины антенн появляются боковые лепестки. Такая многолепестковость диаграммы направленности не является существенным недостатком антенн в виде длинного провода, так как они все же сохраняют более или менее удовлетворительную круговую диаграмму направленности, дающую возможность устанавливать связь почти во всех направлениях. Кроме того, в направлении основного излучения достигается значительное усиление, которое увеличивается по мере увеличения длины антенны. Характерной чертой этих антенн, особенно полезной для связей на большие расстояния, является то, что они имеют небольшие вертикальные углы излучения. На рис. 2-2 приведен график, по которому можно определить теоретическое усиление антенны в децибелах (кривая I ), угол между направлением основного излучения и плоскостью подвеса антенны (кривая III ), а также сопротивление излучения антенны, отнесенное к току в пучности (кривая II ).
Нужно определить: а) необходимую длину провода для 4λ антенны; б) ожидаемое усиление антенны в направлении максимума основного лепестка; в) сопротивление излучения и направление максимума основного лепестка.
Длина провода определяется по формуле
$$l[м]=\frac{150 \cdot (n-0,05)}{f[Мгц]}.$$
Так как на 4λ антенне может разместиться 8 полуволн, то n = 8. Средняя частота 20-м диапазона 14,1 Мгц .
$$l[м]=\frac{150 \cdot (8-0,05)}{14,1}=\frac{1192,5}{14,1}\approx 84,57 м.$$
Таким образом, длина провода составляет 84,57 м.
Из рис. 2-2 находим, что при длине антенны 4λ (точка пересечений с кривой I ) следует ожидать усиления антенны в направлении максимума основного лепестка около 3 дб .
Сопротивление излучения при этом 130 ом (кривая II), а угол между направлением основного лепестка диаграммы направленности и плоскостью подвеса антенны (кривая III) равен 26°.
Так как антенна подвешена в направлении восток - запад, что соответствует 270°, то, как видно из рассмотрения рис. 2-1, основные максимумы диаграммы направленности имеют следующие направления:
270 + 26 = 296°,
270 - 26 = 244°,
Определив направления основного излучения, можно по карте мира в конической равноугольной проекции найти те районы, с которыми может быть достигнута наиболее устойчивая связь при использовании рассмотренной выше антенны.
Диаграммы направленности (рис. 2-1) представляют собой идеализированные теоретические диаграммы и на практике всегда претерпевают некоторые изменения. Например, заметная деформация диаграммы направленности имеет место, когда вибратор возбуждается на одном из его концов, т. е. питание антенны несимметричное. Для наглядности на рис. 2-3 приведена диаграмма направленности 2λ антенны в виде длинного провода в горизонтальной плоскости при симметричном и несимметричном питании. При возбуждении антенны на одном из ее концов (диаграмма изображена штриховой линией) диаграмма направленности также становится несимметричной, причем максимум излучения перемещается в направлении открытого конца антенны, а лепестки излучения, находящиеся в направлении конца антенны, с которого производится возбуждение антенны, ослабляются. Подобная деформация диаграммы направленности возникает во всех антеннах с несимметричным питанием. Следовательно, антенна в виде длинного провода дает основное излучение в направлении открытого конца. Дальнейшая деформация диаграммы направленности происходит в случае, если антенна либо наклонена по отношению к земле, либо расположена над наклонным участком. Если открытый конец антенны наклонен или же антенна подвешена над наклонной поверхностью (рис. 2-4), то в направлении, указанном на рисунке стрелкой, в любительских коротковолновых диапазонах могут быть установлены дальние связи.
При установлении связей на больших расстояниях особенное значение имеет направление основного лепестка диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. Как уже упоминалось, для дальних связей особенно благоприятным является «плоское» излучение, т. е. небольшие вертикальные углы излучения. В частности, для каждого из любительских диапазонов наиболее благоприятные средние углы вертикального излучения составляют: 80-м диапазон - 60°; 40-м - 30°; 20 -м - 15°; 15-м - 12° и 10-м - 9°.
Антенны в виде длинного провода имеют пологие углы вертикаль ного излучения в случае большой высоты подвеса провода. Например, при высоте подвеса, равной 2λ, вертикальный угол излучения составляет 10°, а при высоте 0,5λ - около 35°. При меньших высотах подвеса антенны уменьшение вертикального угла излучения и, следовательно, увеличение возможности дальних связей может быть достигнуто, как уже отмечалось выше, за счет наклона вибратора.
Самая простая из антенн коротковолнового диапазона L-образная антенна. По своему внешнему виду она мало чем отличается от радиовещательных антенн средневолнового диапазона (рис. 2-5). Ее общая длина l (до антенного зажима подсоединяемого устройства) должна составлять по меньшей мере λ/2. Эту антенну можно использовать как многодиапазонную, если она рассчитана как полуволновая антенна для диапазона 80 м . В этом случае антенна представляет собой для диапазона 40 м 1λ антенну, для 20 м - 2λ антенну, для 15 м - 3λ антенну и для 10-м диапазона - 4λантенну.
К сожалению, сказанное выше не совсем верно. Когда по формуле $$l[м]=\frac{150 \cdot (n-0,05)}{f[Мгц]}$$ определяется длина полуволновой антенны для f = 3 500 кгц, то имеем: $$l[м]=\frac{150 \cdot 0,95}{3,5}=40,71 м.$$
Однако полуволновая антенна для частоты 7 Мгц по той же формуле должна иметь длину $$l[м]=\frac{150 \cdot 1,95}{7}=41,78 м.$$
Таким образом, полуволновая антенна короче требуемого значения более чем на 1 м .
Из приводимого ниже сравнения видно, что полуволновая антенна, рассчитанная для 3 500 кгц , в случае использования ее на высших гармониках расчетной частоты, соответствующих любительским диапазонам, в каждом случае короче необходимого значения.
Таким образом, когда нормальная L-антенна используется в качестве многодиапазонной, следует учитывать, что она может быть точно рассчитана только для одного диапазона, а в остальных диапазонах полное согласование получено быть не может.
На практике длина антенны, равная 42,2 м , является достаточно хорошим компромиссным решением, так как в этом случае резонансная частота антенны расположена в пределах диапазонов 10, 15 и 20 м (f соответственно равна 14 040 кгц , 21 140 кгц , 28 230 кгц ), а для диапазона 40 и 80 м такая антенна имеет длину, большую необходимой. Применение рассмотренной антенны в качестве вседиапазонной антенны, конечно, следует понимать как вспомогательное решение.
Это связано с тем, что в густонаселенных районах вследствие того, что L-образная антенна излучает по всей своей длине, включая подводящий фидер, могут возникнуть сильные помехи радиовещательным приемникам. Часто предлагаемый способ связи антенны с колебательным контуром оконечного каскада через высоковольтный конденсатор (рис. 2-6) может в лучшем случае уменьшить излучение высших гармоник только у станций небольшой мощности.
По многочисленным просьбам радиолюбителей-путешественников и радиолюбителей-дачников, в этой статье, мы опять будем говорить про пешеходные радиоэкспедиции и продолжим изучать возможности проведения связей на КВ, при минимальном весе антенной системы и простой конструкции. Эти антенны испытывались с трансивером FT-817 и тюнером MFJ-902.
...про провод
Сначала определимся, какими свойствами должна обладать проволока из которой мы будем делать антенну. Первое материал, в нашем случае, для создания эффективного излучателя подходит медь. Причём не просто медный провод, а медный провод в изоляции. Диаметр этого провода доолжен быть в переделах 1.5 - 2.5мм, Более тонкий порвётся при сильном ветре, а толстый будет неоправданно тяжёлым. Обратите внимание, что провод должен быть не сильно мягким и не жёстким. Сейчас, можно без труда подобрать провод отвечающий этим условиям.
На фотографиях вы видите три удачных варианта провода в изоляции. Второй вопрос, на который нам предстоит ответить: "Какой длины должен быть провод?" Это зависит от КВ диапазона, но нам нужна антенна которая может работать с достаточной эффективностью на всех диапазонах. Определимся с приоритетами, радиоэкспедиции в первую очередь выбирают диапазоны 7МГц и 14МГц. Поэтому будем ориентироваться на них, чтобы получить хорошие параметры. Исходя из этого, можно сразу сказать что длина провода, должна быть не менее 9 и не более 21 метра. Почему так, понятно? Нам нужна антенна без противовесов, это значит её длина должна быть ½λ или 1λ. Более длинная, это лишний вес, более короткая - низкая эффективносить.
Если во время радиоэкспедиции, вы планируете работать в основном на 14 - 28Мгц - берите кусок провода длиной около 10 метров. С ним в сможете проводить ближние и дальние QSO на 14Мгц и вполне прилично работать на 18 - 28Мгц, а при необходимости перейти на 7Мгц, хотя эффективность здесь будет не высокой, но тем не менее это ¼λ на 7Мгц и работать она будет.
С куском проволоки длиной около 20 метров, вы можете эффективно работать на 14 и 7Мгц, а также на всех ВЧ-диапазонах до 29Мгц и проводить местные QSO на 3.6Мгц. Замечу, что если условия позволят подвесить один конец провода на высоте не менее 10 метров, то на 3.6Мгц вы сможете проводить и дальние связи.
...как вешать будем?
С проводом и его длиной опеределились, теперь нужно разобраться как вешать кусок провода в пространстве, чтобы максимально эффективно работать малой мощностью (а мы используем FT-817)
на КВ диапазонах.
Классический вариант подвеса антенн такого типа, это наклонный лучь. Один конец цепляем за дерево, на максимально возможной высоте (обычно 3 - 6 метров). Этот вариант вы видите на картинке. В сторону наклона наблюдается совсем небольшая направленность. Чтобы повысить эффективность антенны, при длине провода 20 метров, можно использовать дополнительную мачту из удилища или палки, как показано на картинке.
 |
 |
|
 |
 |
|
 |
 |
На средней картинке справа, направление излучения будет иметь небольшой максимум в противоположную сторону от наклона луча. На нижней картинке слева, в диапазоне 14Мгц, мы получаем прижатый лепесток и небольшое усиление. На 7МГц, такой вариант работает как и полуволновой вибратор, только запитанный скраю, а не в центре.
Особенность всех этих антенн (на основе длинного провода), в том что излучают они одновременно как горизонтальную так и вертикальную поляризацию. При небольшой мощности передатчика (5Вт), это скорее минус, потому что излучение неравномерно делится между поляризациями и соответственно уменьшается в каждой из них.
Могут ли антенны типа лучь, соперничать с диполями и штырями? И да и нет, лучь проще и быстрее повесить, чем диполь. Эффективность лучей чуть ниже (при одинаковой высоте подвеса), только за счёт излучения двух поляризаций. В реальном эфире, при определённых условиях это может быть незаметно.
Важное приемущество лучей - многодиапазонность, без каких-либо переключениё и коммутаций. В заключении, несколько общих советов, которые помогут вам получить максимальную эффективность антенной системы:
Если вы идёте в известное место, где есть опора на которую можно поднять один конец провода, то мачту (удилище) можно не брать.
UA6HJQ
http://ua6hjq.qrz.ru/ant/kusok.htm
Современная приемо-передающая транзисторная техника, как правило, имеет широкополосные тракты, входные и выходные сопротивления которых составляют 50 или 75 Ом. Поэтому для реализации заявленных параметров такой аппаратуры требуется обеспечить активную нагрузку сопротивлением 50 или 75 Ом как для приемной, так и для передающей частей. Акцентирую внимание на том, что для приемного тракта также требуется согласованная нагрузка!
Конечно, в приемнике это никак ни на ощупь, ни на цвет или вкус без приборов не заметить. По-видимому, из-за этого некоторые коротковолновики "с пеной у рта" отстаивают преимущества старых РПУ типа Р-250, "Крот" и им подобных перед современной техникой. Старая техника чаще всего комплектуется подстраиваемой (или перестраиваемой) входной цепью, с помощью которой можно согласовать РПУ с проволокой-антенной с "КСВ=1 почти на всех диапазонах".
Если радиолюбитель действительно хочет проверить качество согласования цепи "вход трансивера - антенна", ему достаточно собрать примитивнейшее согласующее устройство (СУ), например, П-контур, состоящий из двух КПЕ с максимальной емкостью не менее 1000 пФ (если предполагается проверка и на НЧ-диапазонах) и катушки с изменяемой индуктивностью. Включив это СУ между трансивером и антенной, изменением емкости КПЕ и индуктивности катушки добиваются наилучшего приема. Если при этом номиналы всех элементов СУ будут стремиться к нулю (к минимальным значениям) - можете смело выбросить СУ и со спокойной совестью работать в эфире и дальше, по крайней мере, слушать диапазоны.
Для тракта передатчика отсутствие оптимальной нагрузки может окончиться более печально. Рано или поздно ВЧ-мощность, отраженная от рассогласованной нагрузки, находит слабое место в тракте трансивера и "выжигает" его, точнее, такой перегрузки не выдерживает какой-нибудь из элементов. Конечно, можно и ШПУ изготовить абсолютно надежным (например, с транзисторов снимать не более 20% мощности), но тогда по стоимости он будет, сопоставим с узлами дорогой импортной техники.
Например, 100-ваттный ШПУ, производимый в США в виде набора для трансивера К2, стоит 359 USD, а тюнер для него - 239 USD. И зарубежные радиолюбители идут на такие затраты, дабы получить "всего-то какое-то согласование", о котором, как показывает опыт автора этой статьи, не задумываются многие наши пользователи транзисторной техники... Мысли о согласовании трансивера с нагрузкой в головах таких горе радиолюбителей начинают возникать только после случившейся аварии в аппаратуре.
Ничего не поделаешь - таковы сегодняшние реалии. Экзамены при получении лицензий и повышении категории любительской радиостанции зачастую проводятся формально. В лучшем случае у претендента на лицензию проверяется знание телеграфной азбуки. Хотя в современных условиях, на мой взгляд, целесообразно больший акцент делать на проверку технической грамотности - поменьше было бы "групповух для работы на даль" и "рассусоливаний" по поводу преимуществ UW3DI перед "всякими Айкомами и Кенвудами".
Автора статьи радует тот факт, что все реже и реже на диапазонах слышны разговоры о проблемах при работе в эфире с транзисторными усилителями мощности (например, появления TVI или низкой надежности выходных транзисторов). Компетентно заявляю, что если транзисторный усилитель правильно спроектирован и грамотно изготовлен, а при эксплуатации постоянно не превышаются максимальные режимы работы радиоэлементов, то он практически "вечен", теоретически, в нем ничего сломаться не может.
Обращаю внимание на то, что если постоянно не превышаются максимально допустимые параметры транзисторов, они никогда не выходят из строя. Кратковременную перегрузку, особенно транзисторы, предназначенные для линейного усиления в КВ-диапазоне, выдерживают достаточно легко. Изготовители мощных ВЧ-транзисторов проверяют надежность произведенного продукта таким способом - берется резонансный ВЧ-усилитель, и после того как на выходе устанавливаются оптимальный режим и номинальная мощность, вместо нагрузки подключают испытательное устройство. Элементы настройки позволяют менять активную и реактивную составляющие нагрузки.
Если в оптимальном режиме нагрузка связана с испытуемым транзистором через линию с волновым сопротивлением 75 Ом, то обычно в рассматриваемом устройстве отрезок линии замыкается резистором сопротивлением 2,5 или 2250 Ом. При этом КСВ будет равен 30:1. Такое значение КСВ не позволяет получить условия от полного обрыва до полного короткого замыкания нагрузки, но реально обеспечиваемый диапазон изменений достаточно близок к этим условиям.
Завод-изготовитель гарантирует исправность транзисторов, предназначенных для линейного усиления КВ-сигнала, при рассогласовании нагрузки 30:1 в течение не менее 1 с при номинальной мощности. Этого времени вполне достаточно для срабатывания защит от перегрузки. Работа усилителя мощности при таких значениях КСВ не имеет смысла, т.к. эффективность практически "нулевая", т.е. речь, конечно, идет об аварийных ситуациях.
Для решения проблемы согласования приемо-передающей аппаратуры с антенно-фидерными устройствами существует довольно дешевый и простой способ - применение дополнительного внешнего согласующего устройства. Хотелось бы акцентировать внимание счастливых пользователей "буржуинской" техники, не имеющей антенных тюнеров (да и самодеятельных конструкторов тоже), на этом очень важном вопросе.
Вся промышленная приемо-передающая аппаратура (и ламповая в том числе) комплектуется не только фильтрующими, но и, дополнительно, согласующими блоками. Возьмите, к примеру, ламповые радиостанции Р-140, Р-118, Р-130 - у них согласующие устройства занимают не менее четверти объема станции. А транзисторная широкополосная передающая техника вся, без исключения, комплектуется такими согласователями.
Изготовители идут даже на увеличение себестоимости этой техники - комплектуют автоматическими СУ (тюнерами ). Но эта автоматика предназначена для того, чтобы обезопасить радиоаппаратуру от бестолкового пользователя, который смутно себе представляет, что и зачем он должен крутить в СУ. Предполагается, что радиолюбитель с позывным обязан иметь минимальное представление о процессах, происходящих в антенно-фидерном устройстве его радиостанции.
В зависимости от того, какие антенны применяются на любительской радиостанции, можно использовать то или иное согласующее устройство. Заявление некоторых коротковолновиков о том, что они применяют антенну, КСВ которой почти единица на всех диапазонах, поэтому СУ не требуется, показывает отсутствие минимальных знаний по этой теме. "Физику" здесь еще никому не удалось обмануть - никакая качественная резонансная антенна не будет иметь одинаковое сопротивление ни внутри всего диапазона, ни тем более на разных диапазонах.
Что и происходит чаще всего - устанавливается или "инвертед-V" на 80 и 40 м, или рамка с периметром 80 м, а в худшем случае бельевая веревка используется в качестве "антенны". Особенно "талантливые" изобретают универсальные штыри и "морковки", которые, по безапелляционным заверениям авторов, "работают на всех диапазонах практически без настройки!"
Настраивается такое сооружение в лучшем случае на одном-двух диапазонах, и все - вперед, "зовем - отвечают, что еще больше нужно?" Печально, что для увеличения "эффективности работы" таких антенн все поиски приводят к "радиоудлинителям" типа выходного блока от Р-140 или Р-118. Достаточно послушать любителей "работать в группе на даль" ночью на 160 и 80-метровых диапазонах, а в последнее время такое можно уже встретить на 40 и 20 м.
Если антенна имеет КСВ = 1 на всех диапазонах (или хотя бы на нескольких) - это не антенна, а активное сопротивление, или тот прибор, которым измеряется КСВ, "показывает" окружающую температуру (которая в комнате обычно постоянна).
Не знаю - удалось или нет мне убедить читателя в том, что применять СУ требуется обязательно, но, тем не менее, перейду к описанию конкретных схем таких устройств. Их выбор зависит от применяемых на радиостанции антенн. Если входные сопротивления излучающих систем не опускаются ниже 50 Ом, можно обойтись примитивным согласующим устройством Г-образного типа - рис.1, т.к. оно работает только в сторону повышения сопротивления. Для того чтобы это же устройство "понижало" сопротивление, его необходимо включить наоборот, т.е. поменять местами вход и выход.
Автоматические антенные тюнеры почти всех импортных трансиверов выполнены по схеме, показанной на рис.2. Антенные тюнеры в виде отдельных устройств фирмы изготавливают чаще по другой схеме (рис.3). Описание этой схемы можно найти, например, в . Во всех фирменных СУ, изготовленных по этой схеме, имеется дополнительная бескаркасная катушка L2, намотанная проводом диаметром 1,2...1,5 мм на оправке диаметром 25 мм. Число витков - 3, длина намотки - 38 мм.
С помощью двух последних схем можно обеспечить КСВ = 1 практически на любой кусок провода. Однако не забывайте - КСВ = 1 говорит о том, что передатчик имеет оптимальную нагрузку, но это ни в коей мере не означает высокую эффективность работы антенны. С помощью СУ, схема которого приведена на рис.2, можно согласовать щуп от тестера в качестве антенны с КСВ = 1, но, кроме ближайших соседей, эффективность работы такой "антенны" никто не оценит. В качестве СУ можно использовать и обычный П-контур - рис.4. Достоинство такого решения - не требуется изолировать КПЕ от общего провода, недостаток - при большой выходной мощности трудно найти переменные конденсаторы с требуемым зазором.
При применении на станции более или менее настроенных антенн и в том случае, когда не предполагается работа на 160 м индуктивность катушки СУ может не превышать 10...20 мкГн. Очень важно, чтобы имелась возможность получения малых индуктивностей до 1 ...3 мкГн.
Шаровые вариометры для этих целей обычно не подходят, т.к. индуктивность перестраивается в меньших пределах, чем у катушек с "бегунком". В фирменных антенных тюнерах применяются катушки с "бегунком", у которых первые витки намотаны с увеличенным шагом - это сделано для получения малых индуктивностей с максимальной добротностью и минимальной межвитковой связью.
Достаточно качественное согласование можно получить, применяя в СУ "вариометр бедного радиолюбителя". Это две последовательно включенные катушки с переключением отводов (рис.5). Катушки - бескаркасные, и содержат по 35 витков провода диаметром 0,9...1,2 мм (в зависимости от предполагаемой мощности), намотанного на оправке 020 мм.
После намотки катушки сворачивают в кольцо и отводами припаивают на выводы обычных керамических переключателей на 11 положений. Отводы у одной катушки следует сделать от четных витков, у другой - от нечетных, например - от 1,3,5,7,9,11, 15,19, 23, 27-го витков и от 2,4, 6, 8,10, 14,18,22,28,30-го витков. Включив две такие катушки последовательно, можно переключателями подобрать требуемое количество витков тем более, что для СУ не особенно важна точность подбора индуктивности. С главной задачей - получением малых индуктивностей - "вариометр бедного радиолюбителя" справляется успешно.
Чтобы этот самодельный тюнер по своим возможностям квазиплавной настройки приближался к "буржуинским" антенным тюнерам, например, АТ-130 от ICOM или АТ-50 от Kenwood, придется вместо одного галетного переключателя ввести закорачивание отводов катушки "релюшками", каждая из которых будет включаться отдельным тумблером. Семи "релюшек", коммутирующих семь отводов, будет достаточно, чтобы смоделировать "ручной АТ-50".
Пример релейной коммутации катушек приведен в . Зазоры между пластинами в КПЕ должны выдерживать предполагаемое напряжение. Если применяются низкоомные нагрузки, при выходной мощности до 200...300 Вт можно обойтись КПЕ от старых типов РПУ. Если высокоомные - придется подобрать КПЕ с требуемыми зазорами (от промышленных радиостанций).
Подход при выборе КПЕ очень прост - 1 мм зазора между пластинами выдерживает напряжение 1000 В. Предполагаемое напряжение можно найти по формуле U = Ц P/R , где:
На радиостанции обязательно должен быть установлен переключатель, при помощи которого трансивер отключается от антенны в случае грозы (или в выключенном состоянии), т.к. более 50% случаев выхода из строя транзисторов связаны с наводкой статического электричества. Переключатель можно смонтировать или в антенном коммутаторе, или в СУ.
П-образное согласующее устройство
Итогом различных опытов и экспериментов по рассмотренной выше теме стала реализация П-образного "согласователя" - рис.6. Конечно, трудно избавиться от "комплекса схемы буржуинских тюнеров" рис.2 - эта схема имеет важное преимущество, заключающееся в том, что антенна (по крайней мере, центральная жила кабеля) гальванически развязана от входа трансивера через зазоры между пластинами КПЕ. Но безрезультатные поиски подходящих КПЕ для этой схемы вынудили отказаться от нее. Кстати, схему П-контура используют и некоторые фирмы, выпускающие автоматические тюнеры, например, американская КАТ1 Elekraft или голландская Z-11 Zelfboum.
Помимо согласования, П-контур выполняет еще и роль фильтра низких частот, что очень полезно при работе на перегруженных радиолюбительских диапазонах - вряд ли кто-то откажется от дополнительной фильтрации гармоник. Главный недостаток схемы П-образного согласующего устройства - необходимость применения КПЕ с достаточно большой максимальной емкостью, что наводит на мысль о причине, по которой такая схема не применяется в автоматических тюнерах импортных трансиверов. В Т-образных схемах чаще всего используются два КПЕ, перестраиваемые моторчиками. Понятно, что КПЕ на 300 пФ будет намного меньше размером, дешевле и проще, нежели КПЕ на 1000 пФ.
В схеме СУ, показанной на рис.6, применены КПЕ с воздушным зазором 0,3 мм от ламповых приемников. Обе секции конденсатора включены параллельно. В качестве индуктивности применена катушка с отводами, переключаемыми керамическим галетным переключателем.
Катушка - бескаркасная, и содержит 35 витков провода 00,9... 1,1 мм, намотанных на оправке 021...22 мм. После намотки катушка свернута в кольцо и своими короткими отводами припаяна к выводам галетного переключателя. Отводы сделаны от 2, 4, 7, 10, 14, 18, 22, 26 и 31-го витков.
КСВ-метр изготовлен на ферритовом кольце. Проницаемость кольца при работе на KB решающего значения, в общем-то, не имеет, в авторском варианте применено кольцо 1000НН с внешним диаметром 10 мм.
Кольцо обмотано тонкой лакотканью, а затем на него намотаны 14 витков провода ПЭЛ 0,3 (без скрутки, в два провода). Начало одной обмотки, соединенное с концом второй, образует средний вывод.
В зависимости от требуемой задачи (точнее, от того, какую мощность предполагается пропускать через СУ, и от качества светодиодов VD4 и VD5), можно использовать кремниевые или германиевые детектирующие диоды VD2 и VD3. При использовании германиевых диодов можно получить более высокую чувствительность. Наилучшие из них - ГД507. Однако автор применяет трансивер с выходной мощностью не менее 50 Вт, поэтому в КСВ-метре отлично работают обычные кремниевые диоды КД522.
Как "ноу-хау", помимо обычной, на стрелочном приборе, применена светодиодная индикация настройки. Для индикации "прямой волны" используется светодиод VD4 зеленого цвета, а для визуального контроля за "обратной волной" - красного цвета (VD5). Как показала практика, это очень удачное решение - всегда можно оперативно отреагировать на аварийную ситуацию. Если во время работы в эфире что-то случается с нагрузкой, красный светодиод начинает ярко вспыхивать в такт с излучаемым сигналом.
Ориентироваться по стрелке КСВ-метра менее удобно - не будешь же постоянно пялиться на нее во время передачи! А вот яркое свечение красного света хорошо заметно даже боковым зрением. Это положительно оценил Юрий, RU6CK, когда у него появилось такое СУ (к тому же, у Юрия плохое зрение). Уже более года и сам автор использует в основном только "светодиодную настройку" СУ, т.е. настройка "согласователя" сводится к тому, чтобы погас красный светодиод и ярко "полыхал" зеленый. Если уж и захочется более точной настройки, ее можно "выловить" по стрелке микроамперметра. В качестве микроамперметра применен прибор М68501 с током полного отклонения 200 мкА. Можно применить и М4762 - они устанавливались в магнитофонах "Нота", "Юпитер". Понятно, что С1 должен выдерживать напряжение, выдаваемое трансивером в нагрузку.
Настройка изготовленного устройства выполняется с использованием эквивалента нагрузки, который рассчитан на рассеивание выходной мощности каскада. Присоединяем СУ к трансиверу "коаксиалом" минимальной длины (насколько это возможно, т.к. этот отрезок кабеля будет использоваться в дальнейшей работе СУ и транисивера) с требуемым волновым сопротивлением, на выход СУ без всяких "длинных шнурков" и коаксиальных кабелей подключаем эквивалент нагрузки, выкручиваем все ручки СУ на минимум и выставляем при помощи С1 минимальные показания КСВ-метра при "отраженке". Следует заметить, что выходной сигнал передатчика не должен содержать гармоник (т.е. должен быть фильтрованный), в противном случае минимум можно и не отыскать. Если конструкция изготовлена правильно, минимум получается при емкости С1, близкой к минимальной.
Затем меняем местами вход и выход прибора и снова проверяем "баланс". Проверку осуществляем на нескольких диапазонах. Сразу предупреждаю, автор не в состоянии помочь каждому радиолюбителю, который не справился с настройкой описанного СУ. Если у кого-то не получается изготовить СУ самостоятельно, у автора данной статьи можно заказать готовое изделие. Всю информацию можно получить здесь .
Светодиоды VD4 и VD5 необходимо выбирать современные, с максимальной яркостью свечения. Желательно, чтобы светодиоды имели максимальное сопротивление при протекании номинального тока. Автору удалось приобрести красные светодиоды сопротивлением 1,2 кОм и зеленые - 2 кОм. Обычно зеленые светодиоды светятся слабо, но это и неплохо - ведь изготавливается не елочная гирлянда. Главное требование к зеленому светодиоду - его свечение должно быть достаточно отчетливо заметно в штатном режиме передачи. А вот цвет свечения красного светодиода, в зависимости от предпочтений пользователя, можно выбрать от ядовито-малинового до алого.
Как правило, такие светодиоды имеют диаметр З...3,5 мм. Для более яркого свечения красного светодиода применено удвоение напряжения - в схему введен диод VD1. По этой причине точным измерительным прибором наш КСВ-метр уже не назовешь - он завышает "отраженку". Если требуется измерять точные значения КСВ, необходимо применить светодиоды с одинаковым сопротивлением и сделать два плеча КСВ-метра абсолютно одинаковыми - или оба с удвоением напряжения, или без удвоения. Однако оператора скорее волнует качество согласования цепи "трансивер - антенна", а не точное значение КСВ. Для этого вполне достаточно светодиодов.
Предложенное СУ эффективно при работе с антеннами, запитанными через коаксиальный кабель. Автор испытывал СУ на "стандартные", распространенные антенны "ленивых" радиолюбителей - "рамку" периметром 80 м, "инвертед-V" - совмещенные 80 и 40 м, "треугольник" периметром 40 м, "пирамиду" на 80 м.
Константин, RN3ZF, (у него FT-840) применяет такое СУ со "штырем" и "инвертед-V" в том числе, и на WARC-диапазонах, UR4GG - с "треугольником" на 80 м и трансиверами "Волна" и "Дунай", a UY5ID с помощью описанного СУ согласовывает ШПУ на КТ956 с многосторонней рамкой периметром 80 м с симметричным питанием (используется дополнительный переход на симметричную нагрузку).
Если при настройке СУ не удается погасить красный светодиод (достичь минимальных показаний прибора), это может означать, что, помимо основного сигнала, в излучаемом спектре содержатся гармоники (СУ не в состоянии обеспечить согласование одновременно на нескольких частотах). Гармоники, которые по частоте располагаются выше основного сигнала, не проходят через ФНЧ, образуемый элементами СУ, отражаются, и на обратном пути "поджигают" красный светодиод. О том, что СУ "не справляется" с нагрузкой, может говорить только лишь тот факт, что согласование происходит при крайних значениях (не минимальных) параметров КПЕ и катушки, т.е. когда не хватает емкости или индуктивности. Ни у кого из указанных пользователей при работе СУ с перечисленными антеннами ни на одном из диапазонов таких случаев не отмечено.
СУ было испытано с "веревкой", т.е. с проволочной антенной длиной 41 м. Не следует забывать, что КСВ-метр является измерительным прибором только в случае обеспечения с обеих его сторон нагрузки, при которой он балансировался. При настройке на "веревку" светятся оба светодиода, поэтому за критерий настройки можно принять максимально яркое свечение зеленого светодиода при минимально возможной яркости красного. По-видимому, это будет наиболее верная настройка - по максимуму отдачи мощности в нагрузку.
Хотелось бы обратить внимание потенциальных пользователей данного СУ на то, что ни в коем случае нельзя переключать отводы катушки при излучении максимальной мощности. В момент переключения происходит разрыв цепи катушки (хотя и на доли секунды), и резко меняется ее индуктивность. Соответственно, подгорают контакты галетного переключателя и резко меняется сопротивление нагрузки выходного каскада. Переключать галетный переключатель необходимо только в режиме приема.
Информация для дотошных и "требовательных" читателей - автор статьи сознает, что КСВ-метр, установленный в СУ, не является прецизионным высокоточным измерительным прибором. Да такой цели при его изготовлении и не ставилось! Основная задача была - обеспечить трансиверу с широкополосными транзисторными каскадами оптимальную согласованную нагрузку, еще раз повторю - как передатчику, так и приемнику. Приемник, как и мощный ШПУ, в полной мере нуждается в качественном согласовании с антенной!
Кстати, если в вашем "радио" оптимальные настройки для приемника и передатчика не совпадают, это говорит о том, что настройка аппарата или вообще толком не производилась, а если и производилась, то, скорее всего, только передатчика, а полосовые фильтры приемника имеют оптимальные параметры при других значениях нагрузки.
КСВ-метр, установленный в СУ, покажет, что регулировкой элементов СУ мы добились параметров той нагрузки, которую присоединяли к выходу ANTENNA трансивера во время его настройки. Применяя СУ, можно спокойно работать в эфире, зная, что трансивер не "пыжится и молит о пощаде", а имеет почти ту же нагрузку, на которую его и настраивали. Разумеется, это не говорит о том, что антенна, подключенная к СУ, стала работать лучше. Не забывайте об этом!
Радиолюбителям, мечтающим о прецизионном КСВ-метре, могу рекомендовать изготовить его по схемам, приведенным во многих зарубежных серьезных изданиях, или купить готовый прибор. Но придется раскошелиться - действительно, приборы, выпускаемые известными фирмами, стоят от 50 USD и выше СВ - ишные польско-турецко-итальянские во внимание не беру. Удачная, хорошо описанная конструкция КСВ-метра приведена в .
А. Тарасов, (UT2FW) [email protected]
Литература:
