Согласователь антенного импеданса
Минуло полвека, а актуально…
ALLEN W. KING,*
W1CJL
QST May 1955
*инженер-проектировщик в Harvey-Wells Electronics, Inc., Southbridge, Mass.
Предлагаемая конструкция является, по сути дела, универсальным многодиапазонным антенным согласователем, пользоваться которым просто и удобно. Устройство включает в себя многодиапазонный контур с нехитрыми прибамбасами, которые позволяют работать в диапазоне 3,5…30 МГц, не используя переключателей, обеспечивая быструю и точную настройку на оптимальное согласование с помощью встроенного моста.
Когда переделка в согласующей с антенной схеме передатчика составляет проблему, то нужно предпринимать что-то вне передатчика. Работая с различными вседиапазонными согласователями в последние годы, автор решил попытаться использовать один из них в обратном включении, что дало интересные результаты. Антенный согласователь импеданса предназначен для использования с передатчиками, имеющими подводимую мощность до 250 Вт, и может согласовывать с 50-омным кабелем как реактивную, так и активную нагрузку в пределах от 10 до 2500 Ом. Согласователь работает в диапазоне от 3,5 до 30 МГц без переключения катушек. Одним из важных достоинств схемы является то, что согласование контролируется визуально с помощью мостового измерителя КСВ типа Micromatch. Дополнительными узлами согласователя, кроме многодиапазонного колебательного контура, являются встроенный 50-омный эквивалент нагрузки и измеритель выходной мощности, который не отключается – работает всё время, измеряя по выбору прямую или отражённую мощность, в зависимости от положения переключателя, расположенного на передней панели устройства. Обеспечиваются два выходных тракта: низкочастотный (3,5…7,3 МГц) и высокочастотный (14…30 МГц). Другой орган управления, из расположенных на передней панели, предназначен для выбора различных функций. Активная нагрузка в 50 Ом подключается в схему в его положении 1, тогда как положение 2 позволяет правильно подключить передатчик к согласователю. В положении 3, передатчик переключается к независимому
от согласователя 50-омному выходу, но позволяющему использовать измеритель мощности, при прямом питании 50-омной согласованной линии. Полная принципиальная схема согласователя показана на Рис. 1.
Как и в большинстве самодельных конструкций, некоторые детали могут быть заменены. Однако, расположение узлов устройства изменять не следует. Особенно, следует обратить внимание на монтаж индикатора прямой и отражённой мощности.
Рис. 1
Конструкция
Согласователь, показанный на фотографиях, встроен в шасси размерами 11 3/4 x 9 1/4 x 2 ½ дюйма, панель имеет размеры 12 ¼ х 6 3/4 inches. Такие, просто оказались под рукой, можно использовать и другие подходящие с крышками для защиты от пыли. Само шасси используется для отделения низкоимпедансных входных цепей от довольно высокоимпедансных выходных и, независимо от размеров шасси, это условие должно быть соблюдено.
Конденсатор связи C10 электрически не имеет прямой связи с шасси, поэтому монтируется на проходных изоляторах (типа Johnson 135-55), один из которых используется для осуществления электрического соединения через шасси с ротором С10. Этот конденсатор расположен за панелью и связан со шкалой с помощью изоляционной вставки, устраняющей паразитную ёмкость конденсатора (на шасси, относительно других деталей). Конденсатор C11 смонтирован в другом конце шасси и управление выведено наружу через панель с соблюдением симметрии. Катушки L2 и L4 смонтированы возле задней панели с размещёнными на ней выходными гнёздами, главным образом, потому, что эта секция является высокочастотной (14…30 МГц) и, прежде всего, длина соединительных проводов должна быть сведена к минимуму. Катушки L1 и L3 смонтированы под прямым углом к катушкам L2 и L4 для уменьшения взаимосвязи. На задней панели шасси расположены два соединителя типа FWH фирмы National и соединительная с шасси перемычка, прикреплённая с одной стороны к шасси с помощью винта и гайки, позволяющая оператору подключать как симметричные, так и несимметричные фидерные линии. Вместо двух выходных соединителей (НЧ и ВЧ), можно с успехом использовать и один, если применить переключающие антенны реле, хотя раздельные соединители, при раздельных антеннах, - удобнее. Два переключателя поворотного типа S1 и S2 расположены так, чтобы обеспечить симметрию панели и минимальные длины соединительных проводов к переключателю S2. Как можно видеть на фотоснимках, 50-омный эквивалент нагрузки смонтирован на стандартных зажимах предохранителя, “горячий” его конец расположен в непосредственной близости от керамического переключателя S2.
Эквивалент изолирован от шасси на “горячем” конце прокладочным блоком из феноловой пластмассы толщиной ¼ дюйма: однако, может быть использован такой же метод прохода через металлическую перегородку как в случае конденсатора С10. Заземляемый конец эквивалента приподнят над шасси, с целью обеспечения вида эстетически законченного монтажа. На фото с задней стороны устройства видны выходные зажимы, обозначенные как "parallel" (параллельный)
и "series" (последовательный). Они могли также быть названы как выводы “НЧ” и “ВЧ”. Мысль назвать их “параллельным” и “последовательным” подтверждается тем, что катушка контура на низкочастотных диапазонах соединяется параллельно, тогда как, на ВЧ диапазонах она включается в контур последовательно.
Мостовой КСВ-метр
Мостовой КСВ-метр состоит из двух мостов, подключенных друг к другу так, что можно определять падающую и отражённую мощность. Теория и практика везде искусно представлены где-то, но здесь мы с ними заниматься не будем [1]. Мост падающей мощности состоит из R1, C5, C6 и выходного импеданса передатчика, мост отражённой мощности состоит из R1, C1, C2 и нагрузки. Выходное напряжение с моста выпрямляется кристаллическими диодами. Путь для прохождения постоянного тока обеспечивается РЧ дросселем. Остальные детали используются для фильтрации РЧ. R1 состоит из 16 штук 10-омных композитных резисторов мощностью по ½ Вт, соединённых параллельно. Поскольку мост рассчитан на работу в частотном диапазоне 3…30 МГц, важно, чтобы использовались безиндуктивные резисторы. Для получения наилучших результатов, C1 и C5 должны быть кнопочного типа.
Они решительно лучше серебряно-слюдяных. Нет необходимости говорить, как важно делать соединения как можно короче, чтобы уменьшить влияние паразитной индуктивности выводов. Расположению узлов, показанных на фото, следует неуклонно следовать, поскольку из фото и так всё ясно, конструктивные подробности отсутствуют. При начальной настройке моста, установите переключатель S2 в положение с подключенным эквивалентом нагрузки, подайте РЧ колебания на входное гнёздо и установите конденсатором С2 нулевое показание прибора. Затем, временно, реверсируйте мост и установите нулевые показания конденсатором С6. Следом, вернитесь к начальным соединениям по входу-выходу и мост готов к калибровке.
Хорошая калибровка подразумевает сравнение с уже откалиброванным измерителем мощности или расчёт из величины РЧ тока в эквиваленте антенны, измеренной измерителем тока РЧ, включенном последовательно с нагрузкой.
Значения тока, при полном отклонении стрелки, можно установить (в трёх пределах) с помощью потенциометров R2, R3 и R4. Точная калибровка по мощности, при работе с согласователем, совсем не обязательна, поскольку мост и так работает прекрасно как в режиме согласования, так и при индикации мощности давая относительные показания (которые более важны).
Измеритель, используемый с мостом, имеет чувствительность по полному отклонению стрелки 200 мкА и, в нашем случае, новая шкала наносится на шкальную пластинку измерителя, предварительно снятую и перевёрнутую. Три шкалы, как видно на фото, можно нарисовать от руки (или использовать одну из современных технологий – UA9LAQ).
[1] Jones and Sonthenner, "The
Micromatch" QST, April, 1947. Также см., "Recent
Equipment" p. 43, QST, March, 1955
Работа с согласователем
Мост обеспечивает наглядность (в союзе с измерителем) при настройке согласователя, 50-омный эквивалент антенны (безиндуктивный резистор Globar) –
удобную нагрузку при настройке передатчика. Мы хотели получить устройство, рассчитанное на подводимую мощность (во времена написания статьи преимущественно пользовались понятием подводимая мощность = напряжение на оконечном приборе передатчика (лампе) х (анодный)
ток, проходящий через этот прибор, при рабочей раскачке оконечного каскада.
Выходная мощность, естественно, будет в кпд оконечного каскада раз меньше
– UA9LAQ) передатчика
до 250 Вт при 50-омной нагрузке передатчика, однако, определённая работа была проделана и по созданию 70-омной (эквивалент нашего нынешнего стандарта 75 Ом) версии устройства. Используемый здесь передатчик имеет на выходе П-контур и настройка осуществляется до обеспечения оптимальной приведённой нагрузки цепи анода лампы оконечного каскада в положении 1 переключателя S2, которое подключает к выходу 50-омный эквивалент антенны. Величину падающей (прямой) мощности можно считать с соответствующей шкалы измерителя. Отражённой мощности, в идеале, на резистивной (активной) нагрузке быть не должно. Соответствующий нужной шкале измерителя М1 для прямой мощности режим может быть выбран с помощью переключателя S1, в зависимости от выходной мощности передатчика. Как можно видеть на схеме и из фотографий, с помощью резисторов R2, R3 и R4 устанавливаются пределы измерения мощности: 0-10,
0-100 и 0-1000 Вт, в расчёте на всю шкалу. Калибровка отражённой мощности обеспечивается автоматически за счёт установок сопротивления резисторов R2, R3 и R4, при настройке измерителя в положении измерения прямой мощности. Здесь следует заметить, что передатчики, имеющие выходную мощность, превышающую 50 Вт, следует настраивать при пониженной мощности, поскольку эквивалент в устройстве рассчитан на 50 Вт и избыточная РЧ мощность может его сжечь. Но, вот, “эфирная” мощность, на которую рассчитан согласователь, намного больше 50 Вт. Антенна должна быть обязательно и надёжно присоединена к антенному выходу J3 или J4, в зависимости от диапазона. Переключатель S2, в этом случае, должен быть установлен в положение 2 и положения роторов конденсаторов (КПЕ) С10 и С11 должны быть выверены по минимуму отражённой мощности, согласно показаниям измерителя. Эти две настройки немного взаимозависимы, но последовательно работая ими, можно, довольно, быстро “убрать” отражённую энергию, обеспечив нулевые показания измерителя. Система готова к эксплуатации. При испытаниях с большим количеством антенн и резистивных нагрузок, отражённая мощность, во всех случаях, не превышала 1 Вт. Когда, при настройке согласователя будет получен минимум отражённой мощности, дальнейшую настройку или подстройку передатчика производить не следует, он уже был настроен на активную нагрузку. Положение ротора конденсатора настройки С11 должно быть близко к положению максимума на 3,5 и 14 МГц и близко к среднему на диапазоне 21 МГц. На диапазонах 7 и 28 МГц положение ротора близко к минимуму. Положение ротора КПЕ С10 зависит от импеданса нагрузки. В положении 3 переключателя S2 возможна “сквозная” работа на согласованную 50-омную передающую линию, минуя согласователь, но с использованием моста для индикации. Мост является отличным инструментом при подгонке длин элементов направленных антенн по минимуму отражённой мощности.
Полученные результаты
Согласователь используется на станции автора на протяжении последних месяцев, получены отличные результаты на всех диапазонах от 3,5 до 30 МГц. С этим согласователем используются два передатчика. Один из них - Harvey-Wells T-90 Bandmaster с подводимой мощностью 75…90 Вт имеет возможность работы телеграфом и телефоном.
Другой, - с парой ламп
4-65A на выходе, даёт подводимую мощность до 300 Вт, никаких пробоев конденсаторов, катушек индуктивности или Z-моста не наблюдается. В первом передатчике используется на выходе П-контур, и после настройки его на любом диапазоне на 50-омную нагрузку, не требуется никакой перестройки, после юстировки согласователя по минимуму отражённой мощности. Во втором передатчике используется вседиапазонный последовательный выходной контур и полученные результаты с согласователем эквивалентны полученным с первым передатчиком. Факт того, что не требуется перестраивать передатчик, после настройки согласователя на минимум отражённой мощности, указывает на определённое согласование импедансов. Хотя функции согласователя описаны как согласование линии передачи с коаксиальным кабелем, идущим к передатчику, но он полезен также и при согласовании фидера со входом приёмника. На станции автора одна и та же антенна используется на приём и передачу и принимаемые сигналы, при использовании согласователя, возрастают по уровню и только благодаря условию, что, наконец-то, к 50-омному входу приёмника подключается согласованная
по импедансу (50-омная) линия. Переключение приём – передача осуществляется в коаксиальной части антенного тракта. После работы с согласователями промышленного изготовления, не имеющими визуальных средств контроля за степенью согласования, мы удивляемся, как много, оказывается, теряем на несогласовании и, часто, надо думать, так как, после установки описываемого согласователя, процент установленных связей от вызывающих станций значительно увеличился, а скорость перестройки передатчика на другие антенны, другие диапазоны, позволила в соревнованиях достигать таких высоких результатов, которых до того и не видывали как в режиме телеграфа, так и в телефонном режиме.
Вид на панель антенного согласователя. Имеющий в своём составе встроенный мостовой измеритель падающей и отражённой мощности и эквивалент антенной нагрузки, согласователь содержит многодиапазонный резонансный колебательный контур в новой интерпретации, который служит для согласования коаксиального кабеля с передающей линией.
Переключатели, схема входа, мост и эквивалент нагрузки расположены под шасси. Три переменных резистора слева вверху – калибрационные настройки моста и последующей схемы. Резистор Globar, использованный в качестве эквивалента антенны, расположен вдоль правого края.
Многодиапазонная схема контура включает в себя КПЕ с раздельным статором, который расположен слева и две катушки с соединениями в центре. Связь управляется контуром и конденсатором, расположенными справа. Две конечные (выходные) схемы связаны с соединительными (проходными) катушками.
Детали
C1, C5 — Erie - кнопочного типа или эквивалентные.
C2,
C6
— Переменные трубчатые, 0,5…5 пФ (Erie - тип 532-08).
C3,
C4
— Слюдяные или керамические.
C7, C8, C9 — Дисковые, керамические.
C10 — 340 пФ - КПЕ (Bud 1529).
C11 — 250 пФ на секцию - КПЕ (Bud 1556)
R1
— 0,625 Ом, 8 Вт (16 шт по 10 Ом, 1/2 Вт – композиционные резисторы параллельно).
R2
— 2,5 кОм – угольный потенциометр.
R3
— 25 кОм – угольный потенциометр.
R4
— 50 кОм – угольный потенциометр.
R5 — 50 Ом, 50 Вт (тип Globar CX фирмы General Electric).
L1 — 3,4 мкГн; 7 3/4 витка провода No. 14, диаметр намотки 2 1/16 дюйма, длина намотки 1 ¼ дюйма.
L2
— 1,7 мкГн; 5 1/2 витка проводом No.14, диаметр намотки 2
1/16 дюйма, длина намотки 1 5/8 дюйма.
L3
— 2,35 мкГн; 6 1/2 витка проводом No.14, диаметр намотки 2 5/8 дюйма, длина намотки 5/8 дюйма.
L4
— 1,8 мкГн; 4 3/4 витка проводом No.14, диаметр намотки 2
5/8 дюйма, длина намотки 1/2 дюйма.
J1,
J2
— коаксиальные соединители.
J4,
J4
— Зажимы (фирма National тип FWH).
S1
— Переключатель поворотного типа - 2 направления, 6 положений (бакелитовые платы).
S2
— Переключатель поворотного типа - 1 направление, 3 положения замыкающий (керамическая плата).
Сборка моста: Схему следует монтировать симметрично для устранения влияния конструктивных паразитных емкостей и индуктивностей. Резисторы в центре конструкции (R1) необходимо расположить в форме цилиндра, резисторы поддерживаются двумя, свёрнутыми в кольца, проводами, расположенными по обе стороны резисторов, к которым припаиваются их (резисторов) выводы. Это уменьшает индуктивность и способствует надёжному равномерному распределению тока в системе.
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень ноябрь,
2004 г