Расчет согласующих устройств при помощи APAK-EL TM.

APAK-EL TMПредыстория программы очень простая - не удалось найти ничего позволяющего проанализировать согласование антенны на нескольких диапазонах. В отличии от большинства известных программ изменения параметров линий сразу отображаются на экране, что позволяет очень быстро произвести выбор длин и оптимзацию согласующего устройства из линий по графикам. 

Данные.

Для расчетов необходимо иметь значения частоты и импеданса. Наиболее удобно использовать данные, полученные при помощи MMANA, где имеется возможность запоминать таблицы F/КСВ/Gain/Z или еще  GAL-AntView, в котором имеется возможность просчитать входные сопротивления сразу для до 21 частоты на 9 диапазонах и запустить APAK-EL TM Вполне достаточно иметь данные для 5-11 частот на каждый диапазон. Если используются данные созданные в MMANA, то файлы с данными, для нескольких диапазонов, следует загружать один за другим. Данные будут считаны и занесены в List и их можно записать в один файл.  При ручном вводе  имеется возможность переносить введенные данные в список - для этого следует произвести двойной щелчок в колонке "Rtr". В основную таблицу выбранные частоты переносятся при помощи двойного щелчка мыши по выбранной строке в списке. При расчете согласующего устройства для многодиапазонных антенн достаточно одной частоты для каждого диапазона. Средние частоты всех диапазонов переносятся в таблицу основного окна щелчком по кнопке с красной стрелкой, если же необходимо занести в таблицу определенную частоту, то следует произвести двойной щелчок мышью по строке с этой частотой. Данные из таблицы, если используются для вывода графика КСВ в зависимости от частоты, поэтому количество данных на всех диапазонах должно быть одинаковым. Ручного ввода следует избегать и использовать только для данных полученных замерами.

 Результаты вычислений можно запомнить как текстовый файл из меню "Сохранить *.nwl". Перед записью можно внести комментарии.

Согласование при помощи линии.

Расчет согласования при помощи линии, с использованием APAK-EL TM, очень прост  и необходимо ввести частоту, сопротивление антенны, выбрать волновое сопротивление или тип линий, а так же сопротивление под которое будут производиться расчеты. График выводимый в основном окне в данном случае является графиком КСВ в линии с волновым сопротивлением Zi, которая подключена к согласующему устройству из линий L1,L3 и фидера, в зависимости от их длины.  На основном окне графики имеет логарифмическую шкалу, это связано с тем, что при логарифмической шкале возможно вывести график в большом диапазоне и с хорошим разрешением для малых величин, что в данном случае очень важно. Изменяя положение вертикально линии на графике, что производится щелчком мыши на нужной позиции графика или перемещением мыши по графику, при нажатой левой кнопке, можно выбрать длину линию с оптимальным КСВ. Напомню, что хорошо иметь малые значения КСВ. Для современных трансиверов со встроенным тюнером желательно иметь значение КСВ не больше 3-х. Для того, чтобы не было необходимости в тюнере, значение КСВ во всем диапазоне частот не должно превышать 1.5-1.8, что в случае антенн с числом диапазонов более двух выполнимо лишь в редких случаях. На рисунке изображен график КСВ при линии с волновым сопротивлением 400 ом для модели антенны ZS6BKW. Из графика видно, что при длине линии 13.64 м удовлетворительные значения КСВ получаются на 5 диапазонах.  Для вывода графика КСВ в полосе частот служит окно "КСВ и импеданс по диапазонам". Вывести это окно можно отметив окошечко КСВ(f) на главном окне. График КСВ(f) позволяет произвести оптимизацию длин согласующих линий и для того, чтобы избежать неприятных неожиданностей, следует всегда ориентироваться на этот график.

APAK-EL TM дает возможность расчитывать линии с потерями и имеется библиотека с данными для наиболее распространенных на западе линий и кабелей. Учет потерь в линиях повышает точность расчета и облегчает настройку согласующих устройств из линий. Утилита позволяет производить расчет и оптимизацию согласующих устройств с использованием до 3-х последовательно включенных линий с различным волновым сопротивлением. На мой взгляд оптимально не более 2-х и линия. Схему подключения линии можно посмотреть нажав кнопку , находящуюся внизу слева на главном окне.

Согласование при помощи шлейфа.

Согласование при помощи четверть волнового шлейфа знакомо каждому радиолюбителю. Шлейф это подключаемый к нагрузке отрезок кабеля, замкнутый или разомкнутый на конце. Длина шлейфа рассчитывается так, чтобы в какой-то его точке сопротивление было равно желаемому и к этой точке подключается линия или генератор. В случае нерезонансной антенны отличие может быть значительным и длины отрезков линии, из которых составлен шлейф, могут значительно отличаться от четверти длины волны. Эффективность согласования при помощи шлейфа может получиться очень низкой, и она зависит от КСВ и качества кабеля. При больших значениях КСВ основные потери происходят в части шлейфа L1, и они связаны с ограничением коэффициента передачи из-за рассогласования. Часть потерь происходит в части шлейфа L2, которая может быть или короткозамкнутой, или разомкнутой. Потери в этой части связаны с тем, что реактивный элемент образованный этим элементом не является идеальным и имеет действительную составляющую, на которой рассеивается часть подводимой мощности. Для расчета согласующего устройства на один диапазон необходимо ввести исходные данные, отметить окошечко "шлейф" в правом нижнем углу и включить графический режим. На графике будет изображено изменение КСВ в линии с волновым сопротивлением Zi, подключенной к сопротивлению, равному действительной части параллельного эквивалента сопротивления,получающегося на конце линии L1. Минимальное значение КСВ получается в случае, когда эта дествительная часть сопротивления равна сопротивлению Zi, т.е. для получения согласования к точке с минимальным КСВ достаточно подключить реактивное сопротивление равное по величине и обратное по знаку мнимой части параллельного эквивалента сопротивления. Расчет длины линий можно произвести щелкнув правой кнопкой мыши по графику в точке с желаемым КСВ.   В результате будет включен режим с фиксированной длиной и выведен график КСВ для линии длиною Lфикс=L1+L2. Этот график показывает изменение КСВ для линии при подсоединении к ней шлейфа длиною фикс L. После этого следует скорректировать длину L1+L2 и установить длину L2, при которой КСВ имеет минимальное значение. При линии с потерями длина линии L2 устанавливается с ошибкой, это связано с тем, что APAK-EL TM считает короткозамкнутый или разомкнутый шлейф с учетом потерь и в этом случае сопротивление шлейфа имеет действительную составляющую имеющую, иногда, довольно большую величину. Потери, при высоких значениях КСВ, могут быть очень высокими, и являются суммой потерь в линиях L1, L3 и в линии L2, подключенной параллельно к концу линии L1. Благодаря тому, что потери в линии L2 учитываются расчетные графики становятся намного ближе к реальным.

 LC- элементы.

Однодиапазонную антенну достаточно легко согласовать при помощи постоянных реактивных элементов. Удовлетворительная полоса пропускания получается уже при использовании Г-образных цепочек и использование более сложных схем имеет смысл только в очень редких случаях.Утилита TM дает возможность подключения LC-элементов последовательно, параллельно или как Г-цепочку. При последовательном и параллельном соединении LC-элементов возможно подключать их параллельно или последовательно нагрузке. Расчет Г-цепочки можно выполнить автоматически нажатием кнопки "Tune". Возможно предварительно задать тип элементов перед расчетом, для этого необходимо щелкнуть по надписи в черной рамке обозначающей тип элемента и если возможно, то в первую очередь будет произведена попытка расчета согласования для заданного сочетания элементов. Эта функция особенно полезна при расчете многодиапазонных антенн, когда, например, расчитанное для нижнего диапазона Г-согласующее с подключенной к земле индуктивностью, оказывает очень малое влияние на верхних диапазонах. Во многих случаях, в целях защиты от статических напряжений и низкочастотных наводок полезно подключать параллельно входу индуктивность, минимальное ее значение, не оказывающее влияние на настройку можно подобрать вручную использовав только один реактивный элемент. Окно с LC-элементами вызывается из меню и после вызова его можно делать видимым или невидимым отмечая окошечко "LC" на главном окне.

Комбинация шлейфа и постоянных LC-элементов.

Согласующий шлейф можно использовать и для согласования многодиапазонных антеннах. Процесс расчета многодиапазонного согласующего устройства несколько трудоемок, но успех вполне возможен, особенно если использовать линии с различными волновыми сопротивлеиями. Наиболее известным примером использования шлейфа в качестве согласующего устройства является GP Г. Румянцева, UA1DZ. Конструктивно антенна очень проста и хорошо согласована на 3-х диапазонах. Согласующее устройство выполнено из симметричной линии с высоким волновым сопротивлением и коаксиального кабеля. Антенна расчитана на подключение 75 омной нагрузки и без согласующего устройства расчетные значения КСВ на 7.05, 14.175 и 21.225 составляют соответственно: 6.6, 25 и 6.8. Если к непосредственно к антенне подключить шлейф из линии с волновым сопротивлением 75 ом, то возможный теоретически минимум КСВ для трех диапазонов составит значение около 3.стественно, что такие значения КСВ мало кого удовлетворят. Если добавить высокоомную линию, то положение намного улучшается, изменяя длину линию мы можем найти точку, в которой на всех трех частотах значение КСВ очень близко к 1.

Слева приведен график при использовании в качестве L3 линии с волновым сопротивлением 450 ом.Теперь остается только проверить, получится ли согласование в действительности и для этого установив вертикальную линию указывающую длину линии L1 в точку с минимальными значениями КСВ и щелкнуть на графике правой кнопкой мыши. В результате будет расчитана длина отрезка L2 необходимая для компенсации мнимой составляющей на выбранной частоте. После небольшой коррекции длин линий по оптимальному значению КСВ на диапазонах получаем.ак видно из графика, КСВ получается вполне удовлетворительным на всех диапазонах и необходимость в использовании ATU может возникнуть только на 20м диапазоне. Кроме того, следует учитывать, что расчет произведен под существующие в природе линии - в данном случае для Win 450 и кабель RG 11 и запас под настройку следует делать минимальным - в несколько раз меньше, чем в случае если расчеты производились для линии без потерь

.На диапазоне 40м антенна оптимизирована для полосы 7.0-7.1МГц и в странах, где возможно работать в более широкой полосе такое изменение КСВ от частоты может не понравиться. Изменение настройки линиями в данном случае может несколько подпортить результат и тут на помощь могут прийти LC -элементы, при помощи которых можно сместить среднию частоту нижнего диапазона, при минимальном влиянии на КСВ на других диапазонах. Например, для того чтобы минимальный КСВ был на частоте 7.15МГц необходимо занести в таблицу данные для частоты 7.15 МГц, для чего достаточно произвести двойной щелчок в списке в строке с данной частотой и после чего щелкнуть по кнопке "ОК", а после этого отметить радиобатон перед строкой в таблице с этой частотой сделав ее активной. После этого вызвать окно для установки данных LC-элементов.

Широкополосные антенны.

На низкочастотных диапазонах рабочей полосы диполя обычно недостаточно и для расширения ее приходится идти на различные ухищрения. Довольно часто для расширения полосы используются линии и наиболее известной антенной с расширенной полосой с использованием линий является двойная базука. В качестве части плечь в двойной базуке испоьзован кооаксиальный тонкий кабель. Электрическая длина короткозамкнутых отрезков кабеля составляет четверть волны и благодаря этому на резонансной частоте кабель не оказывает никакого влияния на импеданс антенны. При отклонении частоты от резонасной, короткозамкнутые отрезки кабеля становятся или индуктивностью - если частота ниже резонансной для отрезка линии, или емкостью - если частота выше резонансной. Т.е. происходит автоматическая подстройка резонансной частоты антенны, что выражается в расширении рабочей полосы антенны. Оптимизацию длин короткозамкнутых отрезков кабеля можно производить при помощи утилиты TM. Для этого предусмотренна возможность расчета влияния отрезка L3 при подключении его в качестве короткозамкнутого или разомкнутого шлейфа.  . Еще более интересный вариант широкополосного диполя на 80 м предложен американским радиолюбителем AI1H. В примерах имеется файыл dipbazook.nwl  и ai1h80.nwl.

Расчет длин линий для антенны AI1H особой сложности не представляет и главное состоит в том, чтобы расчитанная модель была близка к действительности и желательно производить расчет с учетом влияния земли, т.е. с использованием NEC-2. Оптимзацию длин линий лучше всего производить по трем частотам, ориентируясь на графики.

Следует отметить, что антенны, с расширенной при помощи линии полосой, можно отнести к антеннам с плохой повторяемостью и требующими индивидуального проектирования, это связано с тем, что они чаще всего используются на низкочастотых диапзонах и при низкой высоте подвеса.

Заключение.

APAK-EL TM позволяет быстро произвести анализ и оптимизацию согласующие устройства из линий для антенн, но всегда следует учитывать, что хороший КСВ на входе СУ не решает проблемы потерь в линии и они могут составить значительную величину. Многие радиолюбители имеют очень слабое представление о процессах происходящих в линия и потерях из за большого КСВ. О потерях из-за КСВ пишут много и чаще всего приводят потери только из-за рассогласования, например: при КСВ=3 потери составляют целых 25%, при КСВ=5 - 44.4%, а при КСВ=10 уже довольно страшную цифру 77%. Информация очень интересная и ... не очень важная!!! Естественно, что это нужно знать и понимать, чтобы с дуру не включить передатчик на несогласованную нагрузку, хотя современным трансиверам это до лампочки и они в таких случаях автоматически ограничивают мощность. Ну а не очень важная она потому, что на несогласованную нагрузку практически никто не работает и каждый приемник или имеет элементы подстройки или используются внешние тюнеры, т.е. потери такого рода в радиолюбительской связи не имеют особого значения. Следует только учитывать, что потери в ATU при больших КСВ могут быть значительными и может возникнуть опасность выхода из строя деталей как из-за больших токов, так и из-за пробоя высоким напряжением. При использовании ATU мы подстраиваем выходное сопротивление передатчика или входное сопротивлению к тому, что имеем на конце кабеля и, соответственно, имеем режим наибольшей передачи мощности. Этим и объясняется почему антенны с сопротивлением совсем неподходящим для линии работают и почему уменьшается уровень помех, выдаваемых антенной после настройки при помощи согласующего устройства.

Иногда пытаются доказать, то что потери меньше расчетных, мотивируя это тем, что кабель, в котором происходят большие потери из-за высокого КСВ, не нагревается. Причиной того, что кабель остается холодным, является излучение оплеткой кабеля. Если кабель излучает, то он влияет на входное сопротивление антенны и, естественно, на КСВ  и потери в линии питания. Вообще, когда антенна начинает вести себя совсем не по расчетному, то в первую очередь следует проанализировать имеем ли мы в действительности дело с тем, что расчитали.

APAK-EL TM разрабатывался с тщательной проверкой и с учетом практики. Так например: имеется возможность расчитать входное сопротивление антенны по замеру через кабель, что позволяет быстро расчитать или скоррегировать согласующее устройство под реальные условия, или сравнивая графики КСВ с полученными реально можно определить, что нужно сделать для улучшения согласования.  Из личного опыта могу сказать, что при точно известных коэффициентах укорочения линий настройка происходит очень быстро и, часто заключается в отрезании оставленного на всякий случай запаса.