Антенные тюнеры - векторный подход
Posted: 21 Jul 2021, 21:30
Сейчас разве что у ленивого радиолюбителя нет дома векторного антенного анализатора. Китайцы, растиражировав NanoVNA, сделали векторники дешевыми и доступными. Попробуем посмотреть на согласование антенны тюнером с точки зрения векторного анализатора.
Если вы спросите любого аксакала что такое ручной антенный тюнер и как им пользоваться то ответ будет примерно такой - это устройство согласования трансивера с антенной, крутим ручки пока не получим КСВ равный единичке, ну или максимально близкий к единице. В целом это верно, но скрывает массу нюансов и совершенно не отвечает на вопрос что и куда надо крутить.
Начнем с того что тюнеры бывают разные по своей схемотехнике. Для начала рассмотрим простой T-образный тюнер.
Эта схема достаточно широко распространена на западе, а в последнее время и у нас. Состоит он из двух переменных конденсаторов и индуктивности. Последняя может быть как переменная (вариометр) так и набор переключаемых индуктивностей на ряд номиналов.
Для того чтобы разобраться какие же процессы происходят в этом тюнере нарисуем полную электрическую схему
Итак слева у нас усилитель он должен видеть 50ом. Конденсатор C1 имеет отрицательный реактанс -jXt и не вносит никаких изменений в активную компоненту. Соответственно справа от C1 у нас импеданс равный 50+jXt, мы от него "отнимаем" jXt с помощью C1 и получаем требуемые 50ом. Тут вроде все понятно.
Импеданс антенны Ra+jXa с помощью цепочки L1C2 преобразуется в требуемые 50+jXt. Формулы преобразования можно вывести, но они нам тут не будет нужны.
Из этой всей комплексной арифметики можно сделать такие выводы
1. L1C2 преобразует импеданс нагрузки таким образом, чтобы его активная компонента была равна 50ом, а реактивная была положительной.
2. C1 устраняет реактивность из полученного результата.
Это приводит к очень простому алгоритму "тихой" настройки Т-тюнера с помощью векторного анализатора
1. Устанавливаем C1 на максимум емкости
2. Изменяем C2 до тех пор пока не получим активную часть импеданса равную 50ом, а реактивность с положительным знаком
3. Уменьшая емкость C1 убираем реактивность и приводим импеданс к 50ом
Если немного видоизменить схему введя дополнительную индуктивность
то требование получения на втором шаге реактивности с положительным знаком становится не нужным, так как в случае если у нас получилась отрицательная реактивность мы сможем компенсировать ее подключением дополнительной катушки L2.
Другой, не менее популярный, вид тюнеров - Z-match имеет следующую схему
И для него так же справедливо все написанное выше для Т-тюнера. При полностью введенном C1 с помощью C2 мы приводим импеданс к 50+jX и далее устраняем реактивность уменьшая емкость C1.
Интересно, что модификация Z-match тюнера, известная под названием FRImatch, которая имеет больший диапазон настроек не имеет описанных свойств по раздельной настройке.
В этой схеме изменение любого из переменных конденсаторов приводит к изменению как активной, так и реактивной частей импеданса.
Так же не имеет свойств раздельной настройки классический П-тюнер
SPC Transmatch (1980) - топология у нас практически не известная, но для нее справедливо все вышенаписанное для T-тюнера.
А вот его предшественник под названием Ultimate Transmatch (1970) уже такими свойствами не обладает
Литература
1. Impedance Matching. By David Knight G3YNH and Nigel Williams G3GFC
2. Antenna-Theory. Smith Charts
Если вы спросите любого аксакала что такое ручной антенный тюнер и как им пользоваться то ответ будет примерно такой - это устройство согласования трансивера с антенной, крутим ручки пока не получим КСВ равный единичке, ну или максимально близкий к единице. В целом это верно, но скрывает массу нюансов и совершенно не отвечает на вопрос что и куда надо крутить.
Начнем с того что тюнеры бывают разные по своей схемотехнике. Для начала рассмотрим простой T-образный тюнер.
Эта схема достаточно широко распространена на западе, а в последнее время и у нас. Состоит он из двух переменных конденсаторов и индуктивности. Последняя может быть как переменная (вариометр) так и набор переключаемых индуктивностей на ряд номиналов.
Для того чтобы разобраться какие же процессы происходят в этом тюнере нарисуем полную электрическую схему
Итак слева у нас усилитель он должен видеть 50ом. Конденсатор C1 имеет отрицательный реактанс -jXt и не вносит никаких изменений в активную компоненту. Соответственно справа от C1 у нас импеданс равный 50+jXt, мы от него "отнимаем" jXt с помощью C1 и получаем требуемые 50ом. Тут вроде все понятно.
Импеданс антенны Ra+jXa с помощью цепочки L1C2 преобразуется в требуемые 50+jXt. Формулы преобразования можно вывести, но они нам тут не будет нужны.
Из этой всей комплексной арифметики можно сделать такие выводы
1. L1C2 преобразует импеданс нагрузки таким образом, чтобы его активная компонента была равна 50ом, а реактивная была положительной.
2. C1 устраняет реактивность из полученного результата.
Это приводит к очень простому алгоритму "тихой" настройки Т-тюнера с помощью векторного анализатора
1. Устанавливаем C1 на максимум емкости
2. Изменяем C2 до тех пор пока не получим активную часть импеданса равную 50ом, а реактивность с положительным знаком
3. Уменьшая емкость C1 убираем реактивность и приводим импеданс к 50ом
Если немного видоизменить схему введя дополнительную индуктивность
то требование получения на втором шаге реактивности с положительным знаком становится не нужным, так как в случае если у нас получилась отрицательная реактивность мы сможем компенсировать ее подключением дополнительной катушки L2.
Другой, не менее популярный, вид тюнеров - Z-match имеет следующую схему
И для него так же справедливо все написанное выше для Т-тюнера. При полностью введенном C1 с помощью C2 мы приводим импеданс к 50+jX и далее устраняем реактивность уменьшая емкость C1.
Интересно, что модификация Z-match тюнера, известная под названием FRImatch, которая имеет больший диапазон настроек не имеет описанных свойств по раздельной настройке.
В этой схеме изменение любого из переменных конденсаторов приводит к изменению как активной, так и реактивной частей импеданса.
Так же не имеет свойств раздельной настройки классический П-тюнер
SPC Transmatch (1980) - топология у нас практически не известная, но для нее справедливо все вышенаписанное для T-тюнера.
А вот его предшественник под названием Ultimate Transmatch (1970) уже такими свойствами не обладает
Литература
1. Impedance Matching. By David Knight G3YNH and Nigel Williams G3GFC
2. Antenna-Theory. Smith Charts