Последна редакция декември 2007 © Ч. Левков

Антенни тунери

За тези, които не се интересуват от принципите на работа на тунерите, а само ги използуват практически да прочетат само параграфа Настройка на тунер само с КСВ мер!

Между фидера и трансивера се свързва LC звено наречено антенен тунер. Входният импеданс на системата фидер-антена се трансформира в стандартните 50 ома, когато се подберат подходящи стойности на реактивните елементи. На изхода на тунера се свързва измерителен мост (обикновино КСВ-мер), който се балансира, когато импедансът на изхода на тунера стане равен на 50 ома.

Видове тунери

На фигура Фиг.1 са дадени най-използуваните в практиката схеми. Г-звената (или L) са тунери съставени само от 2 реактивни елемента.

Фиг.1

Работата на антените тунери са описани многократно в най-различни публикации и за това няма да се спирам на подробностите. В настоящата публикация искам да наблегна на някои полезни практически правила, които следват от теорията.

Някои общи факти за тунерите

1. Г-звеното има една единствена точка на настройка. L и C определят еднозначно съгласуването.
2. Г-звеното може да изисква превключване от право в обратно Г, в завимост от съгласуваният импеданс. Определянето не е просто. Изискват допълнителни измервания за да се определи кой тип звено да се използува. При настройка само с КСВ измерител това се определя с проби и грешки.
3. Теоретично, с Г-звено могат да се съгласуват произволни импеданси, но стойности на L и C, при които има съгласуване могат да са непрактични – много малки или много големи. Поради тази причина се използуват звена с повече реактивни елементи.
4. Съгласуващите звена с 3 или повече реактивни елементи (например П или Т ) имат безкрайно количество възможни настройки , при които има съгласуване (КСВ=1). При настройка трябва да се избере тази комбинация от L и C, при която в звеното има най-малки загуби.
5. Тунерът не премахва разсъгласуването между антената и фидера, а само дава подходящ товар на трансивера. Ако във фидера има стоящи вълни, те ще си останат независимо от настройката на тунера.

Поради по-високият КСВ, фидерът ще има и увеличени загуби, които може да са доста големи особено при коаксиалните фидери. Тук тунерът е спомагателен и само осигурява подходящ товар на предавателя. Въздушните фидери могат да работят с доста малки загуби при много висок КСВ (>10). При тях използуването на тунер е оправдано за основна многообхватна работа.

Някои факти за загубите в тунерите

1. Ако реактивните елементи се идеални, то независимо от настройката и схемата, в тунера няма да има загуби и цялата енергия от предавателя ще отиде в фидера и антената. При реални елементи, ако се използват въздушни кондензатори, главните загуби са в бобините. Ето защо се предпочитат схеми на тунери с по-малко бобини.

2. При Г-звеното, от гледна точка на загубите, значение има работния Q-фактор (виж по-долу), а не дали ще се използува ВЧ или НЧ пропускащо звено. Тъй като сгласуващото звено е и филтър, това може да определи крайният избор.

3. Загубите на Г-звеното са по-ниски или равни на тези достижими със съответното 3 или повече компонентно звено. (не мога да го докажа, но подозирам че е вярно)

4. Колкото импедансът на антената е по-различен от 50 ома, толкова по–големи ще са загубите и толкова по-гранични стойности на елементите на тунера ще има при настроено положение.

5. Ако се знаят стойностите на елементите на тунера при които има пълно съгласуване, може да се изчисли с какъв импеданс е натоварен и да се изчислят загубите (със съвременните CAD системи това е тривиална задача). При екстремни импеданси обаче, това изчисление е трудно, защото разсеяните капацитети и индуктивности стават съществени и грешката става много голяма. За съжаление, именно в тези случаи е необходимо да се изчислят загубите.

Тунерите като филтър

Освен съгласуващо звено тунерът е и филтър. Обикновено това е филтър с нисък Q-фактор защото целта е съгласуване с ниски загуби , а не филтрация. Въпреки това филтриращите му възможности не бива да се пренебрегват, когато се избира какъв тунер да се използува.

Например, често срещано явление при приемане са интермодулационните смущения от 2-ред. Те обикновено се появяват в трансивърите когато се увеличи входното усилване чрез предусилвател – изведнаж започват да се чуват фантомни сигнали – обикновено концертни станции. В този случай трябва да се използува високо-пропускащ Т-филтър за да се потиснат честоти с 2 пъти по-ниска честота от приеманата. Ако има проблеми с хармоничните на предаване, трябва да се използува ниско-пропускащ П-филтър. Колкото повече реактивни елемента има тунера, толкова е по-добър като филтър.

Фиг.2

На Фиг.2 са дадени честотните характеристики на няколко тунера при съгласуване с резистивен 200 ома импеданс от страна на фидера. Коефициентът на предаване е с плътно черно, фазата с пунктир, напрежението на входа с бледо-сив цвят ( забележете, че в точката на настройка то спада с 6 dB) Честотата на съгласуване е 10 MHz. Графиките са изчислени в CAD системата LT-Spice с реални L и C елементи. (freeware, виж www.linear.com). Интересно е, че има една много проста трансформация от Т-звено към П-звено само с едно просто превключване. По този начин е възможно да се избере подходящото звено в зависимост от моментните изисквания. Виж статията П-Т QRP антенен тунер.

Настройка на тунер само с КСВ мер.

Обикновено КСВ-мер е мост със съсредоточени параметри, който се балансира при товар 50 ом. На практика с такъв уред се измерва разсъгласуването на входа на фидера, а не действителния КСВ. За настройката на тунера това няма значение, защото именно това разсъгласуване се премахва от тунера..

Забележка: КСВ измерван с наличните т.нар. КСВ измерители не е действителния КСВ. Това са само измерителни мостове, които се балансират при 50 ома импеданс на фидера. Фидерите трансформират импедансите, с които са натоварени и много често е възможно, поради стечение на обстоятелствата, входният импеданс да е близък до 50 ома и уредът да показва ниски стойности КСВ. Но това не означава, че в кабела няма стоящи вълни. Например, ако се промени дължината на фидера, ще се променят и показанията на уреда при високо ниво на стоящи вълни. Ако фидерът работи с ниско ниво на стоящи вълни, промяна на дължината му няма до окаже съществено влияние на КСВ.

Проблемът е следният: Простите Г звена имат само една точка за настройка. С последователни приближения, при промяна на L и C може да се достигне до желания минимум (ако има такъв). При П и Т звеното има множество точки за настройка и е желателно да се намери най-добрата - тази с най-малки загуби в тунера. Ще дам един начин за настройка, който води до намиране на тази точка.

Настройка на П-звено

Избираме работния обхват и вида тунер и поставяме първия кондензатор С1 на препоръчаната стойност Табл. 1 от колоната за Q=1.

Табл.1 П-звено

Q loaded	1	2	4	8
F MHz	C1 pF	C1 pF	C1 pF	C1 pF
1.82	1750	3500	6999	13999
3.6	885	1769	3539	7077
7.04	452	905	1809	3619
10.1	315	631	1261	2523
14.2	224	449	897	1794
18.08	176	352	705	1409
21.2	150	300	601	1202
24.91	128	256	511	1023
28.4	112	224	449	897
50.15	64	127	254	508

След това с другия кондензатор и бобината търсим настройка като за Г-звено. Ако не се намери подходяща настройка (КСВ < 1.2), увеличаваме малко стойността на първия кондензатор. Отново се търси настройка. Процесът се повтаря докато се получи приемлив КСВ.

Ако още за първата стойност на С1 е намерена подходяща настройка, може да се направи опит да се доближим до настройката, която би имало едно Г-звено (за да намалим загубите) Тук се действа обратно:

- намаляваме малко стойността на първия кондензатор С1 и се търси настройка като за Г-звено. Добра настройка, с по-ниски загуби, е тази за която стойността на първия кондензатор е минимална.

Настройка на Т-звено

Взимаме стойността от Табл.2 колона Q=1.

Таблица 2 Т-звено

Q loaded	1	2	4	8
F MHz	C1 pF	C1 pF	C1pF	C1 pF
1.82	1750	875	437	219
3.6	885	442	221	111
7.04	452	226	113	57
10.1	315	158	79	39
14.2	224	112	56	28
18.08	176	88	44	22
21.2	150	75	38	19
24.91	128	64	32	16
28.4	112	56	28	14
50.15	64	32	16	8

След това с другите два елемента търсим настройка като за Г-звено. Ако не се намери подходяща настройка (КСВ < 1.2), намаляване малко стойността на първия кондензатор С1 и пак се търси настройка. Процесът се повтаря докато се получи приемлив КСВ.

Ако още при първата стойност на С1 (Q=1) е намерена подходяща настройка, може да се направи опит да се доближим до настройката, която би имало едно Г-звено (за да намалим загубите) Тук се действа обратно:

- увеличаваме малко стойността на първия кондензатор и се търси настройка. Добра настройка, с по-ниски загуби, е тази за която стойността на първия кондензатор максимална.

Обикновено, настройката получена със стойности на първият кондензатор близки до тези дадени в Таблица за Q 1 до 2, е с ниски загуби, много малко се отличаващи се от тези получени чрез следващо оптимизиране. Забележете, че препоръчителните стойности на С1 при Q=1 за П и Т са едни и същи.

Настройки получени при по-големи Q-фактори, според таблицата, са съмнителни от гледна точка на загубите. При използуване на големи мощности, винаги трябва да се търси оптимална настройка. Нека да има 2 случая на настройка - с загуби съответно 1% и 6 %. Намаляването на сигнала при кореспондента практически е незабележимо. Но при мощност 1000 вата нагряването на елементите ще е съответно 10 или 60 вт. Ако се приеме, че главните загуби са в бобината, то в вторият случай е възможно да се разтопят спойките на бобината! - т.е. от конструктивна гледна точка разликата е съществена. За работа с QRP няма значение. Ако тунерът се използува за съгласуване на приемна антена, може да се използуват и по-големи работни Q-фактори, тъй като се увеличават селективните качества на тунера.

Този алгоритъм за настройка е много прост и винаги работи. От разни източници съм чел доста обемисти предложения за „ръчен” алгоритъм за настройка на 3-звенен тунер само с КСВ измерител, включително и една статия в QST от 2 страници с описание на начин на настройка на Т-тунер! Има една много приятна програма на W9CF http://fermi.la.asu.edu/w9cf/tuner/tuner.html Това е един Java-аплет на виртуален Т-тунер, който се управлява по Интернет. Задавате импеданса за съгласуване и въртите копчетата докато го настроите. Ако нямате алгоритам в главата, а въртите случайно копчетата, доста трудно ще намерите абсолютната настройка. Програмата се гаври с вас и при натискане на бутон „ауто” веднага намира настройката. Тъй като, както казахме, настройката не е еднозначна, в аплета има въведен критерий за минимални загуби, който е минимална индуктивност. Използувайки току що описания алгоритъм и критерий максимална стойност на С1, настройката много бързо се намира и тя е по-добра или равна по загуби с избраната от програмата оптимална настройка.

Трябва да се има предвид, че настройката на самото Г-звеното някога може да не е сходяща. Сходяща настройка означава, че намираме с единия настройващ елемент минимум на КСВ, след това с другия нов минимум, отново с първия елемент минимиум и т.н. докато се достигне КСВ=1. При някои обстоятелства, за да се намери абсолютния минимум, трябва последователно, с малки промени на стойностите, да се увеличава КСВ с единият елемент и да се намалява с другия, като всеки следващ минимум е по-добър и така се достига до абсолютния минимум от КСВ=1.

Практически правила при конструиране .

1. Ако се използува Г-звено е добре и двата елемента да са с плавна настройка (вариометър и променлив кондензатор) защото има само една единствена точка на настройка.

2. П-звеното изисква по-големи стойности на кондензаторите в сравнение с Т-звеното (виж таблиците), но първият кондензатор винаги работи при ниско напрежение (прибл. 100 в при 100 вт) и конструкцията се облекчава. Обикновено най-сериозни ограничения при конструиране на тунера оказват пробивните напрежения на кондензаторите.

Приложение 1.

Как са изчислени Таблици 1 и 2

Фиг.3

Нека да имаме Т-тунер натоварен с някакъв произволен импеданс Z. Фиг. 3а. При съгласувано положение схемата се трансформира във всички случаи така както е показано на Фиг. 3б. L_e е еквивалентна индуктивност (да не се бърка с индуктивността на тунера при настроено положение), а f е честотата. Условието за настройка е 2пfL_e = 1/2пfC₁. Когато това условие е изпълнено, на входа на тунера ще има еквивалентен резистивен импеданс 50 ома. Тук може да се изчисли нещо като Q-фактор на звеното в съгласувано състояние:

Q = 1/(50*2пfC₁). (Аз го наричам работен Q-фактор. Може да не съвпада с дефиницията на Q-фактор при други автори, но е удобен).

От където:

C₁ = 1/ (2пfQ*50)

Предполага се, че най-ниски загуби ще има при минимален Q-фактор. Практически е добре да се работи в зоната на Q от 1 до 2. Като правило, когато импедансите, които трябва да се съгласуват са много различни, достижимият минимален Q-фактор e по-висок и загубите се увеличават. Очевидно е , че стойността на С1 еднозначно определя работният Q-фактор на тунера.

По подобен начин е изчислен и случаят за П-звено:

C1 = Q/ (2пf*50)

Това, че стойноста на C1 определя работния фактор на тунера е използувано например в тунера на Kenwood AT120. Той е по схемата на Pi-L звено (Фиг.1) там С1 се превключва за отделните обхвати, като избраните стойности почти съвпадат с тези в Таблицата за П звено с Q=1.

Настройката с най-малки загуби в тунера може да не съвпада точно с тази получена с описания алгоритъм, но във повечето случаи няма да има съществени разлики. Има софтуер, който изчислява загубите – програмите TLA (за DOS) и TLW (за Windows), които ги има като приложение към всеки ARRL Handbook. Програмата на W9CF http://fermi.la.asu.edu/w9cf/tuner/tuner.html също изчислява загубите на Т-тунер. Направих си труда да направя графика на зависимостта работен Q-фактор и изчислени с TLW действителни загуби (Loss%,Фиг.4) за няколко различни случая на импеданси и загуби . Връзката е почти линейна.

Фиг.4

Март – декември 2007

73, Чавдар LZ1AQ