UR5FFR

Радиолюбительские конструкции и программы
It is currently 24 Jan 2022, 14:18

All times are UTC + 2 hours [ DST ]




Post new topic Reply to topic  [ 2 posts ] 
Author Message
PostPosted: 21 Jul 2021, 21:30 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 22:00
Posts: 1380
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
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.

Attachment:
tuner_01.png
tuner_01.png [ 10.61 KiB | Viewed 1847 times ]


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

Attachment:
tuner_02.png
tuner_02.png [ 14.25 KiB | Viewed 1846 times ]


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

Attachment:
tuner_03.png
tuner_03.png [ 17.11 KiB | Viewed 1846 times ]


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

Attachment:
tuner_04.png
tuner_04.png [ 26.21 KiB | Viewed 1846 times ]


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.

Attachment:
frimatchs2.gif
frimatchs2.gif [ 3.46 KiB | Viewed 1846 times ]


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

Attachment:
ant10a2.gif
ant10a2.gif [ 1.96 KiB | Viewed 1846 times ]


SPC Transmatch (1980) - топология у нас практически не известная, но для нее справедливо все вышенаписанное для T-тюнера.

Attachment:
tuner_05.png
tuner_05.png [ 14.75 KiB | Viewed 1846 times ]


А вот его предшественник под названием Ultimate Transmatch (1970) уже такими свойствами не обладает

Attachment:
Ultimate_Transmatch.png
Ultimate_Transmatch.png [ 3.11 KiB | Viewed 1846 times ]


Литература
1. Impedance Matching. By David Knight G3YNH and Nigel Williams G3GFC


Top
 Profile  
 
PostPosted: 29 Sep 2021, 13:26 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 22:00
Posts: 1380
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Итак мы выяснили что некоторые типы тюнеров (T-match, Z-match) позволяют свести настройку к простому пошаговому алгоритму. Но настройка согласования с помощью векторного анализатора подразумевает что во первых он у нас есть, а во вторых - мы производим "тихую" настройку. Если у нас в качестве источника выступает передатчик и требуется оперативная подстройка согласования при смене частоты нам нужны другие методы измерения согласования.

Для выполнения первого шага настройки нам нужен индикатор который бы показывал что активная часть комплексного сопротивления равна 50ом. Кроме этого очень желательно чтобы он показывал больше она или меньше 50ом. По сути нам нужен "индикатор нуля" который мы будем использовать при настройке тюнера.

Попробуем изобрести велосипед и построить его "с чистого листа". Рассмотрим следующую упрощенную схему

Attachment:
active_detector_ur5ffr.png
active_detector_ur5ffr.png [ 18.28 KiB | Viewed 1103 times ]


Итак у нас есть нагрузка Z которая имеет активное сопротивление x и реактивное y.
    Z = x+jy
Через нагрузку течет ток I, и по закону ома напряжение на нагрузке U будет равно
    U = I*Z
В цепь включен датчик тока, который генерирует напряжение Vi пропорциональное силе тока в нагрузке
    Vi = k*I
Важно понимать, что U, I и Vi - это синусоиды разной амплитуды, причем I и Vi всегда совпадают по фазе, а U и I имеют одинаковую фазу только в случае отсутствия реактивной составляющей в сопротивлении нагрузке.
Приведенная схема вычитает из U напряжение Vi. Так как оба напряжения синусоиды то результат зависит как от соотношения их амплитуд, так и от фазового сдвига. Далее напряжения детектируются.
Выясним чему должен быть равен коэффициент k чтобы сигналы на выходах датчика были равны.
Запишем уравнение
    |Vi - U| = |U|
Подставляем
    |k*I - I*Z| = |I*Z|
Сокращаем обе части на I
    |k - Z| = |Z|
Берем модуль от комплексных величин
    sqrt((k-x)^2+y^2) = sqrt(x^2+y^2)
Решаем уравнение
    (k-x)^2+y^2 = x^2+y^2
    (k-x)^2 = x^2
    k=0
    k=2x
Первое решение нулевое - оно нас не интересует. Второе решение приводит нас к тому, что для 50ом нагрузке данное равенство будет выполняться только если
    k=2*50=100
Таким образом при значении k=100 равенство сигналов с датчика будет только тогда, когда активное сопротивление нагрузки равно 50ом.
    |Vi - U| = |U|
Посмотрим как будут соотноситься выходные сигналы датчика в случае если активное сопротивление нагрузки отлично от 50ом. Я опущу математические выкладки и сразу перейду к результатам. На следующем графике видно что формула разбивает комплексную плоскость на две области - в голубой области активное сопротивление нагрузки больше 50ом, и датчик формирует на выходах такие напряжения, что |Vi - U| < |U|. В белой области активное сопротивление нагрузки меньше 50ом и выполняется условие |Vi - U| > |U|
Attachment:
active_detector_ur5ffr_2.png
active_detector_ur5ffr_2.png [ 50.25 KiB | Viewed 1103 times ]


Таким образом настройка тюнера будет состоять из двух шагов. Вначале мы приводим активную часть нагрузки к 50ом, контролируя процесс по описанному выше индикатору, далее убираем реактивную составляющую контролируя процесс по датчику обратной волны. В конце можно при желании измерить КСВ - если все сделано правильно то он должен быть равен 1.

В начале я сказал что мы будем изобретать велосипед. Дело в том что такой вид датчиков известен еще с 50х годов прошлого века и описан в работе [1]. В 80е годы выпускался прибор M50 [2], который содержит в себе несколько мостов разных типов, один из которых позволяет измерять и активную составляющую сопротивления нагрузки. Почему эта схема не получила популярности у радиолюбителей - мне не известно. И если на западе попытки популяризовать эту схему делались, то в русскоязычной литературе я вообще не встречал упоминания подобных схем упрощающих настройку согласования.

Ниже приведена возможная практическая реализация датчика согласования

Attachment:
active_detector_ur5ffr_3.png
active_detector_ur5ffr_3.png [ 28.97 KiB | Viewed 1102 times ]


Датчик содержит два индикатора - один из них показывает амплиутду отраженной волны, второй - отклонение активной части сопротивления нагрузки от 50ом и знак этого отклонения. Трансформатор датчика тока содержит вторичную обмотку с отводом от середины. Если датчик используется вместе с КСВ метром, то выход отраженной волны REF и отвод со вторичной обмотки трансформатора можно исключить. Для рассчета номиналов схемы можно использовать формулы приведенные в [4].
Настройка датчика тривиальна - подключаем нагрузку 50ом и подстроечным конденсатором в емкостном делителе добиваемся минимума отраженной волны. При этом индикатор активного сопротивления должен показать ноль.
В отличии от обычного датчика КСВ, который может давать неверные показания из-за пороговых свойств диодных детекторов, данная схема не имеет такого недостатка.

Литература
1. Broad-band reflectometers at high frequencies 14 June 1955, Horvath A., Adams R.T.
2. M50 Match Meter by Nigel Williams, G3GFC
3. British Patent Application No. 8321271, 9th Sept. 1983. Radio Frequency Impedance Indicator
4. Белоконь А.Н. UR5FFR, Схемотехника и принцип действия датчиков КСВ


Top
 Profile  
 
Display posts from previous:  Sort by  
Post new topic Reply to topic  [ 2 posts ] 

All times are UTC + 2 hours [ DST ]


Who is online

Users browsing this forum: No registered users and 1 guest


You cannot post new topics in this forum
You cannot reply to topics in this forum
You cannot edit your posts in this forum
You cannot delete your posts in this forum
You cannot post attachments in this forum

Search for:
Jump to:  
Powered by phpBB® Forum Software © phpBB Group