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
- active_detector_ur5ffr.png (18.28 KiB) Viewed 6849 times
Итак у нас есть нагрузка
Z которая имеет активное сопротивление
x и реактивное
y.
Через нагрузку течет ток
I, и по закону ома напряжение на нагрузке U будет равно
В цепь включен датчик тока, который генерирует напряжение Vi пропорциональное силе тока в нагрузке
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
Подставляем
Сокращаем обе части на
I
Берем модуль от комплексных величин
- sqrt((k-x)^2+y^2) = sqrt(x^2+y^2)
Решаем уравнение
Первое решение нулевое - оно нас не интересует. Второе решение приводит нас к тому, что для 50ом нагрузке данное равенство будет выполняться только если
Таким образом при значении
k=100 равенство сигналов с датчика будет только тогда, когда активное сопротивление нагрузки равно 50ом.
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|
- active_detector_ur5ffr_2.png (50.25 KiB) Viewed 6849 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
- active_detector_ur5ffr_3.png (28.97 KiB) Viewed 6848 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