Несимметричный антенный тюнер.

Заметки "чайника".

Уже очень давно радиолюбители применяют на своих радиостанциях антенные тюнеры, проще говоря, согласующие устройства. Причем, в принципе, согласователи применяются и малоопытными, и маститыми операторами. И если первые ставят своей целью как-либо состыковать свои, порой случайные, антенны с выходом передатчика, используя в этих целях встроенные, либо внешние тюнеры и не очень вдаваясь в физику процесса, то вторые сознательно отстраивают каждый переход антенно-фидерного тракта. Детали этой тематики, достаточно полно и доступно отражены в книгах И. Гончаренко "Антенны КВ и УКВ", куда я и отсылаю заинтересованного читателя.

Задача настоящей статьи состоит в другом. На своей радиостанции я уже более двадцати лет использую антенные тюнеры и отношу себя скорее к первой указанной выше категории операторов, чем ко второй. Объективно оценивая свои технические возможности, перспективы вечных конфликтов с соседями из-за антенных монстров, я сознательно использую на базовом QTH разнообразные вертикалы высотой не более 10 метров (сейчас стоят два: пятидиапазонный GP Гончаренко и антенна-мачта длиной 9.2 м), а иногда, для участия в тестах, натягиваю диполь (сейчас весит на 80 м), либо рамку на НЧ. На фазенде, наоборот, вертикалы привлекают внимание "металлоискателей", а проволочные горизонтальные антенны, на доступных высотах подвеса, малозаметны. К сожалению, это приводит зачастую к тому, что антенны становятся узкополосными, имеют значительную реактивность, не позволяющую в полной мере использовать мощность передатчика и способствующую возникновению TVI.

Следует отметить, что и в случае настроенных антенн применение тюнера оправдано. Так, упомянутый GP был настроен этим летом при помощи анализатора MFJ-269. Однако, даже полугодовая его эксплуатация (было и +37 и -27С, и дожди, и оттепели) показала, что изменение атмосферных факторов прилично влияет на параметры антенны. Ну не лезть же сейчас (на дворе январь 2008) на крышу для подстройки, а поработать иной раз ой как хочется. Да и низковисящий диполь на 80 м без применения тюнера имеет полосу не более 55 кГц по уровню 1.5.

Таким образом для меня нет сомнений в необходимости применения согласующего устройства на своей радиостанции. Вот я и использую разные его вариации. Однако, и по эфиру, и в личных беседах частенько можно услышать или о неэффективности тюнеров, или о том, что настроить антенну с его помощью не всегда удается. Хочу поделиться своим убеждением. Даже если мы согласуем тюнер с выходом передатчика, не приняв мер по оптимизации всего далее следующего антенно-фидерного устройства (АФУ), толк будет только в одном - защищенный от перегрузок выходной каскад выдаст в линию передачи и антенну, может быть и малую, но ту часть мощности, которая способна излучиться в рамках сформированной антенной диаграммы направленности. Это как-то оправдано, если конструктивно антенна эффективна на данной частоте, но никоим образом не повлияет на количество излучаемой мощности, КПД всего антенного тракта и не уменьшит объем поставляемых в эфир помех. Следовательно, существует по крайней мере два основания для применения тюнеров: защита выходного каскада от перегрузок случайными параметрами АФУ и компенсация естественных колебаний значений настроенного АФУ в результате воздействия атмосферных факторов. Конечно, все это далеко от интересов настоящих антенщиков, но для нас - "чайников" (которых, кстати, неизмеримо больше) жизненно важно. Так что, пусть уж эксперты занимаются супер-антеннами, ну а мы с "чайниками" о своем, о чайниковском.

1Вообще говоря, проблема согласования случайных антенн известна давно. Как правило, антенны согласовывались с выходным каскадом либо укорочением конденсаторами, либо удлинением ёмкостями (см. рис. 1). Прекрасно помню одну из первых моих антенн на "свободный" от официальных операторов диапазон 160 м во второй половине 60-х годов. Её полотно, около 50 метров длиной, хорошо согласовывалось с каскадом на ГК-71 при подключении между TX и антенной переменной индуктивности в 80 витков (рис. 1а). Другой пример - многодиапазонный GP Гончаренко, о котором я уже говорил. Удлиненные вибраторы настраиваются в резонанс переменными конденсаторами, включенными в основание (рис. 1б). Это классические согласователи в первородном, так сказать, виде.

1Следующая вариация представляет из себя так называемые Г-образные согласующие устройства. В отличии от приведенных на рис. 1, они обладают уже некоторыми избирательными свойствами и поэтому широко применяются как в межкаскадном согласовании приемо-передатчиков, так и при согласовании сопротивлений в переходах АФУ. В частности, при их установке в основании тех вертикальных антенн, которые по ряду причин не являются диапазонными. Отметим, что все вариации приведенных на рис. 2 устройств применяются для согласования с антеннами, имеющими различное сопротивление, понижение либо повышение которого зависит от того, с какой строны включен источник ВЧ напряжения. Они являются равными как по принципу работы, так и по эффективности. Разница заключается лишь в удобстве конструктивного исполнения.

1Ну и, наконец, подойдя уже очень близко к предмету нашего разговора, упомянем классический П-контур. Это уже настоящее согласующее устройство, позволяющее согласовывать импедансы в очень широком диапазоне, от десятков Ом до единиц кОм (рис.3а). Крупными недостатками подобной схемы, с моей точки зрения являются непосредственная гальваническая связь антенны с трансивером и необходимость применения очень качественных переменных конденсаторов, расчитанных на большие напряжения.. Более предпочтительной выглядит схема Т-образного согласователя (рис.3б), которая получила наиболее широкое распространение в устройствах подобного назначения.

Именно такую схему я и использую уже много лет. За это время накопилось много и положительных, и отрицательных впечатлений от того или иного конструктивного исполнения тюнеров, от попыток внедрения в корпус тюнера как можно больше сервисных функций и т.п. Как всегда оказалось, что "лучшее - враг хорошего". Поэтому, во-первых, я в конце концов отказался от установки в корпус тюнера фильтра нижних частот, замыкателя антенны на землю после окончания работы, схемы контрольного выхода на приборы, отражающие форму сигнала. Во-вторых, использование в течении десятилетий переменных индуктивностей от Р-105, несмотря на полное их электрическое соответствие заявляемым требованиям, показало их конструктивную слабость. Даже регулярное обслуживание ползунка и посеребренной катушки не давали гарантии безопасной работы. В самый неудобный момент мог пропасть контакт, что приводило к резким скачкам КСВ. В особенности такие фокусы свойственны ВЧ участку настройки (21...28 мГц). Казалось бы, что решение находится в применениии бесконтактных вариометров с двумя, взаимоперемещаюшимися обмотками. Но долгое время смущала очень высокая начальная индуктивность этих приборов (не менее 2 мкГ) и необходимость коммутации обмоток для расширения диапазона изменения L (рис 4а...в). 1

И все же, когда после долгой раскачки я смакетировал Т-образный согласователь на вариометре с подключением параллельно основной схеме малой индуктивности, я пожалел, что не сделал это раньше. Пределы изменения индуктивности оказались 0.2...49 мкГ (естественно, с переключениями). Причем, отсутствие электрического контакта заметно улучшило комфортность работы с тюнером. Кроме того, было принято решение о построении схемы с применением переменного конденсатора со средней точкой в качестве выходного. По сравнению со стандартной схемой с одинаковыми конденсаторами в левом и правом плечах тюнера (рис. 3б), такое постороение позволяет достигать подавления нежелательных излучений до 30 дБ. Можно, применив конденсатор со средней точкой в левом плече, достигнуть большего подавления, но в этом случае схема становится ещё более узкополосной и требующей подстройки при каждом изменении рабочей частоты, что усложнит и без того непростую процедуру пользования тюнером.

Таким образом и сложилась схема несимметричного антенного тюнера, который я использую в настоящее время.

1 Катушки L1 и L2 - обмотки вариометра, из имеющихся у меня вариометров с вожженой и обычной намоткой выбран последний из-за большего перекрытия по индуктивности. Катушка L3 представляет из себя 2 витка 3-х мм посеребренного провода. Диаметр витков 40 мм, длина намотки 20 мм. Реле S1...S3 высокочастотные, на керамическом основании. Не вижу припятствий для использования любых доступных ВЧ реле, соответствующих требованиям по электрическим параметрам. В качестве конденсатора С2 использован четырёхсекционный конденсатор с достаточным зазором между пластинами, включенный соответственным образом для создания средней точки. Выходное напряжение, снимаемое с выхода тюнера через конденсатор С5 контролируется обычным вольтметром, построенном на микроамперметре М4248. Надо иметь в виду, что значение КСВ, близкое к 1, может достигаться при различных сочетаниях С и L тюнера и задача оператора состоит в том, чтобы не только получить минимальное значение КСВ при настройке, но и достигнуть максимального напряжения, поступающего в антенно-фидерное устройство. Контроль выходного ВЧ напряжения и позволяет более точно произвести согласование с настройкой на максимальное КПД тюнера.

Для снятия накапливающегося на антенне статического напряжения выход тюнера соединен с землёй через двухваттный МЛТ резистор R1 сопротивлением 33 кОм. Для предотвращения повреждения деталей тюнера и трансивера в результате воздействия более серъёзных атмосферных явлений на выходе согласователя установлен вакуумный разрядник РР1 типа Р-36. Очевидно, что на этом месте может находиться и другой аналогичный прибор, любой доступной конструктору марки.

1 Монтаж деталей тюнера производится с учетом стандартных требований к мощным ВЧ устройствам: неиспользование проводников в качестве "земли" прибора, достаточное расстояние между токонесущими деталями и корпусом, перпендикулярность осей применяемых индуктивностей, изоляция ручек переменных ёмкостей и индуктивностей и т.п.
Настройка с помощью тюнера представляет собой очень творческую задачу. Предполагая, что читатель не собирается настраивать в КСВ=1, к примеру, настольную лампу, сообщу, что большое, более 15-20 мкГ значение индуктивности может потребоваться для антенн на 160 м, на 80 м достаточно 10-15 мкГ, на 40 м это значение приближается к 4-6 мкГ и, начиная с 20 м, приходится "ловить" индуктивности со значением 0.2-2 мкГ. Если учесть тот факт, что антенны низковисящие или имеющие большое значение реактивности крайне узкополосны, то потребуются очень тонкие манипуляции с ручками прибора для его настройки. Работа облегчается, когда нужно "строить" известную, уже эксплуатирующуюся конструкцию. В этом случае достаточно один раз "прогнать" её по необходимым частотам и записать углы поворота ручек. В дальнейшем может потребоваться подстройка в небольших пределах в зависимости от влияния внешних фактров.

Заканчивая свои заметки по этому поводу, хотел бы повториться - антенный тюнер не является прибором для согласования антенн, это прибор для оптимизации нагрузки выходного каскада трансивера. В предельном случае, при очень низком КПД АФУ, он переходит в класс нагревательных приборов. Коллеги, стройте антенны!

Владимир Акминский RW3VA