Антенни съгласуващи устройства - митове, легенди и възможности

[lz2xl]

Защо спор, Няма по-смислен тунер от Г звеното.................и т.н. Трансмач в най простата си схема е точно това,може да е и Т или SPC или в комбинация както в конструкцията на Карел Ротхамел.Опита да се настрой се добива с времето.Тия автоматики също понякога правят грешки Споко,давай нататък.......

[Moss]

Колко енергия отива в небето никой не знае.

Аз съм учил в МЕИ-то(по мое време вече ТУ). Там ми преподаваше Алтимирски.
Той казваше така:

На теория и практика е едно, а в действителност - никой не знае.

 

[ahedproductions]

За да дефинираме какво се случва при паралелно свързване към комплексен импеданс на друг такъв, е необходимо да дефинираме какво е адмитанс. Ако направим паралел между понятията съпротивление R и проводимост, равна на 1/R, можем да запишем:

Z=R+jX => Y=1/Z=(R - jX) / (R² + X²)= G + jB

Y = G + jB, където Y е адмитанс, G е проводимост, В реактивна проводимост.

На английски ще срещнете В като susceptance, думичка братовчедка на susceptibility – предразположение. От тук:

G = R / (R² + X² )
B = -X / (R² + X² )

От горното следва, че ако едно звено е изцяло резистивно, то няма реактивна проводимост, или Y=G+j0. Ако свържем активно съпротивление Rp (с проводимост Gp=1/Rp) паралелно на импеданс Z (с Y=1/Z), резултатът ще бъде:

Y' = ( G + Gp ) + jB.

Изказано с думи, ако добавеното съпротивление е по-голямо от 0, то не може да повлияе на първоначалната стойност на реактивната проводимост на Z. Резултантния импеданс Z' е ограничен да следва линия на константна реактивна проводимост, докато активното R  се променя.

По същия начин, ако звено е изцяло реактивно (пренебрегваме загубите), то няма проводимост (Y=0+jB) и ако паралелно на него свържем чиста ненулева реактивност Xp (с Bp=-1/Xp), то резултантия променен адмитанс ще бъде:

Y' = G + j( B + Bp )

По тази причина паралелно свързаната реактивност не може да промени първоначалната стойност на проводимостта на Z и Z' ще следва линия на константна проводимост.

Цялата лудница по-горе означава, че ако проводимостта или реактивната проводимост се задържат константни, линията която ще следва импеданса ще бъде някоя проста форма. И тази форма се изобразява с линия и компас. Бавно се приближаваме към графичните форми, с които цялата каша ще се изясни кристално с един поглед!

[ahedproductions]

Нека да съкратим кило математика и да погледнем какво ще се случи!


 
От горните обяснения трансформацията на Z ще следва линия на окръжност на константна реактина проводимост, тъй като паралелното R, което добавяме, не ѝ влияе. Тук нещата са простички като цяло. Нека сега погледнем случая на паралелно включване на реактивен елемент:
 


Тук трансформацията на Z се движи по окръжност на константна проводимост, защото реактивните елементи, които добавяме не ѝ влияят. Посоката на ротация в Z-равнината е по посока на часовниковата стрелка, когато добавим кондензатор към Z и против часовниковата стрелка, когато добавим индуктор. Обърнете внимание, че ефектът на паралена реактивност е най-малък, когато тя е най-голяма и се увеличава с нейното намаляване! Т.е. ако добавим променлив кондензатор С, увеличавайки неговия капацитет (намалявайки Хс!), премества Z по часовниковата стрелка. Ако добавим вариометър L, намалявайки неговата индуктивност (и с нея Хl!) ще преместим Z обратно на часовниковата стрелка. Забележете, че точката 0+j0 може да бъде достигната САМО ако Xc→0 (безкраен капацитет) или XL→0 (нулева индуктивност), и двете значещи просто късо.

Следва преобразуването на Z от трансформатор, едно обобщение и след това - антенни тунери!

[ahedproductions]

Ефектът от трансформатор със силна връзка между намотките, поне на първо приближение, е да изърши импедансно преобразуване според квадрата от отношението между броя на навивките.
Z' = ( Np / Ns )² Z
Следователно той мащбира импеданса с фактор (Np/Ns)², където Np е е броя на навивките в първичната намотка, а Ns във вторичната. Тази операция мести резултантния импеданс Z' по линия, започваща от 0+j0 и пресичаща първоначалния импеданс Z. Трансформатора изменя величината на импеданса, оставяйки фазовия ъгъл φ неизменен. Следователно резултантния импеданс е ограничен да лежи на линия на константа фаза.
 

 
Този тип трансформация може да бъде извършен както с конвенкционални, така и с трансформатори от предавателни линии, като последните се предпочитат заради високата ефективност, широка лента и липса на проблеми, свързни с насищане на ядрото. Въпреки, че често в тунерите импедансните трансформатори играят също ролята на БАЛУН, винаги е по-добре тези роли да се изпълняват от отделни компоненти. Така например ако искате балансиран изход с трансформация 1:4, е добре да сложите БАЛУН 1:1 и после балансиран трансформатор 1:4. Но това е друга тема.
Сега ще се спрем на различните зони на импедансната равнина, в които може да се намира нашия Z и ще обсъдим какво е нужно, за да го преобразуваме в тъй желаните 50+j0 ома!

[ahedproductions]

От всичко казано по-горе, можем да заключим, че процесът по съгласуване на импеданс с (да кажем) 50Ω без да внасяме излишни загуби, представлява манипулация на на импеданса на товара на предавателя Z към точката 50+j0 чрез преместването му по линии на константно съпротивление и по окръжности на константна проводимост. Превключваем трансформатор ни дава възмжността да местим Z по линии на константна фаза. Всички тези операции са обобщени тук:


 
Следователно ние сме свободни да се движим навсякъде из импедансната Z-равнина, но сме ограничени в пътищата, по които можем да поемем. Импеданс Z, който не лежи на 50Ω линия на константна проводимост (вертикала, пресичаща R оста в точката 50R) винаги може да бъде доведен до нея чрез преместването му по окръжност на константна проводимост, т.е. чрез свързването паралелно на него на реактивен елемент. След това може да доведем този междинен импеданс, лежащ на тази линия, до точката 50+j0, като свържем последователно на него реактивен елемент. Следователно цялата процедура може винаги (принципно) да бъде сведена до две стъпки. Окръжността на постоянна проводимост, на която лежи точката 50+j0 Ω е познат като 20mS-овия кръг (20 милисименса или 1/50 сименса проводимост). Неговия радиус е равен на 1/2G=25Ω и центърът му лежи в точката 25+j0 Ω. Той пресича оста R в две точки – 0 и 1/G=50Ω.

[ahedproductions]

На следващото изображение може да видите 6-тте региона в Z-равнината, идентифицирани според положението на импедансите в тях спрямо точката 50+j0. Също така може да видите някои от звената, които ви дават най-краткия път до Z=50+j0. Номерата в окръжностите ви дават последователността на операциите, техния ефект и елементите, с които се извършват. Предполага се. че всичи паралелни импеданси първоначално са поставени на максимум (ефективно отворена верига) и всички последователни импеданси са на минимум (ефективно късо). Нека за пример вземем импеданса В. С помощта на последователната индуктивност 1 го премествме нагоре по линията на константно съпротивление докато достигнем окръжността 20мS, след което с помощтта на променливия кондензатор 2 го сваляме по нея до точката 50+j0.


 
Това, което става болезнено очевидно от тази графика е, че НЕ СЪЩЕСТВУВА ЕДНО НАЙ-ДОБРО УНИВЕРСАЛНО ЗВЕНО. Такова просто няма. Всичките популярни звена биха се справили, но само ако имат достатъчно широки граници на настройка на реактивните елементи, за да преместят началния импеданс в друг регион. Но не е задължително, че ще го направят с най-малки загуби, въпреки това. Например импедансите в регион Е биха били добра цел за Т-звено с изходния кондензатор настроен на максимум. Ако обаче ни е наложено Пи-звено, можем да използваме изходния кондензатор за да отместим импеданса през регион F до 50-омовата линия откъм –jX страната под оста R, от където да отместим нагоре до 50+j0.
Звеното за регион D ни показва, че антена с такъв импеданс може да бъде използвана с последователна товарна бобина. Това не бива да ни учудва, защото този регион се асоциира с електрически къси антени.
На диаграмата не е показано, че можем да използваме трансформатор, за да преместим импедансите от регионите А и В в регион Е и импедансите от региони С и D в регион F, т.е. за една антенна система, чиито импеданс се мени значително с честотата, знанието в кой точно регион лежи Z помага много да вземем решение кога да използваме трансформатор, или БАЛУН с коефициент 1:1 или друг.
В случая с радиолюбителските антени, стандартния диагностичен инструмент за настройка е КСВ метъра. Той трябва да се ползва с антенен амперметър или поне измервател на напрегнатостта на полето, но в повечето случаи това не се прави. Проблемът на КСВ метрите е, че указват достигането на точката Z=50+j0, но нищо повече – никаква информация КАК ДА ИЗВЪРШИМ НАСТРОЙКАТА. Освен това, при липса на информация колко точно енергия преминава през АСУ към антента, има съвсем реална възможност с някои видове съгласуващи звена повечето от енергията от предавателя да бъде „съгласувана“ в загубното съпротивление на индуктора при неправилна настройка.
Оптималната стратегия за настройка зависи пряко от това, в кой точно регион се намира Z. Ако успеем да определим региона, можем веднага да изберем най-късия (и с най-малки загуби) път към желаната точка 50+j0. Нека дадем в табличен вид свойствата на 6-тте региона:


 
Това, което таблицата ни показва е, че имаме нужда от 3 детектора, за да определим еднознчно положението на Z:
1) Резистивен мост, балансиран да даде нулев изход, когато R=50Ω.
2) Фазов мост, балансиран да даде нулев изход когато jX=0.
3) Детектор на проводимост, балансиран да даден нулев изход когато G=20mS.
Стойностите за нулиране, разбира се, могат да бъдат различни от 50+j0. Този процес за недвусмислена настройка е бил предложен за първи път от Майк Ъндърхил и Питър Люис през 1973г. Техния труд засяга Пи-звено, в което с помощта на няколко детектора, работещи върху две напрежения и два тока в звеното, се извършва бърза и недвусмислена последователна настройка на трите реактивни елемента. Оригиналния труд съм прикачил като ПДФ файл и съветвам горещо да го разгледате, много е интересен!