Антенен тунер - сериозна модификация на Icom АТ-150

[ahedproductions]

Привет сандъкчии!
Въпреки, че съм радостен собственик на антенния тунер Icom АТ-150, който е в комплект с радиото ми и който дирих с години, преди няколко дни се замислих да направя нещо с него, което немалко биха класифицирали като „гавра с класиката”. Тунерчето е автоматично и въпреки че според спецификациите може да се справи с КСВ от 1:3 (да напсне към 50 ома импеданс до 150 ома), щастливо се справя с моята компромисна антена, която на края на коаксиала при радиото представлява за НЯКОИ ОТ любителските обхвати КСВ до 1:5 – 1:6 (250 - 300 ома). Въпреки това машинката има редица недостатъци:
1) Тесен обхват на сигурна настройка за всички честоти – има редица автоматични тунери, които се справят с импеданси до 2000 – 4000 ома;
2) Наличие на твърде много релета по пътя на сигнала;
3) Ниска електрическа якост на използваните компоненти;
4) Употребата на платка и прекарване на сигнала по писти;
5) Нужда от външен сигнал (стандартен за Icom) за превключване на обхватите.

Всички тези недостатъци обезмислят до голяма степен тунерчето, както и повечето врадени в радиата тунери. Единственото, за което бих го ползвал в този вид е да напасна радиото към входа на потенциален ВЧ усилвател с лампа. Но това не се планира. След като попаднах на сехмата един друг външен фабричен тунер с Т-звено, дългоочаквания Alpha 4040 (http://www.rkrdesignsllc.com/-1/), осъзнах, че притежавам почти всичко нужно за един много по-сериозен автоматичен тунер – детектора на КСВ и фазова разлика, който управлява тунера, автоматиката, механиката (моторчета, датчици за позиция)...
Какво ще стане, ако премахна самото Т-звено от моя тунер, прехвърля електрониката в друга, по-голяма кутия и сложа 2 перфектни 500 пикофарадови кондензатори за по-високо напрежение и вместо да слагам бобина с много изводи, както е в моя тунер, да сложа просто отделни бобини за различните обхвати? Ще направя връзките къси, няма да има байпас реле (ще сложа ако е нужно външен ръчен байпас, но не ми и трябва!), ще има само 7-10 реленца, които ще свързват необходимите бобини в Т-звеното, без да се окъсяват или оставят висящи навивки! Всички връзки ще са къси и солидни. Би трябвало да стане железна машинката! И ако премахна нуждата от управление от радиото за превключване на обхватите и на негово място сложа управление с микропроцесор, което превключва бобината в зависимост от честотата на входния сигнал, тунера ще стане не само с голям обхват и доста по-добри параметри по отношение на загуби и възможност за настройка на различни антенни системи, но и НАПЪЛНО автоматичен.
Нека кажа първо няколко думи за антенните тунери, какво представляват, какво могат и какво не могат.

•   Антенния тунер НЕ настройва антената чрез промяна на резонансната ѝ честота до тази на предавателя.
•   Антенния тунер НЕ може да промени импеданса в точката на захранване на антената.
•   Антенния тунер НЕ може да промени импеданса по захранващата линия от него до антената.
•   Следователно антенния тунер НЕ може да промени КСВ по захранващата линия между него и антената.
•   Антенния тунер МОЖЕ да промени импеданса, който вижда предавателя и да го напасне така, че да е 50 ома резистивен.
•   От друга страна антенния тунер МОЖЕ и променя изходния си импеданс към антената, следователно променя СЪГЛАСУВАНЕТО в точката на захранване на антената.

Функцията на тунера е да осигури импедансно съгласуване с цел максимизиране на трансфера на мощност между предавателя и антенната система (захранваща линия + антена). Да кажем, че имаме 50 омова антена с капацитивен характер, като този капацитет има –j100 ома импеданс, типичен случай на физически малка/къса антена. За да успеем да предадем максимална мощност в нея, трябва да компенсираме този капацитивен характер, добавяйки +j100 ома импеданс в системата предавател-антена. Така имагинерните (реактивните) съставки ще се компенсират взаимно и ние ще имаме идеалния случай на генератор с 50 ома изходно съпротивление и товар с 50 ома входно, при което трансфера на мощност ще е максимален.



Или с други думи имаме за предавателя и антената:
Zпрд = Rпрд + j*Xпр
Zант = Rант + j*Xант
Максимален трансфер на мощност ще имаме при Zпрд = Zант / Rпрд = Rант / j*Xпр = - j*Xант . В този случай КСВ ще бъде 1:1 и фазовата разлика между напрежението и тока ще е 0 градуса. Но в 99% от случаите нещата не стоят така...
По принцип тунерът може да бъде поставен навсякъде между предавателя и антената. Ако е поставен при антената в точката на захранване, той съгласува нейния имапеданс за дадената честота с този на захранващата линия, намалявайки загубите в нея. ТОВА Е НАЙ-ДОБРОТО МЯСТО ЗА ЕДИН ТУНЕР. По принцип този тип тунери са напълно автоматични.
Ако тунерът се намира при предавателя (голяма част от случаите, особенно с вградените в радиата автоматични тунери), той може и да осигури перфектно съгласуване между предавателя и антенната система (захранваща линия + антена), но няма как да компенсира разсугласуването между антената и линията и загубите в последната може да са много големи. Въпреки това предавателя щастливо ще си предава цялата мощност в системата и много от нас ще си мислят, че всичко е наред, а всъщност само малка част от мощността ще достига антената и ще бъде излъчена, останалото ще грее линията.
Едно от решенията е да НЕ се използва захранваща линия, която има големи загуби, когато е разсъгласувана с товара си – коаксиален кабел (несиметричен, с твърда изолация). Много хора използват балансирана (симетрична) открита линия между тунера и антената, а в този тип линия загубите дори при голямо КСВ са минимални. Други, като мен, не могат да докарат откритата линия до радиото и използват balun (преобразувател балансирано – небалансирано, balanced – unbalanced) отвън и малък отрязък коаксиален кабел до тунера, въпреки че това е компромис. Balun-ите са цяла отделна тема, може и нея да разчопля по-натам.
Нека погледнем схемата на стандартното Т-звено:



Т звеното може да съгласува голям обхват от импеданси, но има два недостатъка. Първия е нуждата от настройка на 3 променливи. Втория е, че освен единствената „правилна” настройка, звеното има и няколко „лъжливи” недонастройки, които могат да излъжат детектора на тунера. И докато втория проблем се решава чрез подходяща чуствителност на детектора, първия се решава частично от повечето производители. Вместо променлива индуктивност, повечето правят изводи от една постоянна такава (или 2 последователно свързани, едната за ниските честоти, другата за високите), които превключват с релета по някаква схема, в зависимост от обхвата, на който се работи. Моя случай е такъв. Нямам против това решение, но в повечето случай липсата на даостатъчен брой изводи, кара автоматиката на тунера да се спре на компромисна позиция в индуктивността и да не може да осигури съгласуване 1:1 за всички честоти. Това пак е моя случай. В АТ-150 има само 6 извода. Освен това моите променливи кондензатори са с максимален капацитет от 250 пикофарада, като се налага на ниските обхвати да се добавят с реле още паралелни кондензатори. Още релета, още проблеми. Превключването на индуктивността, освен това, е реализирано по следния начин. При най-ниския обхват долния край на двете бобини е на земя и цялата бобина участва в звеното. На по-горните обхвати все по-голяма част от нея се заземява с реле, респективно все по-малка индуктивност участва в звеното. Проблемът тук е, че остава една „висяща част” от ундуктивността, която може и да е заземена в единия си край, но е ВСЕ ОЩЕ СВЪРЗАНА с взаимната индукция с останалата активна част на индуктора. От там се прехвърля енергия и на незаземения край се появяват напрежения. Всичко това означава повече загуби и потенциални проблеми за дадени честоти с определени дължини на вълните. Това е излишно. Ето я и схемата на моето Т-звено:



RL7 до RL12 превключват изводите на бобината, RL1 и RL2 добавят още капацитет към променливите кондензатори на 80 и 160 метровите обхвати, където максималния капацитет не е достатъчен дори за съгласуване с КСВ 1:3. Само дето всички знаем, че 200 пико променлив + 300 пико постоянен не е като 500 пико променлив. Обхвата е по-малък, кривата на изменение е с друг наклон. В дясно виждате на схемата двата мотора с прилежащите им потенциометри, които въртят кондензаторите. Цялата схема е голяма, който се интересува може да я види прикачена на края на съобщението.
На страницата на тунера Alpha 4040 има опростена схема на тяхното Т-звено. Да я погледнем и да видим разликите с моята:



1. balun-а е постоянно свързан ПРЕДИ тунера! Това му позволява ВИНАГИ да работи в 50-омова система с минимални загуби. И аз мисля, че мястото му е там. Перфектен balun би бил 1:1 типа на DG0SA, който ползвам и аз.
2. Индуктора е променлив и плавно регулируем. Супер, но при мен няма как да стане. За сметка на това ще имам 10 различни бобини, които ще превключвам чрез детектора на честота. Компромис, но приемлив, все пак моята автоматика няма опция да управлява настройката на индуктора.
3. Има допълнителен кондензатор С4, който добавя цели 390 пикофарада към 400 пикофарадовия изходен променлив в звеното, давайки регулация от 400 до 790 пикофарада. Това несъмнено позволява увеличаване на обхвата на тунера, но жертвайки малко обхват аз ще сложа 500 пикофарадни променливи.
4. При свързване на балансирана антена се вдига земната връзка на изхода, нещо което с вградения преди звеното balun си става задължително и ще предвидя и в моя вариант.
И така колеги, идваме на въпроса – какво мислите? Дали да се захвана? Ще е страхотен проект и в крайна сметка най-вероятно ще получа тунер, който за да си купя ще трябва да се ръсна в хилядите. А моя го взех за 100-тина долара едно време. Пуснал съм запитване за променливи кондензатори, да видим офертата каква ще е. При разглобяването на моя ще измеря внимателно стойностите на индуктивностите за различните обхвати, както и началните позиции като капацитет на променливите кондензатори. Тези данни ще заложа и в новия тунер.
Очаквам вашите коментари!
П.П. Тук - http://fermi.la.asu.edu/w9cf/tuner/tuner.html - има симулатор на Т тунери! Това ЩЕ помоне в дизайна!!!
Малко снимки от моя тунер (от интернет са, моя ще го наснимам скоро):

[ahedproductions]

Честотното управление на индуктивността ще е някакво такова чудо - http://www.qsl.net/ut2fw/dn_b10.htm

Или такова - http://www.ebay.com/itm/NEW-universal-Band-decoder-freq-counter-for-LPF-amplifier-or-antenna-switch-/252337575145?hash=item3ac07dd4e9:g:yxAAAOSwI-BWIKdq

[ahedproductions]

Сега отворих моя.






МОЛЯ НЯКОЙ ДА ОПРАВИ ЗАГЛАВИЕТО...

[liebnitz]

Здравейте,
Според това което се каните да правите, силно ви препоръчвам да не разваляте Icom-a а да направите ваш тунер базиран на Icom идеологията за конкретния модел.
Корекциите стават толкова много че накрая се очертава да остане само логото на Icom. В този ред на мисли е препоръчително след като сте се хванали да гоните максимума и да не задавайте въпроси като : "Дали да го правя ?" (Мисля че ако нямахте намерение да го правите нямаше да търсите "капацитори"); Изучете "проблемите" които сте описали най-отгоре и ...накратко очаквам крайния резултат. Ще следя развитието на темата (за мен е интересена). Струва ми се че кондензатори и бобини от УМ-50 може да ви свършат работа

[ahedproductions]

Здравейте,
Според това което се каните да правите...

Здравейте,
Въпросите са си въпроси, намерението ми не е окончателно. Кондерите се изработват по поръчка и са на изключително добра цена, качеството е перфектно.
Благодаря за мнението.

[ahedproductions]

Хайде колеги! 165 прочитания и само едно мнение! Има достатъчно опитни радиолюбители, кажете си думата. Ценя всяко мнение.
Имам кутия от ТЕС, мисля че цялата игра ще влезне в нея прекрасно.

[ahedproductions]

Реших да анализирам тунера чрез симулация с RFSim99. Измерих индуктивността и направих следната таблица с данни, които да вкарам в симулатора:
Обхват          Капацитет         Индуктивност
28                 12.5 - 250пФ      0.39мкХн
21                 12.5 - 250пФ      0.55мкХн
14                 12.5 - 250пФ      0.867мкХн
10                 12.5 - 250пФ      1.2мкХн
7                   12.5 - 250пФ      2.23мкХн
3.5                100  - 350пФ      4.21мкХн
1.8                120  - 370пФ      11.41мкХн

Настроих RFSim99 за суип през дадените обхвати с изход диаграма на Смит за параметъра S22, т.е. графиката ще ни покаже какви импеданси може да настрои тунера към 50 ома активно и самия обхват. Резултатите са далеч от оптимални. ICOM можеха да свършат доста по-добра работа в подбора на индуктивностите и да сложат по-големи променливи кондензатори. Добавянето на капацитет с релета стеснява обхвата на настройка и картинката на 3.5 и 1.8 е доста жалка. За Q фактор съм сложил 2000 за кондензаторите и 300 за индуктивностите. Реалността ще е друга, но няма да е много далеч от симулацията. Обикновенно на кондензаторите е по-ниско, а на индукторите по-високо. Нека първо ви покажа диаграмата на Смит за всички възможни комплексни импеданси R + jX с нанесени съпротивления и КСВ кръгове за ориентация:



По хоризонталната ос са разположени активните съпротивления от 0 в ляво до +∞ в дясно. Над оста са импедансите с индуктивен характер, в които напрежението изпреварва тока, чиито дъги са толкова по-извити, колкото е по-голяма реактивната съставка. Например дъгата +j100 е по-извита от дъгата +j25 поради логаритмичния характер графиката. Под хоризонталната ос са импедансите с капацитивен характер, в които тока изпреварва напрежението. Те са означени с негативни стойности на j. Активното съпротивление от 50 ома се намира в средата на графиката. Нека сега погледнем как стоят нещата с моя тунер.






Според мен едно по-добре обмислено Т-звено трябва да може да се справи доста по-добре, особенно към по-високите съпротивления и антените с индуктивен характер, като тук влизат много диполи, "дълги" жици и къси антени. Лошо.
Ще си поиграя с RFSim99 и ще симулирам вариант с два променливи по 500 пикофарада и други стойности на индуктивностите за обхватите.
Искам да изясня нещо предварително - не проектирам за най-малки загуби при настройка. Това се прави в последствие, след избор на опорните стойности. Ако се загледате на някои от графиките има силно защтриховани области. Те издават един известен факт за Т-звената - че за много импеданси има повече от една правилна (поне по КСВ) настройка на елементите. Но само една е с минимални загуби.  Това е за сега, ще качвам резултати от симулациите с напредването на работата!
Определено ще си преработвам тунера, така че въросът в първия пост отпада! 
 

[PDM]

По-добра направи нов тунер, недей разваля този!

[ahedproductions]

Защо, обясни ми? Дай някаква аргументация. Нямам възможност да направя нов автоматик, нито време, нито пари. Не искам ръчен.

Модифицирания тунер ще има отделни индуктивности, вместо 2 с изводи. Така ще получа по-високо Q и резултатите ще са още по-добри. За сега ми се очертават следните стойности индуктивност за 7-тте обхвата:
25,2 / 15,5 / 5,5 / 3 / 1,8 / 1,1 / 0,65 мкХн. Те дават най-добро покритие като компромис между покритията над и под 50 ома.

Моля давайте аргументи с мнението! Иначе просто "давай" или "недей" нищо не означават технически!

[veso74]

Според заявения КСВ в документацията на Icom АТ-150: Output matching range: 16,7 ~ 150 Om, VSWR 3:1 or less
зоната на безопасна работа на тунера е далеч по-малка.

Извън зоната (по-високо КСВ) напреженията в кондензаторите и тока през бобината растат. Дали ще се използва така или не остава като преценка на оператора. С тези оригинални компоненти и на макс. възможна мощност лично не бих рискувал извън зададените параметри.

За пример съм извадил зоната с SWR </= 3.

[PDM]

Защо, обясни ми? Дай някаква аргументация. Нямам възможност да направя нов автоматик, нито време, нито пари. Не искам ръчен.
Моля давайте аргументи с мнението! Иначе просто "давай" или "недей" нищо не означават технически!

Аз лично се ръководя от правилото - Ако нещо работи според техническата си спецификация, не се бута, докато не се повреди. Антенният тунер е технически изправен и работи според зададените параметри. Едва ли има възможност за някаква оптимизация, тъй като промяната на един елемент води до разсъгласуването на цялата верига, а и не е ясно как ще го отработи автоматичното управление. Ако параметрите не ме устройват, купувам или правя друго устройство. Това е личното ми виждане, което не ангажира никого.

[mirkata]

ahedproductions колко  по ясно да ти го кажат: не разваляй това, което си работи нормално и е направено от колектив конструктори в солидна фирма. Ти какво ще направиш, ами ще се опиташ да го побългариш, напълно позната история. И аз съм го правил. Но от практиката си разбрах, че в любителски условия много трудно се постигат желаните резултати, каквито и уреди да имаш на разположение. Да, възможно е да се постигнат добри и много добри резултати, но дали целта си оправдава средствата??
Та ако  послушаш колегите, имаш желанието, възможностите, частите и схемните решения ( ако правило съм разбрал ) ами то какво остава- да правиш ново устройство и да действаш смело и смахнато. Дааа, иска се време, то за всичко се иска време, даже и да се наобядваш стабилно и даже да се наспиш.
Та, действай смело и  смахнато и няма да сгрешиш.
 

[ahedproductions]

Добре, да обсъдим казаното.

Едва ли има възможност за някаква оптимизация, тъй като промяната на един елемент води до разсъгласуването на цялата верига, а и не е ясно как ще го отработи автоматичното управление.

О, място за оптимизация бол! Аз не променям един елемент. Променям максималните капацитети на променливите, позволявайки на тунера да загребе по-смело в горната дясна част на графиката. Всичките малки тунери имат една и съща болест - малки променливи кондензатори. Не виждам нищо солидно в решението да се сложат релета с постоянни кондери за паралелене на 1.8 и 3.5 - резултатът хич не е добър, направо си е компромис, защото на тези два обхвата дори 3:1 не бих казал, че се покрива. В какъв смисъл се "разсъгласува", кое по-точно? Автоматиката е базирана на два детектора - импедансен и фазов. Първия управлява изходния кондер, втория - входния. И двата детектора дават 0 волта при съвпадение (импедансния с 50 ома), не виждам причина да не работи схемата с по-голям обхват на капацитета на променливите. Има ли такава?

С тези оригинални компоненти и на макс. възможна мощност лично не бих рискувал извън зададените параметри.

Точно това е въпроса. Компонентите са нежнички. За да спестят пространство и да поберат тунера в кутия с височината/дълбочината на радиото, не само че са сложили и променливи с малък капацитет, но и са с малка междина, някъде 0.8мм. Реленцата са ок като цяло, индукторите също стават, но всичко е разполагано с оглед да се побере и това е наложило ред решения, които водят до компромиси. Ако разгледате платката на тунера (явяваше се вътрешен за първия от по-големите айкоми, в неговата сервизна има всичко за АТ-150) ще видите какви писти са, що релета, как не са успели да прекарат хубав граундплейн на платката заради веригите за управление на релетата и т.н. Ако извадя всичко от кутията и използвам СЪЩИТЕ части, без промени по схемата, разполагайки ги както си трябва без платка и с максимално кратки вериги, ще получа по-добри резултати.

Истината е, че с последния вариант на антената тунера се справя добре. Можете да ме чуете как викам на 20 тук - https://dl.dropboxusercontent.com/u/25901379/websdr_recording_start_2016-10-06T17_57_32Z_14132.0kHz.wav - записът е от SDR-а в Туенте, Холандия, от преди малко.
КСВ е някъде към 4, но няма искрене, дори при 100 вата на телеграф. Но това е само тук, на 7 има зор.

Има и още един вариант - да ви послушам. Обаче все пак ми трябва тунер с по-сериозен обхват и по-качествена изработка. Какъв ми е варианта тогава?
За да избягам от сложността на Т звеното и от шанса да се попадне на повече от една правилна настройка с потенциално големи загуби, мога да последвам примера на Palstar AT2KD и MFJ-986 и да направя диференциален Т-тунер. В този случай, туй като ще имам само една правилна настройка, мога да използвам просто КСВ детектор (който мога да направя много по-добре от всички останали типове) и да взема на заем част от схемата на АТ-150, по-точно усилвателите на грешката и драйвера за мотора. Така управлението ще е много лесно. Обаче си остава проблема с индуктора. Не искам да ползвам вариометър по известни причини, а ролер няма от къде да намеря. А и да имаше, се чудя, пак ли по КСВ да го управлявам е въпроса? Или да направя една добра симулация в RFSim99 на схемата и да сложа честотен бандов декодер, който да превключва бобините според честотата.

Ще си поиграя да направя една симулация сега, да видим как се държи диференциалното звено. Ако получа добри резултати с фиксирани индуктивности няма да барам 150-ката и ще се пробвам да направя изцяло нов АТ. Пък и схемата ще споделя с всички, може някой да се пробва след мен. Ще пиша как върви!
Благодаря за коментарите!
 

[veso74]

Предвид загубите, изпълнимите стойности на компонентите и избраното Q за конкретната конфигурация на съгласувашия двуполюсник, отношението на съгласуваните импедансите е ограничено. Ако последното е високо, следващата стъпка е използване на схеми от по-висок ред.

Калкулатор от първа страницана на търсачката:
https://home.sandiego.edu/~ekim/e194rfs01/jwmatcher/matcher2.html

Груб мой пример за изчисление: Избран входен импеданс: 50 Ома, изходен: 500 Ома
Първото звено е неизпълнимо, а с второто съгласуването е изпълнимо.

Недостатъците са големи: 4 съгласуващи компонента, голям обем, сложно превключване и/или алгоритъм за автоматичия режим.

Любителските обхвати са с ясни определени граници и са теснолентови. Антените ни в повечето случаи не са слчуайни. П или Т схемата трябва да е достатъчна да приведе антенната система с импеданс в нормалните стойности за предавателя.

Вярно, може да сме максималисти в изискванията си да построим идеалната верига за всички възможни случаи на приложение (примерно като техника със специално предназначение, работеща със случайна антена), но всеки си преценява това.

Лично бих оставил тунера така, както е, а при нужда бих свързвал примерно още едно Г звено. Но е по-добре да си подстроим антените

[ahedproductions]

В момента правя реверс инженеринг на схемата на тунера, за да мога да сваля само единия канал на серво-настройката, т.е. управлението за единия мотор. След премахване на повечето гмеч, както и на твърдите настройки, схемата стана доста простичка и изчистена. Не мисля, че бих имал проблем да направя два канала и да ги управлявам с един детектор на обратните загуби. Така ще мога да направя чисто нов тунер, но Диференциално-Т. Поръчах кондензаторите, сега се чудя как да си направя ролер-индуктор, че диференциалното Д не става с превключване на индуктивности, няма да може да намери решение така. Остава някаква детекция на честотата, може би с ПИК процесор, която да ми позволи някаква предварителна настройка бърза, така че да не се получават високи напрежения върху елементите, дори при няколко вата за настройка на входа. Мисля, че по този начин - http://f5imv.pagesperso-orange.fr/swr-schematic.jpg - ще получа необходимия сигнал за управление. Мен реално не ме интересува каква е мощността в права посока, а каква е отразената. Отношението между двете, наречено КСВ, не засяга работата на тунера.



Целта на схемата за управление ще е да докара отразената мощност до нула, или поне до минимум. Имам си КСВ метър, той ще си покаже какво е положението откъм радиото.