Согласование импеданса с помощью LC-схем

28 октября 2019

Антенна delta loop, которая сейчас является моей основной КВ-антенной, имеет одно неудобство. Дело в том, что для смены радиолюбительского диапазона постоянно приходится крутить ручки тюнера, настраиваясь по минимуму КСВ. Спрашивается, а нельзя ли как-то сообразить коробочку с одной-единственной ручкой, просто переключающей диапазоны? Как выяснилось, можно, притом сделать такую коробочку не сложно.

Любой входной импеданс антенны для заданной частоты можно согласовать с 50-иомным коаксиальным кабелем при помощи LC-схемы. То есть, цепи, состоящей ровно из одного конденсатора и одной катушки индуктивности. Описание теории и сопутствующих математических формул можно найти во множестве источников, взять хотя бы Wikipedia. Я не вижу большого смысла пытаться ее пересказывать, поэтому далее по тексту мы сосредоточимся на практике.

С практической точки зрения уже написано много готовых калькуляторов. Вы просто вводите в них входной импеданс антенны и частоту, а калькулятор показывает вам LC-схему и номиналы компонентов. Больше других мне понравился калькулятор на сайте leleivre.com. Поскольку код компилятора на JavaScript доступен в исходнике страницы, я сделал его оффлайн-версию на языке Python. А то вдруг когда-нибудь с сайтом что-то случится.

Для определения входного сопротивления антенны на разных диапазонах был использован антенный анализатор EU1KY. Сопротивление измерялось в середине каждого диапазона для двух вариантов антенны, с балуном по току 1:4 и без него. Результаты представлены ниже:

Band    Frequency    No balun       1:4 balun
-------------------------------------------------
80m     3.650 MHz    8466-9907j     338-1038.6j
40m     7.100 MHz    38.2-278j      10.8-58.9j
30m    10.125 MHz    5984-50j       940.3-170.9j
20m    14.174 MHz    52.7-325j      11-64.7j
17m    18.117 MHz    488-1132j      78-236.6j
15m    21.224 MHz    92.7-289.4j    12.2-57.6j
12m    24.940 MHz    1407-158j      248-210j
10m    28.850 MHz    131-213j       13.9-36j

То, что реактивное сопротивление везде получилось отрицательным (антенна проявляет емкостные свойства) — это не ошибка, я перепроверял. С помощью LC-цепи можно согласовать любой вариант. Однако для выхода на 80 метров без балуна 1:4 придется мотать катушку индуктивностью 41.3 мкГн, а это очень немаленькая катушка. Поэтому было решено согласовывать вариант с балуном. Все равно он сейчас лежит без дела.

Калькулятор предлагает по две различных LC-цепи для каждого диапазона. Исходя из номиналов компонентов, а также для однообразия, было решено согласовывать все диапазоны при помощи так называемой high pass step down схемы:

Принципиальная схема согласующей LC-цепи

Здесь J1 является входом, а J2 — выходом. Номиналы компонентов и способ изготовления соответствующих катушек:

  • 80 метров — C = 104.542 пФ, L = 13.482 мкГн. Катушка представляет собой 27.7 витка эмалированной проволоки толщиной 0.9 мм на цилиндрическом каркасе диаметром 25 мм;
  • 40 метров — C = 188.771 пФ. L = 0.950 мкГн, 5.4 витка проволокой толщиной 1.5 мм на каркасе 25 мм;
  • 30 метров — C = 73.236 пФ. L = 3.412 мкГн, 14.3 витка проволокой 2 мм на каркасе 25 мм;
  • 20 метров — C = 85.924 пФ. L = 0.517 мкГн, 6.8 витка проволокой 1.5 мм на каркасе 13 мм;
  • 17 метров — C = 45.496 пФ. L = 1.014 мкГн, 6 витков проволокой 2 мм на каркасе 25 мм;
  • 15 метров — C = 69.305 пФ. L = 0.309 мкГн, 4.75 витка проволокой 1.5 мм на каркасе 13 мм;
  • 12 метров — C = 46.553 пФ. L = 0.757 мкГн, 8.9 витков проволокой 1.5 мм на каркасе 13 мм;
  • 10 метров — C = 103.212 пФ. L = 0.161 мкГн, 3.1 витка проволокой 1.5 мм на каркасе 13 мм;

Для определения числа витков катушки был использован калькулятор coil32.ru, или, если быть точнее, его оффлайн версия на языке Python. Диаметр каркаса и толщина проволоки выбирались исходя из доступных материалов.

При изготовлении катушек я мотал пару лишних витков. У меня плохо получается мотать катушки в точности виток к витку, из-за чего индуктивность снижается. Идея была в том, чтобы получить индуктивность чуть выше требуемой, а затем растянуть катушки, ориентируясь на графики КСВ. Конденсаторы были использованы NP0, рассчитанные на напряжение 3 кВ. Само собой разумеется, подобрать в точности какие-нибудь 104.542 пФ не представляется возможным. Точность ±1 пФ во время подбора считалась приемлемой.

Внутренний вид коробочки после растягивания катушек получился следующим:

Внутренний вид самодельного согласующего устройства

Выглядит жутко, отрицать не стану. Но кому какое дело как оно там выглядит внутри корпуса? Главное, что работает.

Вход устройства находится слева. Он подключен к запорному дросселю, от которого кабель идет к трансиверу. Выход находится справа. Он подключен к балуну 1:4, который в свою очередь соединен с полотном антенны.

Корпус 171х121х55 мм был приобретен в Чип-и-Дипе. Переключатель на восемь положений с двумя контактными группами был куплен на eBay. Плата устройства выполнена из фольгированного текстолита, на котором с помощью дремеля были вырезаны «островки». В качестве каркаса катушек были использованы трубки ПВХ. Прочие компоненты по моим представлениям большого интереса не представляют.

Важно! Соблюдайте осторожность при пайке проволоки к переключателю. В нем используется пластмасса, которую легко расплавить. Кроме того, припой может растечься так, что переключение станет невозможным. Один переключатель я так запорол. К счастью, имелся запасной.

Подписи к переключателю были сделаны маркером, от руки:

Внешний вид самодельного согласующего устройства

А так выглядят графики КСВ на основных КВ-диапазонах:

Графики КСВ антенны, согласованной по LC-схеме

На узкополосных WARC-диапазонах были получены КСВ 1.5 для 12 метров, 1.4 для 17 метров и 1.2 для 30 метров. Увы, на 10 и 80 метрах удалось добиться приемлемого согласования лишь на части диапазонов, даже если брать по уровню КСВ < 3. Для 10 метров с его полосой в целых 1.7 МГц это не удивительно. Антенна была настроена на нижнюю часть диапазона, где работают цифровыми видами связи. Их я в основном и собираюсь использовать на десятке, когда и если она будет открыта. На 80 метрах антенна все равно не претендовала на невероятную эффективность. Поэтому она была настроена на SSB участок, для проведения радиосвязей на небольшие расстояния.

Как можно видеть, не на всех диапазонах удалось добиться идеального согласования «в единицу», а часть катушек пришлось растягивать чуть ли не на полкорпуса. Некоторое расхождение теории с практикой объясняется наличием в цепи паразитных емкостей и индуктивностей, взаимной индукцией катушек, ошибкой измерения антенного анализатора и, конечно же, криворукостью автора. Тем не менее, выглядит так, как если бы антенной можно было пользоваться. Давайте проверим ее в эфире.

Тестовые радиосвязи проводились в режимах FT8 с мощностью 40 Вт и SSB с мощностью 100 Вт на диапазонах от 15 до 80 метров. В каждом из диапазонов были получены хорошие рапорты. Субъективно никакой разницы по сравнению с использованным ранее тюнером MFJ-971 замечено не было. В согласующем устройстве ничего не пробивает, не перегревается и не искрит. На момент тестирования в диапазонах 12 и 10 метров прохождение отсутствовало. Но судя по показаниям индикатора напряженности поля на них с антенной тоже все ОК.

Fun fact! Пара идей по улучшению согласующего устройства. Для диапазона 10 метров можно использовать несколько положений «10m LOW» и «10m HIGH», каждое со своей LC-цепью. Управлять СУ можно удаленно, воспользовавшись вместо переключателя несколькими реле.

Настало время подвести итоги. Все указывает на то, что антенна работает не хуже, чем раньше. Только теперь мне не нужно постоянно крутить ручки, а MFJ-971 освободился под другие задачи. Считаю, что цель была достигнута.

В заключение стоит отметить, что в среднем LC-схема имеет меньшие потери, чем используемая в тюнерах T-образная схема. Дело в том, что последняя представляет собой две последовательные LC-схемы, где параллельные катушки заменены на одну эквивалентную.

Метки: , , .

Понравился пост? Узнайте, как можно поддержать развитие этого блога.

Также подпишитесь на RSS, Facebook, ВКонтакте, Twitter или Telegram.