Согласующее устройство (UT2FW)
02.03.2018Согласующие устройства
Опыт многочисленных контактов и общения с пользователями транзисторной техники, говорит о том, что редко какой радиолюбитель, не занимающийся постоянно конструированием, делает попытки разобраться в вопросах согласования трансивера с нагрузкой. Мысли о согласовании в таких головах начинают возникать только после случившейся аварии в аппаратуре.
Ничего не поделать – реалии сегодняшнего таков. Экзамены при получении категорий до сих пор не стали популярны, в лучшем случае – это сдача телеграфной азбуки. Хотя для современных условий на мой взгляд более целесообразно проверять именно техническую грамотность – поменьше было бы «групповух для работы на даль» и «рассусоливаний» по поводу преимуществ UW3DI перед «всякими Айкомами и Кенвудами»… Хотелось бы акцентировать внимание счастливых пользователей буржуинской техники без антенных тюнеров, да и самодеятельных конструкторов тоже, на этом очень важном вопросе.
Автора радует тот факт, что реже и реже на диапазонах слышны разговоры о том, что если это транзисторный ШПУ – то обязательны TVI или постоянное «вылетание» выходных транзисторов. Если транзисторный усилитель спроектирован правильно, грамотно изготовлен и при эксплуатации постоянно не превышаются максимальные режимы радиоэлементов, то он практически «вечен», теоретически в нём сломаться ничего не может. Обращаю внимание на то, что если постоянно не превышаются максимально допустимые параметры транзисторов — они никогда не выходят из строя. Кратковременную перегрузку, особенно транзисторы, предназначенные для линейного усиления КВ диапазона, выдерживают достаточно легко.
Изготовители мощных ВЧ транзисторов проверяют надёжность произведённого продукта таким способом — берётся ВЧ резонансный усилитель, после того, как на выходе устанавливаются оптимальный режим и номинальная мощность, вместо нагрузки подключают испытательное устройство. Элементы настройки позволяют менять активную и реактивную составляющие нагрузки.
Если в оптимальном режиме нагрузка связана с испытуемым транзистором через линию с волновым сопротивлением 75Ом, то обычно в рассматриваемом устройстве отрезок линии замыкается резистором сопротивлением 2,5 или 2250 Ом. При этом КСВ будет равен 30:1.
Такое значение КСВ не позволяет получить условия от полного обрыва до полного короткого замыкания нагрузки, но реально обеспечиваемый диапазон изменений достаточно близок к этим условиям.
Завод-изготовитель гарантирует исправность транзисторов, предназначенных для линейного усиления КВ сигнала при рассогласовании нагрузки 30:1 в течение не менее 1 секунды при номинальной мощности. Этого времени вполне достаточно для срабатывания защит от перегрузки. Работа при таких значениях КСВ не имеет смысла, т.к. эффективность практически «нулевая» речь, конечно, идёт об аварийных ситуациях. Из-за того, что в транзисторной технике, как правило, цепи приёмника и передатчика широкополосные, они обычно настраиваются под сопротивления 50 или 75 Ом. Поэтому, для получения заявленных характеристик на ТRХ, требуется обеспечить активную нагрузку сопротивлением 50 или 75 Ом как приёмнику, так и передатчику. Специально выделил, что для приёмного тракта все эти требования аналогичны!
При отклонении от номинальных нагрузочных сопротивлений, например в полосовых фильтрах приёмника, появляются дополнительные провалы в АЧХ, падает чувствительность, УВЧ из-за отсутствия оптимальной нагрузки изменяет свои параметры, иногда вплоть до подвозбуда. Расстроенные полосовики влияют на работу первого смесителя, может произойти разбаланс плеч и соответственно появятся дополнительные паразитные каналы приёма и «поражёнки». Конечно, в приёмнике это никак ни на ощупь, ни на цвет или вкус без приборов не заметить. По- видимому из-за этого некоторые радисты с пеной у рта отстаивают преимущество старых РПУ типа Р-250, Крот и им подобных перед современной техникой.
Старая техника чаще всего комплектуется подстраиваемым (или перестраиваемым) входом, которым можно согласовать вход РПУ с проволокой-антенной с «КСВ=1 почти на всех диапазонах». Если есть желание проверить действительно как качественно или не очень согласована цепь вход ТRХ – антенна нужно собрать примитивнейшее согласующее устройство, например П-контур из двух КПЕ максимальной емкостью не менее 1000 пф (если предполагается проверка и на НЧ диапазонах) и катушкой с изменяемой индуктивностью, включить это СУ между ТRХ и антенной и покрутить ручки.
В случае если номиналы всех элементов будут стремиться к нулю (к минимальным значениям) при наилучшем качестве приёма (это можно слышать по максимальному «нюху» ТRХ) – можете смело выбросить СУ и со спокойной совестью работать в эфире и дальше, по крайней мере, слушать диапазоны.
Для передатчика отсутствие оптимальной нагрузки может окончиться более печально. Рано или поздно ВЧ мощность, отражённая от неноминальной нагрузки находит слабое место в TRX и «выжигает» его, точнее не выдерживает какой-нибудь из элементов такой перегрузки. Конечно, можно и ШПУ изготовить абсолютно надёжным (например, с транзисторов снимать не более 20% мощности) но тогда по стоимости он будет сопоставим с узлами дорогой импортной техники. Для примера – ШПУ 100Вт производимого в Штатах в виде набора для трансивера К2 стоит 359$, а тюнер для него стоит 239$. И они идут на такие затраты дабы получить «всего-то, какое-то согласование» о котором не задумываются многие наши пользователи…
Для того чтобы избежать этих проблем, существует довольно дешёвый и простой способ — применение дополнительного внешнего согласующего устройства.
Вся промышленная приёмо-передающая аппаратура (и ламповая в том числе) комплектуется не только фильтрующими, но и дополнительно, согласующими блоками. Возьмите к примеру ламповые радиостанции Р140, Р118, Р130 — у них согласующие устройства занимают не менее четверти объёма станции. А транзисторная широкополосная передающая техника вся, без исключения, комплектуется такими согласователями.
Изготовители идут даже на увеличение себестоимости этой техники — комплектуют автоматическими СУ (тюнерами). Но эта автоматика призвана для того, чтобы обезопасить радиоаппаратуру от бестолкового пользователя, который смутно себе представляет — чего он должен крутить и зачем.
Предполагается, что радиолюбитель с позывным обязан иметь минимальное представление о процессах, происходящих в антенно-фидерном устройстве его радиостанции. В зависимости от того, какие антенны применяются, можно использовать то или иное согласующее устройство. Заявление о том, что «у меня КСВ антенны почти единица на всех диапазонах и СУ не нужно» — показывают об отсутствии минимальных знаний по этой теме. «Физику» здесь ещё никому не удалось обмануть — никакая качественная резонансная антенна не будет иметь одинаковое сопротивление ни внутри всего диапазона, ни тем более на разных диапазонах. Что и происходит чаще всего — устанавливается или «инвертед-V» на 80 и 40 м, или рамка с периметром 80 м, а в худшем случае совмещается работа бельевой верёвки с «антенной».
Особенно «талантливые» изобретают универсальные штыри и «морковки», которые по безапелляционным заверениям авторов — «Работают на всех диапазонах практически без настройки!». Настраивается такое сооружение в лучшем случае на одном-двух диапазонах и всё — вперёд, «зовём — отвечают, что ещё больше нужно?» Печально, что для увеличения «эффективности работы» таких антенн все поиски приводят к «радио-удлинителям» типа выходного блока от Р-140 или Р-118. Достаточно послушать любителей «работать в группе на даль» ночью на 160, 80, а в последнее время такое можно уже встретить и на 40, 20м. Если антенна имеет КСВ=1 на всех диапазонах (или хотя бы на нескольких) — это не антенна, а активное сопротивление или тот прибор, которым измеряется КСВ, «показывает» окружающую температуру (которая в комнате обычно постоянна). Не знаю — удалось или нет, мне убедить читателя в обязательном применении СУ, перейду к конкретным схемам. Выбор зависит от применяемых на станции антенн. Если входные сопротивления излучающих систем не опускаются ниже 50 Ом, можно обойтись примитивным согласующим устройством Г-образного типа, Рис.1

т.к. оно работает только в сторону повышения сопротивления. Для того чтобы это же устройство «понижало» сопротивление, его нужно будет включить наоборот, поменять местами вход и выход. Автоматические антенные тюнеры почти всех импортных трансиверов выполнены по схеме Рис.2.

Антенные тюнеры в виде отдельных устройств фирмы изготавливают чаще по схеме, Рис.3

С помощью двух последних схем можно обеспечить КСВ=1 практически на любой кусок провода. Не нужно забывать, что КСВ=1 говорит о том, что передатчик имеет оптимальную нагрузку, но это ни в коей мере не характеризует эффективную работу антенны. С помощью СУ по схеме Рис.2 можно согласовать щуп от тестера в качестве антенны с КСВ=1, но кроме ближайших соседей эффективность работы такой «антенны» никто не оценит. В качестве СУ можно использовать и обычный П-контур, Рис.4

его преимущество — не нужно изолировать конденсаторы от корпуса, недостаток — при большой выходной мощности трудно найти переменные конденсаторы с требуемым зазором. По СУ Рис.3 есть информация в [1] стр.237. Во всех фирменных СУ в этой схеме есть дополнительная катушка L2, она бескаркасная, провод диаметром 1,2-1,5 мм, 3 витка, оправка диаметром 25 мм, длина намотки 38 мм. При применении на станции более-менее диапазонных антенн и если не предполагается работа на 160м, индуктивность катушки может не превышать 10-20мкГн. Очень важен момент получения индуктивностей малых значений, до 1-3 мкГн.
Шаровые вариометры для этих целей обычно не подходят, т.к. индуктивность перестраивается в меньших пределах, чем у катушек с «бегунком». В фирменных антенных тюнерах применяются катушки с «бегунком» у которых первые витки намотаны с увеличенным шагом — это сделано для получения малых индуктивностей с максимальной добротностью и минимальной межвитковой связью. Достаточно качественное согласование можно получать при применении «вариометра бедного радиолюбителя». Это две последовательно включенные катушки с переключением отводов, Рис.5.

Катушки бескаркасные, намотаны на оправке диаметром 20 мм, провод диаметром 0,9-1,2 мм (в зависимости от предполагаемой мощности), по 35 витков. Затем катушки сворачиваются в кольцо и своими отводами припаиваются на выводы обычных керамических переключателей на 11 положений. Отводы у одной катушки следует сделать от чётных витков, у другой от нечётных, например — от 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 19, 23, 27-го витков и от 2, 4, 6, 8, 10, 14, 18, 22, 28, 30-го витков.
Включив две такие катушки последовательно, можно переключателями подобрать требуемое количество витков, тем более что для СУ не особенно важна точность подбора индуктивности. С главной задачей — получением малых индуктивностей, «вариометр бедного радиолюбителя» справляется успешно. Кстати, в тюнере такого дорогого ТRХ как TS-940 применяется всего лишь 7 отводов, а автоматических антенных тюнерах AT-130 от ICOM — 12 отводов, АТ-50 от Kenwood — 7 отводов — поэтому не подумайте, что описываемый здесь вариант – «примитив, который не заслуживает Вашего внимания». В нашем случае имеем даже более «крутой» вариант – соответственно более точную настройку – 20 отводов.
Зазоры между пластинами в КПЕ должны выдерживать предполагаемое напряжение. Если применяются низкоомные нагрузки, можно обойтись КПЕ от старых типов РПУ, при выходной мощности до 200-300Вт. Если высокоомные — придётся подобрать КПЕ от радиостанций с требуемыми зазорами. Расчёт простой — 1 мм выдерживает 1000В, предполагаемое напряжение можно найти из формулы Р=U`(в квадрате) /R, где Р — мощность, R — сопротивление нагрузки, U — напряжение. Обязательно на радиостанции должен быть переключатель, при помощи которого трансивер отключается от антенны в случае грозы или нерабочем состоянии, т.к. более 50% случаев выхода из строя транзисторов связаны с наводкой статического электричества. Его можно ввести или в щиток переключение антенн или в СУ.
Описание согласующего устройства
Как итог различных опытов и экспериментов по этой теме привели автора к схеме П-образного «согласователя».

Конечно, сложно избавиться от «комплекса схемы буржуинских тюнеров» (Рис.2) — эта схема имеет важное преимущество – антенна (по крайней мере, центральная жила кабеля) гальванически развязана от входа трансивера через зазоры между пластинами КПЕ. Но безрезультатные поиски подходящих КПЕ для этой схемы вынудили отказаться от неё. Кстати, схему П-контура используют и некоторые фирмы, выпускающие автоматические тюнеры – та же американская KAT1 Elekraft или голландская Z-11 Zelfboum. Помимо согласования П-контур выполняет ещё и роль фильтра нижних частот, что весьма неплохо для перегруженных радиолюбительских диапазонов, наверное, вряд ли кто-то откажется от дополнительной фильтрации ненужных гармоник. Главный недостаток схемы П-контура – это потребность в КПЕ с достаточно большой максимальной ёмкостью, что меня наводит на мысль, почему и не применяются такие схемы в автоматических тюнерах импортных трансиверов. В Т-образных схемах чаще всего используются два КПЕ перестраиваемые моторчиками и понятно, что КПЕ на 300пф будет намного меньше размером, дешевле и проще, нежели КПЕ на 1000пф.
В СУ применены КПЕ от ламповых приёмников с воздушным зазором 0,3 мм, обе секции включены параллельно. В качестве индуктивности применена катушка с отводами, переключаемыми керамическим галетным переключателем. Катушка бескаркасная 35 витков провода 0,9-1,1 мм намотана на оправке диаметром 21-22 мм, свёрнута в кольцо и своими короткими отводами припаяна к выводам галетного переключателя. Отводы сделаны от 2,4,7,10,14,18,22, 26,31 витков. КСВ-метр изготовлен на ферритовом кольце. Для КВ решающего значения проницаемость кольца в общем-то не имеет – применено кольцо К10 проницаемостью 1000НН. Оно обмотано тонкой лакотканью и на неё намотано 14 витков в два провода без скрутки ПЭЛ 0,3, начало одной обмотки, соединённое с концом второй образуют средний вывод.
В зависимости от требуемой задачи, точнее от того какую мощность предполагается пропускать через это СУ и качества излучающих светодиодов, детектирующие диоды D2,D3 можно использовать кремниевые или германиевые. От германиевых диодов можно получить бОльшие амплитуды и чувствительность. Наилучшие – ГД507. Но так как автор применяет трансивер с выходной мощностью не менее 50 Вт, достаточно и обычных кремниевых КД522. Как «ноу хау» в этом СУ применена светодиодная индикация настройки помимо обычной на стрелочном приборе.
Для индикации «прямой волны» применён зелёного цвета светодиод AL1, а для визуального контроля за «обратной волной» — красного цвета AL2. Как показала практика – это решение очень удачно – всегда можно оперативно отреагировать на аварийную ситуацию – если что-то случается во время работы с нагрузкой красный светодиод начинает ярко вспыхивать в такт с передатчиком, что не всегда так заметно по стрелке КСВ-метра. Не будешь же постоянно пялиться на стрелку КСВ-метра во время передачи, а вот яркое свечение красного света хорошо видно даже боковым зрением. Это положительно оценил RU6CK когда у него появилось такое СУ (к тому же у Юрия плохое зрение). Уже более года и сам автор использует в основном только «светодиодную настройку» СУ – т.е. настройка сводится к тому, чтобы погас красный светодиод и ярко полыхал зелёный. Если уж и захочется более точной настройки – можно по стрелке микроамперметра её «выловить».
Настройка прибора выполняется с использованием эквивалента нагрузки на который рассчитан выходной каскад передатчика. Присоединяем СУ к TRX минимальной (насколько это возможно – т.к. этот кусок в дальнейшем и будет задействован для их соединения) длины коаксиалом с требуемым волновым сопротивлением, на выход СУ без всяких длинных шнурков и коаксиальных кабелей эквивалент, выкручиваем все ручки СУ на минимум и выставляем при помощи С1 минимальные показания КСВ-метра при «отражёнке». Следует заметить – выходной сигнал для настройки не должен содержать гармоник (т.е. должен быть фильтрованный), в противном случае минимума не найдётся. Если конструкция будет выполнена правильно – минимум получается в районе минимальной ёмкости С1. Меняем местами вход-выход прибора и снова проверяем «баланс».
Проверяем настройку на нескольких диапазонах – если всё ОК, тогда настройка на минимум совпадёт в различных положениях. Если не совпадает или не «балансируется» — ищите более качественное «масло» в голову изобретателя… Только слёзно прошу – не задавайте автору вопросов по теме как делать или настраивать такое СУ – можете заказать готовое, если не получается сделать самостоятельно. Светодиоды нужно выбрать из современных с максимальной яркостью свечения при максимальном сопротивлении. Мне удалось найти красные светодиоды сопротивлением 1,2 кОм и зелёные 2 кОм. Обычно зелёные светятся слабо – но это и неплохо – ёлочную гирлянду не делаем. Главная задача, чтобы он достаточно отчётливо светился в штатном режиме на передачу трансивера.
А вот красный в зависимости от целей и предпочтений пользователя можно выбрать от ядовито-малинового до алого. Как правило – это светодиоды диаметром 3-3,5 мм. Для более яркого свечения красного применено удвоение напряжения – введён диод D1. Из-за этого точным измерительным прибором наш КСВ-метр уже не назовёшь – он завышает «отражёнку» и если захочется вычислить точное значение КСВ – придётся это учитывать. Если есть потребность именно в измерении точных значений КСВ – нужно применить светодиоды с одинаковым сопротивлением и сделать два плеча КСВ-метра абсолютно одинаковыми – или с удвоением напряжения оба или без него оба. Только в этом случае получим одинаковое значение напряжений, поступающее от плеч Тр до МА. Но скорее нас более волнует не какой именно имеем КСВ, а то, чтобы цепь TRX-антенна была согласована.
Для этого вполне достаточно показаний светодиодов. Это СУ эффективно при применении с антеннами несимметричного питания через коаксиальный кабель. Автором проведены испытания на «стандартные» распространённые антенны «ленивых» радиолюбителей – рамку периметром 80м, Инвертед-V совмещённые 80 и 40 м, треугольник периметром 40 м, пирамиду на 80м. Константин RN3ZF такое СУ применяет со штырём, Инвертед-V в том числе и на WARC диапазонах, у него FT-840. UR4GG применяет с треугольником на 80м и трансиверами «Волна» и «Дунай». UY5ID согласовывает ШПУ на КТ956 с многосторонней рамкой периметром 80м с симметричным питанием, использует дополнительный «переход» на симметричную нагрузку. Если при настройке не удаётся погасить красный светодиод (достичь минимальных показаний прибора) это может говорить о том, что помимо основного сигнала в излучаемом спектре есть ещё составляющие и СУ не в состоянии пропустить их и согласовать одновременно на всех излучаемых частотах. И те гармоники, которые лежат выше основного сигнала по частоте, не проходят через ФНЧ, образуемый элементами СУ отражаются и на обратном пути «поджигают» красный светодиод.
О том, что СУ не «справляется» с нагрузкой может говорить лишь только тот факт, что согласование происходит при крайних значениях (не минимальных) параметров КПЕ и катушки – т.е. не хватает ёмкости или индуктивности. Ни у кого из пользователей на перечисленные антенны ни на одном из диапазонов таких случаев не отмечено. Испытано применение СУ с «верёвкой» — проводом длиной 41 м. Не следует забывать, что КСВ-метр является измерительным прибором только в случае обеспечения с обеих его сторон нагрузки при которой он балансировался.
При настройке на «верёвку» светятся оба светодиода и за точку отсчёта можно взять максимально яркое свечение зелёного при минимально возможном красного. Можно предположить, что это будет наиболее верная настройка – на максимум отдачи в нагрузку. Ещё хотелось бы отметить – ни в коем случае нельзя переключать отводы катушки при излучении максимальной мощности. В момент переключения происходит разрывание цепи (хотя и на доли секунды) – резко меняется индуктивность – соответственно подгорают контакты галетного переключателя и резко меняется нагрузка трансиверу. Переключение галетного переключателя нужно производить при переводе трансивера на RX. В качестве микроамперметра применён прибор М68501 с током полного отклонения 200 мка. Можно применить и М4762 — их применяли в магнитофонах «Нота», «Юпитер».
Понятно, что С1 должен выдерживать напряжение выдаваемое трансивером в нагрузке. Информация для дотошных и «требовательных» читателей – автор осознаёт, что такого типа КСВ-метр не является прецизионным высокоточным измерительным прибором. Но изготовления такого устройства и не ставилось. Основная задача была – обеспечить трансиверу с широкополосными транзисторными каскадами оптимальную согласованную нагрузку, ещё раз повторю – как передатчику, так и приёмнику. Приёмник в той же полной мере нуждается в качественном согласовании с антенной, как и мощный ШПУ! Кстати, если в вашем радио оптимальные настройки для приёмника и передатчика не совпадают – это говорит о том, что настройка или вообще толком не производилась, а если и производилась – то, скорее всего только передатчика и полосовые фильтры приёмника имеют оптимальные параметры при других значениях нагрузок, нежели это было отлажено на передатчике.
Задача нашего КСВ-метра – показать, что кручением ручек СУ мы добились тех параметров нагрузки, которую присоединяли к выходу ANTENNA во время настройки. И можем спокойно работать в эфире, зная, что теперь трансивер не «пыжится и молит о пощаде», а имеет почти ту же нагрузку, на которую его и настраивали. Это, конечно, не говорит о том, что ваша антенна от этого СУ стала работать лучше, не нужно забывать об этом! Для страждущих о прецизионном КСВ-метре могу рекомендовать его изготовить по схемам, приведённым во многих зарубежных серьёзных изданиях или купить готовый прибор. Но придётся раскошелиться – действительно приборы от известных фирм стоят от 50$ и выше, СВ-ишные польско-турецко-итальянские не беру во внимание.
В виде готового изделия это СУ может выглядеть таким образом: