Теория работы. Некоторые основные положения об импедансе

ТЕОРИЯ РАБОТЫ. Некоторые основные положения об импедансе

Теоретическое обоснование функционирования антенн и трансмиссии довольно сложно и оперирует таким математическим понятием, как комплексные числа, состоящие из действительной и мнимой части. Данное руководство не ставит себе цель объяснять данную область, но некоторые основные сведения помогут Вам понять, для чего нужен автоматический тюнер АТ-1000ProII и как именно он выполняет свою работу.

В простых контурах постоянного тока провод порождает сопротивление току, преобразуя часть тока в тепло. Отношение между напряжением, силой тока и сопротивлением описывается знаменитым изящным законом Ома, названным в честь немецкого физика Георга Симона Ома, который открыл этот закон в 1826 г. В контурах РЧ существует аналогичная, но более сложная закономерность.

Контуры РЧ также порождают сопротивление электрическому току. Однако наличие ёмкостных и индуктивных элементов вынуждает напряжение соответственно опережает или отстаёт по фазе от тока. В контурах РЧ такое напряжение электрическому току называется «импеданс» и может включать все три элемента: резистивный, ёмкостный и индуктивный.

Выходной контур трансмиттера состоит из катушек индуктивности и конденсаторов, обычно подсоединённых последовательно или параллельно, в так называемой П-образной схеме. Линия передачи может быть представлена как длинная линия катушек индуктивности и конденсаторов, подсоединённых последовательно или параллельно, а антенна – как колебательный контур. На любой радиочастоте они оба могут демонстрировать сопротивление, или импеданс, в виде ёмкостного или индуктивного реактивного сопротивления.

Трансмиттеры, линии передачи, антенны и импеданс

Выходной контур трансмиттера, линия передачи и антенна обладают характеристическим импедансом. По причинам, объяснение которых выходит за пределы данного руководства, стандартный импеданс равен 50 Ом, при нулевых ёмкостном и индуктивном компонентах. Если все три части системы обладают одинаковым импедансом, такая система называется согласованной, и происходит максимальная передача мощности от трансмиттера к антенне. Пока импеданс выходного контура трансмиттера и линии передачи держится на фиксированном, тщательно подобранном уровне, сопротивление в антенне равно 50 Ом, реактивная составляющая отсутствует, и антенна функционирует на своей естественной резонансной частоте. На других частотах будет наблюдаться ёмкостное или индуктивное реактивное сопротивление, порождающее импеданс, не равный 50 Ом.

Если импеданс антенны отличается от импеданса трансмиттера и линии передачи, существует так называемая «несогласованность». В этом случае часть энергии РЧ, идущей от трансмиттера, отражается от антенны обратно через линию передачи в трансмиттер. Если отражение энергии достаточно сильно, внешние выходы трансмиттера могут быть повреждены.

Отношение между переданной и отражённой энергией называют коэффициентом стоячей волны или КСВ. КСВ равный 1 (иногда 1:1) соответствует полной согласованности. Чем больше энергии отражено, тем выше КСВ – 2, 3, или выше. В общем и целом, современные транзисторные трансмиттеры должны работать при КСВ равном 2 или ниже. Ламповые усилители несколько лучше переносят высокий КСВ. Если антенна в резонансе на рабочей частоте, КСВ будет примерно равным 1. Однако обычно ситуация совершенно иная; операторам нужно работать на частотах, отличных от резонансной, что приводит к реактивному сопротивлению антенны и более высокому КСВ.

КСВ=  где F – мощность прямой волны (Ватт), R – мощность отражённой волны (Ватт)

КСВ измеряется прибором, называемым «мост для измерения КСВ», встроенным в линию передачи между трансмиттером и антенной. Этот прибор измеряет мощность прямой и отражённой волны, с помощью которой можно рассчитать КСВ (некоторые измерители автоматически считают КСВ). Приборы более высокого уровня могут измерять мощность прямой и отражённой волны одновременно и показывать это значения вместе со значением КСВ.

Антенный тюнер используется для нейтрализации эффекта реактивности антенны. Тюнеры увеличивают ёмкость, чтобы устранить индуктивное реактивное сопротивление, и наоборот. В простых тюнерах используются различные конденсаторы и катушки индуктивности; оператор корректирует их вручную, пока КСВ не достигнет минимального уровня. В автоматическом тюнере LDG Electronics АТ-1000ProII этот процесс автоматизирован.

Невозможно с помощью тюнера исправить плохую антенну. Если антенна не в резонансе, неполадки, свойственные такому функционированию, неизбежны; это просто физика. Значительная часть передаваемой мощности может рассеяться в тюнера и вообще не достигнуть антенны. Тюнер просто будет «обманывать» трансмиттер, и тот будет функционировать, как если бы антенна была в резонансе, предотвращая таким образом возможные повреждения, вызываемые высокой мощностью отражённой волны. Для лучшего функционирования антенна должна быть по возможности близко к резонансу.

АВТОМАТИЧЕСКИЙ ТЮНЕР LDG АТ-1000PROII

В 1995 г. LDG Electronics первой в мире выпустила автоматический антенный тюнер нового типа. В разработке компании LDG использован набор конденсаторов и катушек индуктивности, которые включаются и выключаются реле под управлением микропроцессора. Дополнительное реле переключает тюнер между высоким и низким импедансом. Обратная связь обеспечивается встроенным сенсором КСВ; микропроцессор перебирает конденсаторы и катушки индуктивности, чтобы подобрать наименьшие возможные значения КСВ. Тюнер представляет собой Г-образную сеть, состоящую из конденсаторов и катушек индуктивности. LDG выбрала эту Г-образную систему из-за минимального количества элементов и технической возможности настраивать несбалансированные нагрузки, например, диполи коаксиального питания, вертикалы, антенны Яги и, собственно, почти любые антенны коаксиального питания.

Катушки индуктивности включаются и выключаются, а параллельно подсоединённые конденсаторы заземляются под контролем микропроцессора. Реле высокого/низкого импеданса переключает набор конденсаторов или на сторону трансмиттеров набор катушек индуктивности, или на сторону антенны. Благодаря этому автоматический тюнер АТ-1000ProII способен выдерживать нагрузки как больше, так и меньше 50 Ом. Все реле способны продолжительно выносить нагрузку в 1000 Ватт. Все реле без блокировки, поэтому необходимо, чтобы мощность поддерживалась на уровне.

Сенсор КСВ является разновидностью контура Бруне. Этот метод измерения КСВ используется в большинстве измерителей для двух величин и измерителей прямого считывания. Контур несколько видоизменён, и предоставляет значение напряжение, а не силы тока, в качестве входных данных для аналогово-цифровых преобразователей, преобразующих данные в сигналы, пропорциональные уровням мощности прямой и отражённой волны. На одновитковую первичную обмотку, проходящую через центр сенсорного трансформатора, подаётся ток РЧ. Диоды выпрямляют ток, и с них снимается напряжение переменного тока, пропорциональное мощности РЧ. Значения этих двух напряжений считывают АЦП в микропроцессоре для вычисления КСВ в режиме реального времени.

Несмотря на то, что осциллятор микропроцессора работает на частоте 32 МГц, благодаря чему основная программа настройки занимает всего несколько миллисекунд, реле требуются несколько миллисекунд на каждую комбинацию катушки индуктивности и конденсатора, Поэтому, в некоторых трудных случаях, перебор всех возможных комбинаций может занять несколько секунд.

Программа настройки использует алгоритм, направленный на сокращение корректировок тюнера. В первую очередь, при необходимости, программа отключает реле высокого/низкого импеданса, а затем по очереди перебирает катушки индуктивности до нахождения грубого соответствия. Как только самая подходящая катушка выбрана, тюнер делает то же самое с конденсаторами. Если соответствие не найдено, программа повторяет грубую настройку с работающим реле низкого/высокого импеданса. Затем программа проводит точную настройку катушек индуктивности и конденсаторов. Программа перебирает комбинации индуктивности и ёмкости для нахождения КСВ равного 1.5:1 или ниже и останавливается, как только находит подходящее сочетание.

Микропроцессор запускает программу точной настройки, как только тюнер подбирает комбинацию 1.5:1 или ниже. Это программа точной настройки пытается снизить КССВ до минимально возможного уровня (не просто до 1.5); процесс занимает примерно полсекунды.

НЕСКОЛЬКО СЛОВ ОБ ЭТИКЕТЕ НАСТРОЙКИ

Убедитесь, что Вы настроили тюнер на свободную частоту. Учитывая, что сегодня диапазон любительских частот переполнен, это часто вызывает сложности. Однако следует, насколько это возможно, избегать создания помех для других радиолюбителей. Очень короткий цикл настройки автоматического тюнера АТ-1000ProII, занимающий доли секунды, позволяет минимизировать воздействие на работу других пользователей.

УХОД И ОБСЛУЖИВАНИЕ

Автоматический тюнер АТ-1000ProII не требует особого ухода. Следует строго соблюдать ограничения мощности, указанные в данном руководстве. Корпус можно очищать мягкой влажной тканью с чистящим средством. Как и любое современное электронное устройство, автоматический тюнер АТ-1000ProII может быть повреждён вследствие перепадов температуры, воздействия воды, ударов или электростатического разряда. Компания LDG настоятельно рекомендует использовать для антенны молниеотводы высокого качества и заботиться об их правильной установке.