Что делают тюнеры

Понаблюдайте за дискуссиями на любом интернет-форуме радиолюбителей, и вскоре кто-нибудь заметит, что «тюнер в радиорубке не может повлиять на согласование удалённой точки подключения антенны» или «тюнер просто «обманывает» радиостанцию, заставляя её думать, что она согласована». На этой странице мы рассмотрим, верны ли эти утверждения.

Во-первых, нужно кое-что понять о «сопряжённом согласовании». Предполагается, что большинство людей знакомо с теоремой «максимальной передачи мощности», которая гласит, что если сопротивление источника равно R, то мы можем извлечь из него максимальную мощность, если подключим нагрузку с сопротивлением R. Возможно, менее известно, как эта теорема применяется, когда сопротивление источника представляет собой комбинацию сопротивления и реактивного сопротивления, а не является чисто активным.

На рисунке справа показана именно такая ситуация, когда импеданс источника равен 50+j100. Не прибегая к полному математическому доказательству, мы можем интуитивно понять, что для максимальной передачи мощности реактивное сопротивление источника должно быть «компенсировано» равным, но противоположным реактивным сопротивлением нагрузки, а резистивные компоненты должны быть равны. Другими словами, если импеданс источника равен R+jX, то импеданс нагрузки должен быть равен R-jX. Тогда мы говорим, что у нас «сопряжённое согласование».

Давайте посмотрим, как это работает в реальной антенной системе.

На схеме справа показана 100-футовая дуплетная антенна, подключённая к центральному фидеру 0,15λ 300-омной лестничной линии от L-образного тюнера. Для простоты мы предположим, что лестничная линия и тюнер имеют незначительные потери.

Давайте отделим лестничную линию питания от антенны в точке А и подключим анализатор к точке питания антенны; согласно EZNEC, измерим импеданс около 26-j420 на частоте 3,5 МГц. Теперь снова подключите ladderline к антенне, но отсоедините другой конец линии от выхода тюнера в точке B. Подключите анализатор к клеммам ladderline, и мы измерим полное сопротивление примерно 8,8-j2.8 — ladderline преобразовал полное сопротивление точки питания антенны (26-j420) во что-то совершенно другое.

Это правда, что что бы мы ни делали с тюнером, мы не можем повлиять ни на эти два импеданса, ни, следовательно, на КСВ на лестничной линии; однако тюнер может повлиять на импеданс, видимый при просмотре тюнера в точке C. Последовательная индуктивность 1uH и ёмкость шунта 1970 pF преобразуют импеданс нагрузки тюнера 8,8-j2.8 в точке B в 50 + j0 в точке C, создавая заданную нагрузку для передатчика.

Пока всё хорошо — никаких сюрпризов!

Теперь давайте заменим передатчик резистором на 50 Ом, чтобы имитировать его заданный импеданс нагрузки, и повторим измерения, но на этот раз будем измерять импеданс, направленный на передатчик, а не на антенну. Другими словами, мы измеряем импеданс источника, а не импеданс нагрузки. Да, и не забудьте не менять настройки тюнера!

Если мы отсоединим кабель от входа тюнера и измерим импеданс, повернув измеритель КСВ в обратную сторону, мы, конечно, получим 50+j0 или 50-j0 — это одно и то же. Снова подсоедините кабель.

Теперь отсоедините лестничную линию от выхода тюнера в точке B и подключите анализатор к выводам тюнера; мы измерим сопротивление, равное 50 Ом, с учётом компонентов тюнера. На самом деле мы измерим 8,8 + j2,8. Снова подключите лестничную линию к выходу тюнера.

Теперь отсоедините лестничную линию от антенны в точке A и подключите анализатор к концам лестничной линии. Длина лестничной линии преобразует измеренный ранее импеданс 8,8+j2,8 в новый импеданс 26+j420.

Итак, подводя итог, в точках A, B и C мы измерили сопротивление нагрузки и источника:

Это должно выглядеть знакомо! Мы наблюдаем интересный результат, заключающийся в том, что в каждой из точек тюнер создал сопряженное соответствие ….. даже в точке подключения удалённой антенны!

В точках A и B тюнер не может влиять на импеданс нагрузки, но он может повлиять на импеданс источника; и наоборот, в точке C он не может влиять на импеданс источника, но он может повлиять на импеданс нагрузки. Фактически, мы могли бы разорвать лестничную линию в любой точке по её длине и измерить сопряжённые импедансы источника и нагрузки, глядя в двух направлениях.

Другой способ взглянуть на проблему — спросить, как мы собираемся легко передавать мощность на антенну с таким высоким ёмкостным сопротивлением; в конце концов, тюнер ничего не может поделать с изменением этого сопротивления. Ответ заключается в том, что нам нужно создать импеданс источника с таким же высоким индуктивным реактивным сопротивлением. Совместное действие тюнера и лестничной линии преобразует импеданс источника передатчика в величину, которая позволит легче подавать энергию на антенну.

Пожалуйста, не так поняли — 300 Ω пульсации импеданса ladderline до сих пор неправильно расторгнут в антенне, и он по-прежнему имеет высокий КСВ на ней — тюнер не изменилось, но он был изменён стационарной системы матча на антенну использования — это разные вещи!

Также, пожалуйста, обратите внимание, что сопротивление источника типичного “реального” передатчика может значительно отличаться от 50 Ом; однако, если тюнер настроен на обеспечение нагрузки передатчика 50 Ом, во всей системе будет полное совпадение, если передатчик снять и заменить резистором 50 Ом на входных клеммах тюнера.

Системы с потерями

До сих пор мы считали, что тюнер и линия лестницы имеют незначительные потери, что вызывает вопрос: “Что происходит в реальной системе с потерями?” Давайте переработаем наш пример, включив потери в лестничной линии, эквивалентные 0,18 дБ на 100 футов, и предположим, что значение Q катушки индуктивности тюнера составляет около 100. После повторной настройки тюнера (L = 1,06 мкГч и C = 1600 пф) для соответствия 50 Ом на его входе, мы получаем следующие импедансы, относящиеся к антенне:

Но теперь, когда мы подключаем резистор 50 Ом ко входу тюнера и исследуем импедансы, исходящие от антенны, мы получаем:

Обратите внимание, что эти импедансы больше не являются сопряжёнными с импедансами, направленными в обратном направлении. В частности, в точке подачи антенны (точка A) сопряжённое совпадение далеко не полное. Вводя реальные потери для лестничной линии, тюнер разрушил “общесистемное” сопряжённое соответствие. Есть несколько особых случаев, когда “общесистемное” сопряжённое совпадение может произойти даже с системой с потерями, но это, вероятно, исключение в типичных установках любительского радио.

Реальные передатчики

Ещё один вопрос, который возникает при обсуждении «согласованных в масштабах системы соединений», заключается в том, действует ли передатчик как источник Тевенена, и если да, то каково его сопротивление?

Автор провёл «тянущие» тесты на нескольких радиостанциях, в том числе на двух Ten-Tec CorsairIII, Ten-Tec OmniVI и паре самодельных QRP-трансиверов. Один из наиболее экстремальных результатов (на одной из CorsairIII на 40-метровом диапазоне) заключался в том, что трансивер выдавал на 20% больше мощности при нагрузке 25+/-j21 (КСВ(50)=2,4:1), чем при нагрузке 50+j0. Означает ли это, что нужно настроить тюнер так, чтобы на его входе было сопряжённое сопротивление 25-/+j21, и тем самым максимально увеличить мощность трансивера? Нет, это было бы неразумно, потому что трансивер не будет работать с заданным сопротивлением нагрузки, что может привести к увеличению рассеиваемой мощности и более высоким искажениям. Скорее, настраиваем тюнер на 50+j0 на его входе, чтобы трансивер видел заданную нагрузку; независимо от того, создаёт ли он «общесистемное» сопряжённое соответствие — крайне маловероятное событие — это не имеет значения!

Суммируем сведения

Итак, что мы можем сказать в заключение? Автор полагает, что можно сделать следующие заявления:

  • Основная функция тюнера — отображать радио с заданным сопротивлением нагрузки. В той степени, в какой у трансивера есть ощущения, можно сказать, что тюнер “поддерживает радио в хорошем состоянии”!
  • Если трансивер ведёт себя как источник питания Thevenin с импедансом, равным заданному сопротивлению нагрузки, и если система работает без потерь, во всей системе будет обеспечено сопряженное соответствие. Однако обычные трансиверы ведут себя иначе, и практические системы не работают без потерь, поэтому крайне маловероятно, что в типичной установке любительского радио будет обеспечено общесистемное сопряженное соответствие.
  • В типичной системе, показанной выше, тюнер не может изменить импеданс антенны в точке подачи, снизить КСВ на линии связи или уменьшить потери на линии связи.
  • Но внесение настроек в тюнер действительно оказывает некоторое влияние на всю систему, в том числе на антенну; поэтому не справедливо говорить, что тюнер оказывает влияние только на радио. Однако это не следует интерпретировать как означающее, что это создаёт общесистемное сопряженное соответствие.

G3TXQ