Согласование антенн при помощи четвертьволнового трансформатора. Антенные согласующие устройства

Внук Буратино

Проверяя еще раз выкладки по универсальной антенне для спутниковой связи нашёл вариант исполнения из коаксиального кабеля и на диапазон 435 мгц. Не правда ли очаровательно. Что-то среднее между антенной потерпевшего крушение на необитаемом острове и антенной собранной из пробкового дерева (пробки из винных бутылок). Но я уверен, что работает. И скорее всего параметры такие -же. :-) Только видно, что делал или сам столяр-краснодеревщик, или его сын Catterpiller... Или его внук Буратино:-)

На самом деле решена одна из главных проблем при создании квадрифиляров. Если вы читали и смотрели на моём сайте описание этих антенн, то обращали внимание: если элементы не из толстых трубок, то механическая прочность конструкции никакая. На фото ниже моя антенна после падения на землю. Отмечу - на мягкую траву. Садовое покрытие у меня не хуже чем на ЭмиратСтадиум. А эту можно в багажнике возить:-) Такая же, только из железа, стоит на АО-7.

Последние мои публикации, посвященные КВ антеннам, вызвали у многих читателей ряд вопросов о конструкции используемых в них трансформаторов и дросселей.

Этот вопрос хорошо освещен в радиолюбительской литературе и многочисленных статьях и, казалось бы, не требует дальнейших комментариев.

Самодельные широкополосные симметрирующие дроссели и трансформаторы на ферритовых трубках

Ферритовые трансформаторы на ферритовых трубках выполняют сразу несколько функций: трансформируют сопротивление, симметрируют токи в плечах антенны и подавляют синфазный ток в оплетке коаксиального фидера. Наилучшим отечественным ферритовым материалом для широкополосных трансформаторов является феррит марки 600НН, но из него не изготавливали трубчатых сердечников...

Сейчас в продаже появились ферритовые трубки зарубежных фирм с хорошими характеристиками,
в частности FRR-4,5 и FRR-9,5, имеющие размеры dxDxL 4,5x14x27 и 9,5х17,5х35 соответственно. Последние трубки использовались в качестве помехо-подавляющих дросселей на кабелях, соединяющих системные блоки компьютеров с мониторами на электронно-лучевых трубках. Сейчас их массово заменяют на матричные мониторы, а старые выбрасывают вместе с ферритами.

Рис.1. Ферритовые трубки FRR-9,5

Четыре таких трубки, сложенные рядом по две, образуют эквивалент «бинокля», на котором можно разместить обмотки трансформаторов, перекрывающих все КВ диапазоны от 160 до 10 м. Трубки имеют скругленные грани, что исключает повреждения изоляции проводов обмоток. Трубки удобно скрепить вместе, обмотав широким скотчем.

Из различных схем широкополосных трансформаторов я использовал простейшую, с раздельными обмотками, витки которых имеют дополнительную связь за счет плотной скрутки проводников между собой, что позволяет уменьшить индуктивность рассеяния и за счет этого повысить верхнюю границу рабочей полосы частот. Одним витком будем считать провод, продетый через отверстия обеих трубок «бинокля». Половиной витка - провод, продетый через отверстие одной трубки «бинокля». В таблицу
сведены варианты трансформаторов, выполнимых на этих трубках.

Как видим, получается весьма широкий выбор соотношения сопротивлений. Трансформатор с коэффициентом 1:1 - подобно дросселю симметрирует токи в плечах антенны и подавляет синфазный ток в оплетке кабеля питания. Прочие трансформаторы в дополнение к этому еще и трансформируют сопротивления. Чем руководствоваться при выборе числа витков? При прочих равных условиях трансформаторы с одновитковой первичной обмоткой имеют примерно в четыре раза более высокую нижнюю границу полосы пропускания по сравнению с двухвитковой, но и верхняя частота полосы пропускания и них значительно выше. Поэтому для трансформаторов, используемых от диапазонов 160 м и 80 м лучше использовать двухвитковые варианты, а от 40 м и выше - одновитковые. Использовать целочисленные значения числа витков предпочтительно, если желательно сохранить симметрию и разнести выводы обмоток на противоположные стороны «бинокля».

Чем выше коэффициент трансформации, тем труднее получить широкую полосу пропускания, поскольку возрастает индуктивность рассеяния обмоток. Компенсировать ее можно путем включения конденсатора параллельно первичной обмотке, подбирая его емкость по минимуму КСВ на верхней рабочей частоте.

Для обмоток я обычно использую провод МГТФ-0,5 или более тонкий, если нужное число витков не умещается в отверстии. Заранее рассчитываю нужную длину провода и отрезаю ее некоторым запасом. Провод первичной и вторичной обмоток плотно скручиваю до намотки на сердечник. Если отверстие феррита не заполнено обмотками, лучше продевать витки в подходящие по диаметру термоусаживаемые трубки, отрезанные по длине «бинокля», которые после завершения намотки усаживаются с помощью фена. Плотное прижатие витков обмоток друг к другу расширяет полосу трансформатора и часто позволяет исключить компенсирующий конденсатор.

Следует иметь в виду, что повышающий трансформатор может работать и как понижающий, с тем же коэффициентом трансформации, если его перевернуть. Обмотки, предназначенные для подключения к низкоомным сопротивлениям, нужно выполнять из экранной «плетёнки» или нескольких проводов, соединенных параллельно.

Проверку трансформатора можно проводить с помощью измерителя КСВ, нагрузив его выход на безиндуктивный резистор соответствующего номинала. Границы полосы определяются по допустимому уровню КСВ, например 1,1. Измерить потери, вносимые трансформатором, можно путем измерения ослабления, вносимого двумя одинаковыми трансформаторами, включенными последовательно, так, чтобы вход и выход имели сопротивление 50 Ом. Результат не забудьте поделить на 2.

Несколько труднее оценить мощностные характеристики трансформатора. Для этого потребуется усилитель и эквивалент нагрузки, способный выдерживать необходимую мощность. Используется та же схема с двумя трансформаторами. Измерение проводится на нижней рабочей частоте. Постепенно поднимая мощность CW и поддерживая ее примерно с минуту, определяем рукой температуру феррита. Уровень, при котором феррит за минуту начинает чуть заметно нагреваться, можно считать максимально допустимым для данного трансформатора. Дело в том, что при работе не на эквивалент нагрузки, а на реальную антенну, имеющую реактивную составляющую входного импеданса, трансформатор передает еще и реактивную мощность, которая может насыщать магнитный сердечник и вызывать дополнительный нагрев.

На рисунках показаны примеры практических конструкций. На рис.5 - трансформатор, имеющий два выхода: на 200 и 300 Ом.

Рис.2. Трансформатор 50:110

Рис.3. Трансформатор 50:200

Рис.4. Трансформатор 50:300

Рис.5. Трансформатор 50:200/300

Трансформаторы можно разместить на подходящего размера печатной плате,
защитив ее от осадков любым практическим способом.

Владислав Щербаков, RU3ARJ

Согласующий трансформатор - электротехническое устройство, обеспечивающее передачу или преобразование полезного гармонического сигнала различной частоты с минимальными искажениями и потерей мощности. Такой результат становится возможным только благодаря точному согласованию полного сопротивления (импеданса) источника сигнала и нагрузки или отдельных каскадов электронных схем.

Назначение

Известно, что минимизировать потери электрических сигналов при передаче потребителю можно только тогда, когда его полное сопротивление соответствует внутреннему сопротивлению источника. Это правило действует для всех схем - многокаскадных электронных устройств, при подключении нагрузки к усилителям или подаче на них сигнала, например, от звукоснимателя или микрофона.

Основное назначение согласующего трансформатора связано именно с необходимостью масштабирования сопротивления источника и нагрузки. При этом само непосредственное изменение показателей силы тока и напряжения не имеет значения. Применяются такие приборы тогда, когда требуется подключение нагрузки, не соответствующей по сопротивлению допустимым значениям для источника сигнала.

Принцип работы

При подключении к первичной обмотке трансформатора источника переменного тока за счет сердечника магнитный поток, который охватывает и вторичную обмотку устройства. При этом индуцируется электродвижущая сила, которая и обеспечивает появление в цепи тока при подключении нагрузки. Благодаря этому осуществляется передача энергии или сигнала без непосредственной электрической связи между обмотками.

Чтобы обеспечить согласование нагрузки и источника по сопротивлению, соотношение числа витков во вторичной обмотке к первичной должно равняться квадратному корню отношения сопротивления нагрузки и источника сигнала. Только в этом случае можно обеспечить передачу без лишних потерь энергии и искажений.

Пример расчёта

Виды магнитопроводов

Особенности конструкции

Передача энергии между обмотками в трансформаторах осуществляется за счет воздействия создаваемого магнитного поля. В зависимости от типа согласующего устройства оно может иметь разную конструкцию:

1. Устройства для работы с низкочастотным электрическим сигналом обычно наматывают на броневых или стержневых сердечниках из электротехнической стали. Именно такие устройства применяются в усилителях и звуковоспроизводящей аппаратуре. Габаритные размеры зависят от передаваемой мощности, но обычно они не отличаются большими значениями.

1. Для высокочастотных согласующих трансформаторов чаще всего применяют тороидальные сердечники из ферромагнитных веществ. Они имеют форму кольца с прямоугольным сечением.
2. Отдельные виды ВЧ согласующих устройств могут быть выполнены по принципу воздушных трансформаторов. Простейший пример - петля из коаксиального кабеля, которая устанавливалась при подключении антенны к основному проводу. Существует вариант и распечатанных непосредственно на плате маломощных трансформаторов согласующего типа.

Для обмоток применяют изолированный медный провод круглого сечения, диаметр которого подбирается на основании расчета. Допускается и намотка проводниками прямоугольной формы, но только при сечении более 5 мм2. В качестве дополнительной изоляции применяется нанесение 2 слоев специального лака.

Основная область применения

Необходимость подобного масштабирования сопротивления существует практически во всех областях, связанных с передачей электрических сигналов и энергии. Но наибольшее применение согласующие трансформаторы получили в следующих сферах:

1. В усилителях низкой частоты (звуковых усилителях) в качестве межкаскадных и выходных трансформаторов. Необходимость в подобных устройствах была связана с тем, что старые усилители изготавливались на ламповой компонентной базе. При этом практически все лампы отличались высоким внутренним сопротивлением и подключение к ним 4 или 8-омных динамиков напрямую к ним было невозможно. Даже с появлением транзисторов, операционных усилителей ситуация в корне не изменилась, так как без согласования сопротивлений увеличивался уровень искажений сигнала.
2. В качестве входных согласующие трансформаторы применяются в звуковоспроизводящей аппаратуре для подключения микрофонов, звукоснимателей различных типов. Сопротивление этих устройств варьируется в пределах от десятка до сотни ом, а для подключения к усиливающей аппаратуре требуются значения, которые будут на порядок больше.
3. Еще одна сфера связана с передачей радиосигнала. Трансформаторы этого типа используются для согласования сигнала при подключении антенн к приемным и передающим устройствам. Без их применения получить качественный сигнал не удается. Отметим, что в этих целях используются высокочастотные согласующие трансформаторы.

На этом область применения не ограничивается. Так, даже обычный сварочный трансформатор в какой-то степени можно считать согласующим, что обусловлено требованиями к величине нагрузки на электрические сети.

Виды согласующих трансформаторов

Наибольшее применение на практике получил звуковой согласующий трансформатор входного и выходного типов. Для усилителей на транзисторной элементной базе используют устройства серии ТОТ (оконечный транзисторный), а на ламповых элементах ТОЛ (оконечный ламповый).

В качестве входных получила применение серия ТВТ (входной транзисторный).

Для антенны применяют устройства тороидального типа на ферромагнитных кольцах или конусах необходимого диаметра. Отметим, что для таких трансформаторов не обязательна сплошная намотка по сечению магнитопровода. Достаточно провести через внутреннюю часть прямые проводники, что позволяет сэкономить на производстве за счет уменьшения потребности в электротехнических материалах.

Особенности в эксплуатации

Отметим, что каждая серия устройств предназначена для определенных условий эксплуатации. В большинстве случаев допустимый температурный диапазон составляет -60/+85°С, атмосферное давление не менее 5 мм рт. ст., но не более 3 атмосфер. Допускается эксплуатация при относительной влажности до 98 %.

В любом случае при выборе оборудования этого типа необходимо уточнить допустимые эксплуатационные условия.

Как сделать своими руками

Особых сложностей и отличий в изготовлении согласующих трансформаторов нет. Технология сходна со сборкой понижающих устройств. Но необходимо соблюдать следующие рекомендации:

• Обмотки укладываются равномерно без повреждения изоляции.
• Пластины малогабаритных устройств не нуждаются в дополнительной изоляции, лакируют только детали наборных сердечников более мощных трансформаторов.
• При выборе типа сердечника необходимо обращать на технические характеристики трансформаторной стали или ферромагнитных колец.

Отметим, что самостоятельное изготовление устройств такого типа экономически нецелесообразно. Закупка отдельных комплектующих обойдется дороже. Согласующее устройство с требуемым коэффициентом трансформации по сопротивлению в заводском исполнении обойдется дешевле.

Широкополосные высокочастотные трансформаторы с магнитной связью широко применяются радиолюбителями для согласования различных устройств. В частности, широкополосный трансформатор, имеющий коэффициент трансформации сопротивлений 1:9 (коэффициент трансформации напряжений - 1:3) удобно использовать для согласования проволочных антенн, запитанных с конца. Однако следует напомнить, что для таких антенн обязательно требуются системы заземления или противовесы, и чем ниже входное сопротивление антенны, тем эффективнее должна быть «земля».

«Классический» широкополосный трансформатор с магнитной связью, имеющий коэффициент трансформации сопротивлений 1:9, позволяет, например, трансформировать сопротивление с 50 до 450 Ом. Такой трансформатор можно использовать для согласования 50-омного коаксиального кабеля с длинными проволочными антеннами (70 - 100 м), имеющими входное сопротивление около 500 Ом и довольно малую реактивную составляющую, а также с антеннами Windom.

Например, антенна Windom длиной 13,59 + 6,84 м (длина проволочного фидера - 4,9 м), предназначенная для работы в диапазонах 7,14 и 28 МГц, при питании с помощью широкополосного трансформатора обеспечила приемлемый КСВ в 50-омном коаксиальном кабеле.

Несмотря на то что минимум КСВ часто находился за пределами любительских диапазонов, тем не менее, широкополосный трансформатор является вполне полезным устройством для согласования антенны Windom. Как известно, однопроводный фидер антенны Windom довольно трудно завести в помещение радиостанции без риска не только ухудшить работу антенны, но и в придачу получить проблемы электромагнитной совместимости с бытовой радиоаппаратурой. Используя широкополосный трансформатор, конец однопроводного фидера можно не заводить внутрь здания, а подвести к месту подключения противовесов, применяя для питания антенны коаксиальный кабель, который подключается к радиостанции. Дополнительного снижения уровня помех можно достичь, используя токовый дроссель, препятствующий излучению оплетки кабеля.

Как известно, коаксиальный кабель имеет определенное затухание. В результате КСВ, измеренный на выходе передатчика, может быть значительно меньше, чем при измерениях, проведенных непосредственно на клеммах антенны. Приводим результаты измерений на частоте 14 МГц для нескольких типовых кабелей.

В другом случае для согласования штыревой антенны длиной 5 м с 50-омным кабелем использовался широкополосный трансформатор, намотанный на сердечнике из порошкового железа. Обмотка была выполнена из провода, применяемого для электропроводки, содержала 3×7 витков и имела индуктивность 8 мкГн. Измерялся КСВ в первичной обмотке (КСВвых) трансформатора и на выходе передатчика (КСВвх). Влияние роста затухания кабеля на КСВ в зависимости от частоты можно видеть ниже.

Таким образом, увеличение затухания в кабеле с повышением частоты приводит к уменьшению КСВ, измеряемого на выходе передатчика. Потери в кабеле неизбежны, а их снижение может повлечь за собой значительное увеличение стоимости антенно-фидерной системы. С этой точки зрения более эффективным решением при согласовании антенны с коаксиальным кабелем является использование LC-цепей, но конструкция широкополосного трансформатора значительно проще.

Применение трансформатора с магнитной связью, имеющего коэффициент трансформации сопротивлений 1:9, не предотвращает на практике появление высокого КСВ. Трансформатор с дополнительными обмотками позволяет получить 4-, 9-, 16- и 25-кратное преобразование сопротивлений и благодаря этому улучшить согласование 50-омного кабеля с антеннами, имеющими импеданс соответственно 200, 450, 800 и 1250 Ом. Однако коммутация отводов может значительно усложнить конструкцию согласующего устройства.

Измерения, проведенные с трансформаторами, намотанными как на ферритовых сердечниках, так и на сердечниках из порошкового железа, показали, что с ростом числа витков частотная характеристика ухудшается независимо от индуктивности обмотки. На основе полученных результатов можно разработать следующую концепцию конструкции трансформатора.
Широкополосный трансформатор для определенного сопротивления нагрузки должен обеспечить такую индуктивность обмоток, чтобы активное сопротивление на самых низких рабочих частотах не менее чем в 4 раза превышало трансформируемое сопротивление. Это обеспечит пренебрежимо малое влияние индуктивности трансформатора на условия согласования. Однако этот принцип не удается применить в трансформаторе с магнитной связью. Теоретически он трансформирует сопротивление 450 Ом в 50 Ом, но на практике входное сопротивление антенны лежит в широких пределах (36 - 5000 Ом) и имеет в общем случае комплексный характер. Выполнение данного условия требовало бы, в итоге, чтобы реактивное сопротивление обмотки на наименьшей частоте составляло 20 кОм, что соответствует индуктивности 900 мкГн на частоте 3,5 МГц.

В том случае, когда основная индуктивность трансформатора должна оставаться низкой, она подлежит такой же трансформации, как сложный мнимый импеданс антенны. В результате получим реальную нагрузку сопротивлением 50 Ом.

Для трансформаторов, предназначенных для согласования линий, намотанных на сердечниках из порошкового железа, нагруженная добротность может составлять 10 - 20. Для сопротивления нагрузки R = 5000 Ом это означает, что реактивное сопротивление обмотки на наименьшей частоте может составлять 250 - 500 Ом. В оригинальном исполнении трансформатор содержал 3 обмотки по 9 или 7 витков, намотанных на сердечнике Т130-2, что давало соответственно индуктивность 8 или 4,85 мкГн и реактивное сопротивление соответственно 171 или 106 Ом на частоте 3,5 МГц. Для нагрузки 5000 Ом это соответствовало нагруженной добротности 28 или 47 (в диапазоне 1,8 МГц они были бы в два раза больше). В случае сердечника из порошкового железа добротность ненагруженной обмотки была еще больше требуемой нагруженной добротности. Это означает возможность использования трансформатора с такими низкими индуктивностями также на низкочастотных диапазонах, однако он будет работать на границе допустимого.

Для минимизации потерь энергии в катушках в выходных контурах передатчиков стремятся, чтобы их нагруженная добротность не превышала 10 - 15. Дополнительно низкое сопротивление обмоток затрудняет согласование по мере снижения частоты работы. На частотах выше 10 МГц потери в сердечнике не составляют существен
ной проблемы, и можно легко обеспечить согласование.

Предложение повышения индуктивности трансформатора - принципиально правильное, если имеются в виду низкочастотные диапазоны. Во избежание необходимости намотки чрезмерного числа витков вместо сердечника из порошкового железа следует применять ферритовый сердечник. Так, трансформатор, состоящий из четырех обмоток ло 9 витков, намотанных на сердечнике FT40-43 (расчетная индуктивность - 1,23 мкГн), на частоте 3,5 МГц имеет реактивное сопротивление 27 кОм и обеспечивает согласование в узком диапазоне сопротивлений.

Сердечники с большой магнитной проницаемостью проверены в конструкциях приемных антенн и обеспечивают улучшение согласования даже для коротких проводов и штыревых антенн, что позволяет отказаться от применения активных антенн. Однако в передающих устройствах, когда можно компенсировать влияние реактивности обмотки, оптимальным решением может стать использование больших сердечников из порошкового железа (например, Т200А или Т255А) либо феррито-никелево-цинковых сердечников с низкой проницаемостью.

Для области с малыми потерями и с малой проницаемостью можно выполнить это требование через соответствующее ограничение максимальной индуктивности обмотки. В случае сердечника с большой проницаемостью ситуация не столь критична, как для малой, что можно объяснить тем, что на высоких частотах большую роль играет способ выполнения обмотки, нежели величина проницаемости сердечника.

Эквивалентное параллельное сопротивление потерь для сердечников, выполненных из порошкового железа, выше, нежели для ферритовых сердечников с низкой проницаемостью. Независимо от типа сердечника это сопротивление растет с ростом индуктивности обмотки. При мощности передатчика 100 Вт не наблюдалось нагрева сердечников Т60 и ТХ36, однако сердечник из материала 43 с обмоткой 125 мкГн сильно нагревался, а сердечник из материала 77 с обмоткой 1,4 мГн - только немного, что можно объяснить относительно высокой индуктивностью обмотки.
Для устранения потерь в сердечнике эквивалентное параллельное сопротивление потерь должно быть значительно выше наибольшего входного сопротивления антенны. Для этого также считаются приемлемыми сопротивления от 5000 Ом на низких частотах и около 2000 Ом на частоте 30 МГц. Потери в сердечнике приводят к видимому «улучшению» КСВ, аналогично как и потери в питающем кабеле.

Как следует из представленных здесь противоречивых выводов, трансформаторы с магнитной связью нельзя считать идеальными согласующими устройствами. Однако они имеют простую конструкцию, небольшие потери и преобразуют импеданс антенны к границам, в которых возможно согласование с помощью типовых согласующих устройств (например, антенных тюнеров). В таблице ниже приведены данные широкополосных трансформаторов, в конструкции которых особое внимание было обращено на достижение низкой индуктивности обмоток, намотанных в четыре провода.

Если ваша антенна с усилителем, не принимает стабильно сигнал цифрового телевидения DVB-T2, то часто проблема не в том, что усилитель слабый, а в том что он вообще там не нужен. Да да, после прихода цифрового эфирного телевидения, ситуация с приёмом сигнала в некоторых отношениях сильно поменялась и во многих случаях, усилитель в антенне, становится просто не нужным, более того он становится причиной неустойчивого, а иногда и вообще отсутствующего сигнала.

О причине этого явления и методах борьбы с ним я уже , поэтому не буду повторятся и не буду объяснять зачем нужна переделка о которой хочу рассказать в этой заметке. А именно как усилитель для антенны «полячки» переделать в плату согласования.

Что для этого понадобится? Собственно сам усилитель, можно даже неисправный, отрезок провода сантиметра 3 и паяльник. Задача — Из платы усилителя сделать плату согласования, которую не всегда можно купить в магазинах.

Приступаем к переделке

На усилителях от антенн типа «решётка» имеется симметрирующий трансформатор, он нам и понадобится для согласования антенны с потребителем сигнала. На фото ниже трансформатор обведён жёлтым. (В усилителях для других типов антенн тоже можно совершить подобную переделку)

Выпаивать его не нужно, всё гораздо проще. На плате усилителя, со стороны радиоэлементов, нужно убрать лишнее. А именно, отпаять конденсатор на выходе трансформатора (отмечен красной точкой) И отпаять элементы обвязки в цепи клеммы, к которой подключается центральная жила кабеля (отмечены оранжевым)

Внимание! В усилителях с другими номерами, количество элементов и их расположение может отличаться, но смысл остаётся тем же, отсоединить трансформатор и клемму от схемы усилителя.

У меня получилось вот так! (Фото ниже) Конечно же, все места пайки я промыл спиртом….. ну как промыл? — Протёр тонким слоем, ну вы знаете))) Хотя это делать и необязательно.

Заключительный этап — Коротким проводком нужно соединить освободившийся выход трансформатора с клеммой для центральной жилы кабеля. Всё, плата согласования готова! Можно ставить и пробовать. И да! Не забудьте вместо блока питания, поставить обычный ТВ штекер. Тот что с сепаратором от БП, не подойдёт.

На этом всё! Нашли полезным? Делитесь с друзьями, кнопки соц сетей ниже, это поможет развитию сайта. Спасибо!