Закорачивать или нет свободные витки катушки тюнера?

Попробуем разобраться, следует ли закорачивать свободные витки катушки в согласующем устройстве или тюнере. Коммерческие организации применяют в своих моделях оба варианта, однако это не означает, что оба варианта одинаковы хороши.
Например:

MFJ - 16010

Закорачивает неиспользуемые витки катушки.

The SLT+ Switched Long wire Tuner от
Hendricks kits QRPKITS.com

Использует дискретный набор индуктивностей, каждая из которых может быть выключена переключателем - перемычкой. Это позволяет менять индуктивность в широких пределах.

А вот 

Youkits MT1 QRP Long Wire Antenna Tuner

Вполне себе делает модель без закорачивания свободных витков.

Для исследования используем две катушки, в которых предусмотрены отводы. Схемы измерений:

В качестве ёмкости – измерительный щуп осциллографа, с С = 15.06 пФ.

Тестовый сигнал с Vrms = 100 мВ , с эталонного генератора частоты.

Первый образец – малая катушка с двумя отводами.

2/3 катушки являются контуром, и 1/3 висит в воздухе. Оценка индуктивности рабочей части: D=20 мм, d=1 мм, p = 1.4 мм (шаг), N=16 ожидаемая индуктивность около 3.387 мкГн.

Измеренная частота f=23 МГц, и соответствующая индуктивность L = 3.18 мкГн

Ближайший второй резонанс f2=79.7 МГц

Теперь свободную часть закорачиваем.

Измеренная частота f=24 МГц, и соответствующая индуктивность L = 2.92 мкГн

Ближайший второй резонанс f2=246 МГц

В первом случае измеренная индуктивность больше на 9%

Переподключим катушку так, что 1/3 катушки является контуром, и 2/3 висит в воздухе. Оценка индуктивности рабочей части: D=20 мм, d=1 мм, p = 1.4 мм (шаг), N=8 ожидаемая индуктивность около 1.28 мкГн.

Измеренная частота f=32.2 МГц, и соответствующая индуктивность L = 1.622 мкГн

Ближайший второй резонанс f2=154.7 МГц

Теперь свободную часть закорачиваем.

Измеренная частота f=35.2 МГц, и соответствующая индуктивность L = 1.357 мкГн

Ближайший второй резонанс f2=153.7 МГц

В первом случае измеренная индуктивность больше на 19%

Следовательно, чем больше витков висят незакороченными, тем сильнее увеличение индуктивности рабочей части катушки.

Второй образец – большая катушка с одним отводом

1/3 катушки являются контуром, и 2/3 висит в воздухе. Оценка индуктивности рабочей части: D=40 мм, d=1 мм, p = 1 мм (шаг), N=9 ожидаемая индуктивность около 4.6 мкГн.

Измеренная частота f=12.6 МГц, и соответствующая индуктивность L = 10.594 мкГн

Ближайший второй резонанс f2=26.8 МГц

Теперь свободную часть закорачиваем.

Измеренная частота f=17.8 МГц, и соответствующая индуктивность L = 5.309 мкГн

Ближайший второй резонанс f2=55.2 МГц

В первом случае измеренная индуктивность больше на 99.5%

Переподключим катушку так, что 2/3 катушки являются контуром, и 1/3 висит в воздухе. Оценка индуктивности рабочей части: D=40 мм, d=1 мм, p = 1 мм (шаг), N=18 ожидаемая индуктивность около ожидаемая индуктивность около 13.95 мкГн.

Измеренная частота f=10.2 МГц, и соответствующая индуктивность L = 16.166 мкГн

Ближайший второй резонанс f2=36.5 МГц

Теперь свободную часть закорачиваем.

Измеренная частота f=11.3 МГц, и соответствующая индуктивность L = 13.172 мкГн

Ближайший второй резонанс f2=89 МГц

В первом случае измеренная индуктивность больше на 22%

Еще раз отмечаем, чем больше витков висят незакороченными, тем сильнее увеличение индуктивности рабочей части катушки.

Вывод: Свободная, незакороченная часть катушки увеличивает индуктивность рабочей части, тем самым снижается диапазон перестройки индуктивности и, соответственно, область согласуемых импедансов. Поэтому, для эффективного использования тюнера,  свободные витки катушки следует закорачивать.

Немного больше про согласование антенн и другие радиотехнические самоделки можно прочитать в моей книге "Практика радиолюбителя. Антенны, маяки, скиммеры." см.  http://lavrinenkov.blogspot.com/2019/04/amateur-radio-practice.html

Для связи mail:  lis-soft /*at*/rambler   точка   ру

Лавриненков Игорь / R2AJA

Полевые испытания LC «Ёрш» и Т - тюнера. Питание полотна через ферриты.

Полевые испытания LC тюнера «Ёрш», сравнение с Т-тюнером на дискретных элементах. Питание полотна антенны через ферритовые защелки.

Суббота, 18.05.2019, разворачиваю полотно в форме VP2E 21 метр, высота верхней точки 6-7 метров. Подключаю трансивер через самодельный Т-тюнер ([Антенный QRP тюнер на дискретных элементах  CQ-QRP #59]), чтобы послушать QRP «Рандеву» на 14.060 МГц и убедиться, что все работает штатно.

Вместо столика – полевая «клетка Фарадея».
Четыре QRP QSO в активе – с оборудованием всё в порядке.
1.YU7AE
2.R1CJ, антенна диполь
3.OO7Z, у Петра, 5 Вт
4.UA1CEG/QRP, самый громкий QRP

Сравнивать уровни будем с помощью датчика поля, установленного в пределах видимости.  Характеристика преобразователя линейная при измеряемых значениях более 177 мВ (20*log(U1/U2), и квадратичная при измеряемых значениях менее 177 мВ (10*log(U1/U2)).
Согласование считаем выполненным, при отсутствии рисок на КСВ-метре Yaesu FT-817, т.е. КСВ ≤ 1.5. Далее достраиваемся по максимальному показанию датчика поля.
Дополнительно смотрим на неонку. Неонка подключается напрямую к «горячему» выходу тюнера, «земляной» конец лежит на пакете над плоскостью заземления.

Пройдёмся по диапазонам.
В таблицах ниже отмечены значения имедансов, расчитанных по теоретическим значениям реактивных элементов. Черным – практические значения (точнее). Для некоторых диапазонов возможны несколько вариантов настройки тюнеров (данные теоретические, без пересчета в истинные значения номиналов). Считаем, наличием согласование - отсутствие кубиков на SWR -метре Yaesu-FT817. (КСВ < 1.5)

Таблица 1. Диапазон 10М, частота 28 МГц (неонка не зажигается)

Схема согласования	Уровень по датчику, мВ	Отношение уровней T/LC в дБ	Оценка импеданса антенны, Ом
T Cant ≥ 330 пФ Ctrx = 7 пФ L = 0.9 мкГн Cant ≥ 352 пФ Ctrx = 37 пФ L = 1.4 мкГн	380	0	19 - j243 273 + j280
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 30 пФ L = 0.92 мкГн (2) C = 30 пФ L = 1.19 мкГн (2)	480	-2	573 - j111 555 – j122

Таблица 2. Диапазон 12М, частота 24.9 МГц (неонка не зажигается)

Схема согласования	Уровень по датчику, мВ	Отношение уровней T/LC в дБ	Оценка импеданса антенны, Ом
T Cant ≥ 330 пФ Ctrx = 37 пФ L = 0.9 мкГн Cant ≥ 352 пФ Ctrx = 67 пФ L = 1.4 мкГн	59  (Оптимально)	0	299.7 – j302.3 134.9 + j133.4
T Cant ≥ 330 пФ Ctrx = 39 пФ L = 0.6 мкГн	55	0.3
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 50 пФ L = 0.274 мкГн (1) C = 50 пФ L = 0.684 мкГн (1)	57	0.14	84 – j15 281 + j9.5

Таблица 3. Диапазон 15М, частота 21 МГц  (неонка  зажигается при контакте «земляного» вывода с рукой)

Схема согласования	Уровень по датчику, мВ	Отношение уровней T/LC в дБ	Оценка импеданса антенны, Ом
T* Cant ≥ 330 пФ Ctrx = 39 пФ L = 0.9 мкГн Cant ≥ 352 пФ Ctrx = 69 пФ L = 1.4 мкГн	522/168	0 / 0	-
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 30 пФ L = 1.7 мкГн (3) C = 30 пФ L = 2.01 мкГн (3)	780/270   (Оптимально **)	-3.4 / -4.1	979 - j315 1049 + j782
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 30 пФ L = 2.45 мкГн (4)	790/270	-3.5 / -4.1

* согласование не достигается, SWR-метр = 2, КСВ > 2.2

** принято при меньшей индуктивности LC

Таблица 4. Диапазон 17М, частота 18.1 МГц (неонка не зажигается)

Схема согласования	Уровень по датчику, мВ	Отношение уровней T/LC в дБ	Оценка импеданса антенны, Ом
T Cant ≥ 330 пФ Ctrx = 79 пФ L = 0.9 мкГн Cant ≥ 352 пФ Ctrx = 109 пФ L = 1.4 мкГн	252 / 66	0 / 0	205.1 – j125.4 146.7 + j96.2
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 50 пФ L = 0.274 мкГн (1) C = 50 пФ L = 0.684 мкГн (1)	280 / 73	-0.9 / -0.7	65.48 –j14.75 127-j75.3

Таблица 5. Диапазон 20М, частота 14 МГц (неонка  зажигается)

Схема согласования	Уровень по датчику, мВ	Отношение уровней T/LC в дБ	Оценка импеданса антенны, Ом
T Cant ≥ 330 пФ Ctrx = 24 пФ L = 2.2 мкГн Cant ≥ 352 пФ Ctrx = 54 пФ L = 2.87 мкГн	230	0	21.5 – j292 756.7 + j420.6
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 50 пФ L = 2.457 мкГн (4)	220	0.38
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 40 пФ L = 4.1 мкГн (5) C = 40 пФ L = 3.7 мкГн (5)	250 (Оптимально)	-0.7	448 + j1022 965 + j1113
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 30 пФ L = 4.87 мкГн (6)	230	0

Таблица 6. Диапазон 30М, частота 10.1 МГц (неонка не зажигается)

Схема согласования	Уровень по датчику, мВ	Отношение уровней T/LC в дБ	Оценка импеданса антенны, Ом
T Cant ≥ 330 пФ Ctrx =  176 пФ L =  1.4 мкГн Cant ≥ 352 пФ Ctrx =  206 пФ L =  1.785 мкГн	346 / 95	0.3 / 0.44	158.9 – j45.1 167.8 + j54.2
T Cant ≥ 352 пФ Ctrx = 159  пФ L =  2.8 мкГн	360 / 100 (Оптимально)	0 / 0	182.5 + j154.3
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 90 пФ L = 1.7  мкГн (3) C = 90 пФ L = 2.01  мкГн (3)	364 / 103 (Оптимально)	-0.09 / -0.25	218 – j121 322.5 – j135.5
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 70 пФ L = 2.457  мкГн (4)	345 / 96	0.37 / 0.35

Таблица 7. Диапазон 40М, частота 7 МГц (неонка  зажигается)

Схема согласования	Уровень по датчику, мВ	Отношение уровней T/LC в дБ	Оценка импеданса антенны, Ом
T Cant ≥ 330 пФ Ctrx = 64 пФ L = 5.7 мкГн Cant ≥ 352 пФ Ctrx = 94 пФ L = 6.03 мкГн	330	0	223.2 - j678.8 1181 + j353
LC, ФНЧ, Hi-Z C =  50 пФ L =   7.3 мкГн (8)	367	-0.9
LC, ФНЧ, Hi-Z C =  45 пФ L =   11.3 мкГн (9) C =  45 пФ L =   8.6 мкГн (9)	390 (Оптимально)	-1.45	5247 – j402 664 - j1254
LC, ФНЧ, Hi-Z C =  40 пФ L =   10.15 мкГн (11)	400	-1.67
LC, ФНЧ, Hi-Z C =  40 пФ L =   12.95 мкГн (13)	410	-1.88
LC, ФНЧ, Hi-Z C =  42 пФ L =   17.21 мкГн (15)	390	-1.45
LC, ФНЧ, Hi-Z C =  40 пФ L =   31.7 мкГн (17)	405	-1.77
LC, ФНЧ, Hi-Z C =  40 пФ L =   41.7 мкГн (18)	410	-1.88

Таблица 8. Диапазон 80М, частота 3.5 МГц (неонка не зажигается)

Схема согласования	Уровень по датчику, мВ	Отношение уровней T/LC в дБ	Оценка импеданса антенны, Ом
T Cant ≥ 330 пФ Ctrx = 232 пФ L = 5.7 мкГн Cant ≥ 352 пФ Ctrx = 262 пФ L = 6.03 мкГн	660 / 208	0 / 0	102 – j138.6 208.6 – j181.2
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 50 пФ L = 10.1 мкГн (8) C = 50 пФ L = 7.2 мкГн (8)	722 / 236 (Оптимально)	- 0.77 / -1.1	85 – j288 72 – j187
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 50 пФ L = 8.67 мкГн (9)	722 / 236	- 0.77 / -1.1
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 50 пФ L = 10.15 мкГн (11)	735 / 259	- 0.9 / -1.9
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 50 пФ L = 12.95 мкГн (13)	730 / 251	- 0.87 / -1.6
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 50 пФ L = 17.1 мкГн (15)	710 / 234	-0.6 / -1.02

Диапазон 160М, частота 1.8 МГц согласование не достигается, ни одним тюнером.

Некоторые измерения выполнены на мощности 5 Вт и 1 Вт (через дробь).

Теперь осталось понять, почему на некоторых диапазонах реактивности посчитанные для Т и LC тюнера имеют разный знак.

В столбце отношения уровней отрицательная величина показывает преимущество СУ «Ёрш». Преимущество может быть вызвано большей градацией изменения индуктивности.

Все согласования VP2E длиной 21 метр выполнены «Ершом» в положении переключателя «Hi-Z», что подтверждает рекомендацию книги «Практика радиолюбителя» - 

использовать преимущественно такую схему для согласования лучей произвольной длины. Положение «Low-Z» скорее всего пригодится для до согласования различных вертикалов с противовесами.

Теперь сравним СУ «Ёрш» с безкорпусным СУ на 20М. Основное отличие в проводе намотке катушки. У «Ерша» она в диаметре 0.4 мм, у второго СУ в диаметре 1 мм. 

Таблица 9. Диапазон 20М, частота 14 МГц

Схема согласования	Уровень по датчику, мВ	Отношение уровней LCёрш / LC в дБ	Оценка импеданса антенны, Ом
LC, ФНЧ, Hi-Z (Ёрш) C = 40 пФ L = 3.7 мкГн (5)	860 / 860	0 / 0	966 + j1113
LC, ФНЧ, Hi-Z C = 40 пФ L =  2.8 мкГн	1025 / 950	-1.5  / -0.8	1033-j520

Пара измерений сделана при некотором смещении коробок СУ, но кардинально на результат это не повлияло.

Преимущество у второго СУ может быть вызвано более удачным попаданием по индуктивности, либо меньшими потерями в проводе катушки.

На 20М метров желательно устанавливать индуктивность с точностью не хуже 0.25 мкГн. (В СУ «Ёрш» не выполняется, шаг индуктивности больше)

Требуется провести эксперимент с добавочной индуктивностью 0.5 мкГн, для определения целесообразности внесения дополнительных отводов (0.5, 1.5, 2.5, 3.5, 4.5, 5.5, 6.5). 

Влияние подключения неонки к полотну антенны минимально. 

Для 20М Изменение уровня на датчике поля: 20*log(1190/1150) = 0.3 дБ. 

Для 40М Изменение уровня на датчике поля: 20*log(1630/1610) = 0.1 дБ.

Может быть вызвано влиянием проводов неонки.

Наконец продолжаю эксперименты с полотном VP2E, запитаным через ферритовые защелки. Диапазон 20М. Трансформация 1:1, ищем точку волнового сопротивления = 50 Ом.

Всего четыре ферритовые защелки для теста. 

Размеры ферритов-защелок:

Фирменный WE: Wurth Elektronik, d1=8.5 мм, d2=16.5 мм, l=28 мм;

Большой феррит  от кабеля для UPS, d1=13 мм, d2=26 мм, l1=26 мм, l2=30 мм;

Средний феррит  из AliExpress,  d1=7 мм, d2=12.5 мм, l1=21 мм, l2=22 мм;

Малый феррит  из AliExpress,  d1=5 мм, d2=10 мм, l1=20мм.

Запитываем полотно через первый подопытный феррит и подворачиваем (или удлиняем) края антенны, сдвигая мимнимум КСВ на интересующую часть диапазона. 

 Вариант удлинения может быть таким: (если у кого полотно короче 20 метров)

В итоге получил центральную частоту около 14.285 МГц. 

Далее, смещая по полотну точку питания снова ищем минимум КСВ.

 Данная область оказалась в районе середины одного плеча антенны ±0.5 м вверх/вниз. На фото видны отметки на полотне антенны с областью минимального SWR.

Результаты:

Для WE феррита наилучший результат – 1 риска по SWR-метру (КСВ >1.5)

Для большого феррита от кабеля для UPS результат – 3 риски по SWR-метру (КСВ ≥2.6)

Для среднего феррита из AliExpress  результат – 4 риски по SWR-метру (КСВ ≥2.9)

Для малого феррита из AliExpress  результат – 3 риски по SWR-метру (КСВ ≥2.6)

Для пары ферритов малый и средний результат – 2 риски по SWR-метру (КСВ ≥2.22)

Поскольку полное согласование не удается, сравнивать такое питание с СУ на сосредоточенных элементах не приходится, результат будет не в пользу ферритов. 

Для связи mail:  lis-soft /*at*/rambler   точка   ру

Лавриненков Игорь / R2AJA