понедельник, 20 апреля 2020 г.

Анализ КПД антенных тюнеров с применением антенных эквивалентов

Ранее я уже проводил оценку КПД своих тюнеров в полевых условиях, теперь проверю измерения в лабораторных условиях. Тюнеры для анализа: LC «Ёрш» ФНЧ с переключателем HiZ/LowZ, кнопочный T-тюнер ФВЧ, китайский KIT DIY Т-тюнер ФВЧ на магнитном кольце. Прочитать про каждый из них можно по ссылкам внизу статьи, а пока - обзорное фото.
Измерение выходной мощности генератора AA-340UP.
В работе используем антенный анализатор AA-340UP в качестве генератора измерительного сигнала. Отметим, что уровень 2 и 3 гармоник не более -30 дБм, поэтому их рассмотрением можно пренебречь.
Измерения в таблице выполнены на анализаторе спектре + приведены измерения на осциллографе.
F, кГц
P, dBm
P, мВт
Vpp50 Ом, В
P, мВт
P, dBm
1800
5.62
3.73
1.17
3.42
5.34
3500
5.67
3.74
1.16
3.36
5.26
7000
5.7
3.75
1.15
3.306
5.19
14000
5.6
3.65
1.14
3.249
5.11
21000
5.58
3.63
1.13
3.19
5.03
28000
5.2
3.343
1.13
3.19
5.03

Цифры отличаются на 0.3-0.4 дБ, т.к. отличаются параметры измерительных кабелей. Для дальнейшей работы принимаем оценки по осциллографу как основные, т.к. на нем будет измеряться и напряжение на эквиваленте антенны.
Теперь подключаем тюнер к АА-340UP и настраиваем выбранным тюнером нагрузочный безындукционный эквивалент по максимуму показаний осциллографа.  Сводные таблицы представлены изображениями.
LC-тюнер «Ёрш» - ФНЧ c переключением HiZ/LowZ
Т-тюнер KIT (DIY) из AliExpress
Т-дискретный тюнер
Промежуточные выводы:
Т-тюнер DIY (из AliExpress)
Хорошо согласует высокоомные антенны на частотах от 1800 до 21000 МГц. Выше, уже слишком много индуктивности от колечка! КПД сильно снижается с ростом частоты, следовательно, материал кольца вносит больше потерь, чем сопротивление намотки тонким проводом(!) На диапазоне 14 МГц, работают всего один-два витка вокруг кольца, и омические потери минимальны. КПД изменяется от 57% до 26% или, если говорить о потерях, это от 2.4 до 5.8 дБ! В низкоомном варианте ситуация получилась обратная, КПД лучше на высших диапазонах: от 29% до 89%, потери от 5.4 дБ до 0.5 дБ. Также можно видеть, что для высокоомных антенн, с ростом сопротивления, растут потери, в данной модели тюнера на 1 дБ, при росте сопротивления в 2 раза примерно с 800 до 1600 Ом.
LC-тюнер «Ёрш» - ФНЧ c переключением HiZ/LowZ
КПД сильно снижается с ростом частоты, что неожиданно. КПД в высокоомном варианте изменяется от 80 % до 7% или, если говорить о потерях, это от 0.95 до 11.3  дБ! В низкоомном варианте удается согласовать сопротивления на частотах от 7000 кГц и выше, при этом КПД не хуже 75%, и потери не более 1 дБ! Также можно видеть, что для высокоомных антенн, с ростом сопротивления, растут потери, в данной модели тюнера на 1 дБ, при росте сопротивления в 2 раза примерно с 800 до 1600 Ом (диапазон 14000 кГц, КПД снижается c 85% до 75%.)
Т-тюнер на дискретных ёмкостях.
При работе на высокоомную нагрузку КПД снижается с ростом частоты. При работе на низкоомную нагрузку КПД растет с ростом частоты. С уменьшением высокоомного нагрузки с 1600 до 800 Ом, КПД незначительно улучшается, потери немного уменьшаются на 0.1-1 дБ (зависит от частоты). 

Составим обобщенную таблицу КПД и потерь в согласующих устройствах для близких значений КСВ, для каждого эквивалента и частоты.
Результаты лабораторной работы отличаются от ожидаемых, поэтому выполняем еще дополнительные измерения. Тюнеры подключаются к домашней антенне-лучу, а на расстоянии 10 метров записываются показания датчика поля. 

Показаны параметры настройки тюнеров: СLC, КСВ, R, jX. Полученное значение напряжения для двух передаваемых мощностей 5Вт и 0,5Вт. Датчик поля показывает напряжение наводки сторонних полей dU около 27 мВ. Мы считаем, что измерение просто перекрывает эту наводку - значения типа MAX, или считаем, что наводку нужно вычитать из измерения - вариант RAZ.
Учитываем характеристику полупроводникового преобразователя и для перехода к дБ при U более 177 мВ используем 20*LOG10 иначе 10*LOG10. Желательно измерять схожие по силе сигналы, или меньшие 177 мВ, или уже бОльшие.
От 7 МГц и выше можно считать подключаемый луч высокоомной антенной, ниже 7 МГц – низкоомной.

В 2019 году выполнялась работа по сравнению Т-KIT тюнера и Т-тюнера в дальней зоне антенны на частоте 14 МГц. http://lavrinenkov.blogspot.com/2019/04/vp2e.html В результате было установлено, что T-KIT проигрывал Т-тюнеру 3 дБ! Далее проводилось сравнение Т-тюнера и LC «Ёрш» http://lavrinenkov.blogspot.com/2019/05/lc.html

Приведем табличку измерений по разным методикам и в разное время:

Частота, кГц
Результат 2019, полем
Результат 2020, на резисторе
Результат 2020,
полем
1800
Не выполнялось
Нет данных
LC>T-KIT на 2 дБ
3500
LC > T на 0.77 дБ
Нет данных
LC>T на 0.6 дБ
LC>T-KIT на 1.1 дБ
7000
LC > T на 1.45 дБ
LC > T на 0.4…1.64 дБ
LC>T на 0.2 дБ
LC> T-KIT на 0.9 дБ
14000
LC > T на 0.7 дБ
T>T-KIT на 3 дБ
LC > T на 2.5…3.5 дБ
LC>T на 0.3 дБ
LC> T-KIT на 2.72 дБ

21000
Нет данных
LC > T на 1.7 дБ
LC>T на -0.11 дБ
LC> T-KIT на 1 дБ
28000
LC > T на 2 дБ
LC > T на -5 дБ
LC>T на -4.4 дБ
LC> T-KIT на -2.9 дБ
T>T-KIT на 1.46
Комментарии:
3500: есть соответствие
7000: есть соответствие
14000: странное снижение КПД в измерениях с резистором
21000: нет сопоставления
28000: слишком большие потери у LC. Не соответствует полевым испытаниям. Если столбец «2020 полем» можно объяснить разной ДНА по сравнению с «2019 полем», то почему на резисторе такой слабый результат?!

Выводы к статье:
  • Наиболее точным следует считать измерение в дальней зоне по уровню принимаемого сигнала как сделано в опыте: http://lavrinenkov.blogspot.com/2019/04/vp2e.html
  • Стоит придерживаться рекомендации, использовать воздушные индуктивности, воздушные конденсаторы и пластиковые корпуса. Металлы, карбонильные кольца, ферриты, изоляторы – всё снижает КПД тюнера.
  • Не найдено преимущество в легкости настройки Т-тюнером по сравнению с более простым Г-тюнером (LC)
  • Основное направление применения тюнера – согласование высокоомных проволочных антенн, следовательно, переключатель ёмкости вход/выход тюнера можно не применять, и собирать LC – тюнер по схеме «ФНЧ, ёмкость со стороны высокого импеданса».
  • Имеет смысл рассмотреть согласование низкоомных лучей и сравнить тюнеры в неосновном варианте их применения.(диапазоны 7/14/21 МГц, луч 10, 5, 3 метра + противовесы 3-10 метров)
Дополнительная информация:
[1] Компактное антенное согласующее устройство "Ёрш" [Ruffe - LC tuner unit ] http://lavrinenkov.blogspot.com/2019/05/ruffe-lc-tuner-unit.html
[2] И.С. Лавриненков, "Антенный QRP тюнер на дискретных элементах", 59-й номер журнала CQ-QRP http://qrp.ru/cqqrp-magazine/1345-cq-qrp-59 
[3] Обзор QRP тюнера из AliExpress, http://lavrinenkov.blogspot.com/2016/11/qrp-aliexpress.html
[4] Питание VP2E через ферритовую защелку и СУ, http://lavrinenkov.blogspot.com/2019/04/vp2e.html
[5] Полевые испытания LC «Ёрш» и Т - тюнера. Питание полотна через ферриты, http://lavrinenkov.blogspot.com/2019/05/lc.html
[6] И.С. Лавриненков, "Практика радиолюбителя. Антенны, маяки, скиммеры", Радиософт, 2019.

Для связи mail:  lis-soft /*at*/rambler   точка   ру
Лавриненков Игорь / R2AJA





Комментариев нет:

Отправить комментарий