1
Introducere
Articolul
vine în completarea celui precedent, cu titlul “Transmatch de unde
scurte – o abordare mai amanunţită”, şi prezintă
transpunerea în practică a principiilor enunţate anterior, şi
anume, obţinerea unui circuit de adaptare cu o bandă de lucru maxim
realizabilă. In
articolul precedent s-au evidenţiat limitele de bandă pe care le
poate susţine un circuit de adaptare cu transceiver-ul pentru o
antenă dată. Scopul acestei analize este acela de a realiza un
circuit de adaptare cu banda cât mai mare, fără să mai fie
nevoie, dacă rezultatele permit, să se realize un acord permanent.
Pentru
a proba acest deziderat am proiectat un transmatch pentru antena staţiei mele,
şi care este de tip Dublu V-întors dimensiontă pentru benzile 80 m
şi 40 m.
Măsurătorile
statice şi cele cu staţia au confirmat conceptul care poate fi
aplicat pentru realizarea unui transmatch “home made” dedicat benzilor de
radioamatori, cu costuri minime şi performanţe bune, cât şi
pentru elaborarea unor algoritmi de acord pentru o implemtare automată.
2
Alegerea circuitului de adaptare
Sunt
posibile multe topologii de circuite. In cazul benzilor de radioamatori, sunt
utlizate reţele de adaptare cu 2 şi 3 poli reactivi, cele mai
utilizate sunt fiind în configuraţie “T” sau “π”. Aceste reţele
au fie un inductor şi două capacităţi, fie un capacitor
şi două inductoare. Aceste configuraţii sunt bine descrise în
literatură, iar alegerea unui tip este în funcţie de gama rezistenţei
de adaptat cât şi de considerente tehnologice, este mai uşor de
realizat un adaptor doar cu un singur inductor variabil.
Pentru
alegerea configuraţiei potrivite, trebuie determinată mai întâi
variaţia impedanţei antenei în toată gama de lucru. Precizez,
că, de fapt am măsurat impedanţa la capătul dinspre
staţie al fiderului, pentru că în acel punct se va face adaptarea.
Evident, o parte din putere se va pierde pe fider atât ohmic, prin
căldură, cât şi datorită dezadaptării de la capetele
fiderului. Deoarece montarea unui transmatch la bornele antenei este
dificilă, am ales varianta ca transmatch-ul sa fie montat lângă
staţie.
Impedanţa
antenei am măsurat-o cu un voltmetru VNA, alura acestei mărimi fiind
prezentată în Fig 1.
Fig. 1
In
Fig 2 este prezentată variaţia coeficientului de unde
staţionare.
Fig. 2
Am
extras din măsurători, sub formă tabelară, valorile
impedanţei serie în jurul frecvenţelor utilizate pentru traficul
radioamatorilor.
Tabel
1 – Impedanţa antenei Dublu V-Intors
Nr
|
Frecvenţa
MHz
|
Rezistenţa
serie echivalentă
Ω
|
Reactanţa
serie echivalentă
Ω
|
1
|
1.810
|
7.49
|
-21.5
|
2
|
1.850
|
7.44
|
-20.4
|
3
|
1.900
|
7.22
|
-18.8
|
4
|
1.950
|
7.17
|
-17.2
|
5
|
2.000
|
7.00
|
-15.6
|
6
|
3.500
|
10.2
|
40.5
|
7
|
3.600
|
11.4
|
46.7
|
8
|
3.700
|
13.5
|
53.4
|
9
|
3.800
|
15.9
|
61.0
|
10
|
7.000
|
8.31
|
-12.7
|
11
|
7.100
|
8.27
|
-9.58
|
12
|
7.200
|
8.33
|
-6.73
|
13
|
10.100
|
108
|
-133.0
|
14
|
10.150
|
90.9
|
-125.0
|
15
|
14.000
|
29.8
|
69.3
|
16
|
14.100
|
37.0
|
78.3
|
17
|
14.150
|
40.9
|
83.8
|
18
|
14.200
|
46.9
|
88.2
|
19
|
14.300
|
61.1
|
99.0
|
20
|
14.350
|
69.9
|
104.0
|
21
|
18.000
|
15.1
|
20.8
|
22
|
18.100
|
15.8
|
23.9
|
23
|
18.150
|
16.2
|
25.6
|
24
|
21.000
|
27.1
|
-44.2
|
25
|
21.250
|
21.5
|
-31.5
|
26
|
21.450
|
19.1
|
-23.7
|
27
|
24.900
|
189
|
8.9
|
28
|
28.000
|
22.3
|
20.6
|
29
|
28.450
|
30.8
|
34.6
|
30
|
28.850
|
47.7
|
49.2
|
31
|
29.300
|
88.3
|
52.5
|
32
|
29.700
|
127.0
|
12.8
|
Alegerea
unei reţele de adaptare se face în funcţie de gama de variaţie
părţilor reale şi imaginare ale inductanţei
văzută la capătul fiderului. In cazul acestei antene avem:
Rs
= 7.0 ÷ 127.0 Ω şi Xs = -133.0 ÷ 104.0 Ω
Sunt
posibile mai multe configuraţii de reţele şi un articol al
firmei Freescale Semicinductor Inc. (Ex. Motorola), cu titlul “Matching Network
Design with Computer Solutions”, a fost studiat în alegerea unei
configuraţii adecvate.
Articolul
prezintă câteva configuraţii şi valori ale componentelor sub
formă tabelară. Urmând această cale, am selectat
configuraţia din Fig.3, care este indicată pentru valori mici ale
impedanţei.
Fig.3
Semnificaţia
notaţiilor este următoarea:
Notaţie
|
Semnificaţie
|
R1
|
Rezistenţa
echivalentă a antenei compusă din rezistenţa de radiaţie
şi rezistenţa de piederi
|
Zout
|
Reactanţa
echivalentă a antenei la frecvenţa de lucru
|
XL1
|
Reactanţa
inductanţei reţelei de adaptare
|
XC1
|
Reactanţa
Capacitorului C1
|
XC2
|
Reactanţa
Capacitorului C2
|
RL
|
Rezistenţa
de sarcină
|
3
Calculul reţelei de adaptare
Reţeaua
absoarbe reactanţa antenei Zout şi transformă R1
în 50Ω. Relaţiile între mărimile reţelei sunt
următoarele:
·
·
·
·
·
·
Ordinea
de calcul este următoarea:
·
Se
tabelează relaţiile pentru diverse valori ale lui Q (de regulă
între 1 şi 10)
·
Se
alege o valoare pentru Q
·
Pentru
un Q ales, şi un R1 dat, se aleg din tabel reactanţele XL1, XC1
şi XC2
Trebuie
menţionat faptul că XL1 este o reactanţă
echivalentă care înglobează şi reactanţa antenei XCout,
astfel încât, reactanţa XL1 se va înlocui cu o reactanţă XL1’
care satisface relaţia XL1’ + XCout = XL1.
Am
aplicat această metodă la dimensionarea circuitului de adaptare
pentru antena Dublu V-întors în gama de frecvenţe 1.8 – 30 MHz.
Rezultatele
sunt prezentate în tabelul următor.
Observaţie:
pentru banda de 7 MHz valoarea reactanţei XL este
negativă. Soluţie: se înlocuieşte cu un condensator de
aceeaşi reactanţă: C=66 nF
Tabel
2 – Valorile reţelei de adaptare
F(KHz)
|
R1(Ω)
|
Xa(Ω)
|
Q
|
R1
|
XL1
|
XC1
|
XC2
|
XL1'
|
C1(pF)
|
C2(pF)
|
L1'(uH)
|
1850
|
9.30
|
-5.24
|
3
|
9.5
|
28.5
|
46.2
|
47.3
|
33.7
|
1862
|
1820
|
2.90
|
3600
|
11.1
|
48.2
|
3
|
11.0
|
33.0
|
57.8
|
54.8
|
-15.2
|
765
|
807
|
-0.67
|
7015
|
8.82
|
-12.6
|
3
|
9.0
|
27.0
|
42.7
|
44.7
|
39.6
|
531
|
508
|
0.90
|
7105
|
8.40
|
-9.9
|
3
|
8.5
|
25.5
|
39.5
|
41.7
|
35.4
|
567
|
537
|
0.79
|
18100
|
15.8
|
23.9
|
3
|
15.5
|
46.5
|
99.9
|
72.5
|
22.5
|
88
|
121
|
0.20
|
21250
|
21.8
|
-31.1
|
2
|
22.0
|
44.0
|
122
|
55.0
|
75.1
|
170
|
61
|
0.56
|
24900
|
47.0
|
11.6
|
1
|
47.0
|
47.0
|
1609
|
47.0
|
35.0
|
136
|
4
|
0.23
|
28450
|
31.4
|
34.9
|
1
|
32.0
|
32.0
|
136
|
65.0
|
-3.0
|
175
|
41
|
-0.02
|
29700
|
32.2
|
17.5
|
1
|
32.0
|
32.0
|
136
|
26.5
|
15.0
|
167
|
39
|
0.08
|
Au
fost reţinute valorile componentelor pentru asigurarea unui factor de
calitate Q, al reţelei, cât mai mic posibil, în concordanţă cu
concluzia din articolul precedent şi anume că, pentru o valoarea
asumată a coeficientului de reflexie, ρ, între dezacordul generalizat, β, şi factorul de
calitate, Q, există o interdependenţă şi anume:
Bandă de
Adaptare Mai Mare Presupune un Factor de Calitate mai Mic
Impunând
un coeficient de reflexie şi o bandă de frecvenţă prin
dezacordul generalizat, β,
se determină valoarea maximă pentru factorul de calitate Q, care definesc
reactanţele reţelei. Sau, cu alte cuvinte, plecând de la tabelul cu
lărgimile de bandă necesare pentru fiecare subgamă, stabilim
Q-ul minim care trebuie asigurat de reţaua de adaptare pentru a nu depăşi
factorul de unde staţionare asumat.
(1)
Pentru
σ<2, avem
relaţia simplificată
(2)
Unde
BW semnifică lărgimea de bandă
Tabel
3 – Valorile lărgimilor de bandă şi Q-ul minim necesar pentru
reţea
Nr
|
Banda
m
|
Limite
frecventa
KHz
|
Frecventa
centrala
KHz
|
Banda
necesară
KHz
|
Qmin
|
1
|
160
|
1810 -
2000
|
1902.6
|
190
|
7
|
2
|
80
|
3500 -
3800
|
3647.9
|
300
|
8.6
|
3
|
40
|
7000 -
7200
|
7099.3
|
200
|
25
|
4
|
20
|
10100 -
10150
|
10124.9
|
50
|
143
|
5
|
21
|
14000 -
14350
|
14173.9
|
350
|
28
|
6
|
16
|
18068 - 18168
|
18117.9
|
100
|
128
|
7
|
14
|
21000 -
21450
|
21223.8
|
450
|
33
|
8
|
12
|
24890 -
24990
|
24939.9
|
100
|
176
|
9
|
10
|
28000 -
29700
|
28837.5
|
1700
|
12
|
Se
observă din Tabelul 2 că valorile lui Q selectate pentru realizare
sunt sub valorile minime prevăzute în Tabelul 3.
Trebuie
să menţionez că metoda de proiectare este aplicabilă pentru
orice antenă şi orice reţea de adaptare.
Măsurătorile
şi calculele au fost făcute însă pentru antena proprie Dublu
V-intors şi toate benzile lucru.
Pentru
a testa metoda de proiectare am realizat un montaj experimental cu schema
electrică prezentată în Fig. 4. Măsurătorile au fost
efectuate cu un MiniVNA, la ieşirea din adaptor. Cu ajutorul
condensatorilor variabili C1 şi C2 s-a ajustat banda de trecere. Valorile
obţinute sunt prezentate în Tabelul 4.
Intrucât
la momentul realizării montajului nu am avut la dispoziţie valorile
exacte pentru condensatorii C1 şi C2, s-au montat în paralel doi
condensatori variabili cu care s-a compensat abaterea de la valoarea nominală
a condensatorilor dar şi, pentru a determina valoarea optimă a
condensatorilor C1 şi C2. De asemenea s-au ajustat bobinele la voaloarea
determinată prin calcul.
Montajul
a fost realizat pe un plan de masă obţinut prin placarea unei
plăci de PVC de 3 mm grosime cu bandă de cupru auto-adezivă. Secţiunile
aferente unei benzi de lucru sunt comutate cu relee. Din lipsa spaţiului
pe placa de test s-au putut monta 5 secţiuni de adaptare pentru benzile
160 m, 80 m, 40 m, 20 m şi 10 m. Cu ajutorul unui comutator cu mai multe
pozitii se acţionează corespunzător releele.
Tabel
4 – rezultate obţinute
Nr
|
Banda
m
|
Limite
frecventa
KHz
|
Banda
necesară
KHz
|
Banda obinută
KHz
|
1
|
160
|
1810 -
2000
|
190
|
190
|
2
|
80
|
3500 -
3800
|
300
|
350
|
3
|
40
|
7000 -
7200
|
200
|
250
|
4
|
20
|
10100 -
10150
|
50
|
200
|
5
|
21
|
14000 -
14350
|
350
|
400
|
Observaţie:
Banda de trecere a fost măsurată în condiţiile SWR<2
4
Concluzii
Rezultatele
obţinute, validează conceptul de proiectare. Ceea ce aduce nou acest
articol este selecţia soluţiei de acord din multitudinea pe care
teoria le susţine. Procedura este alegera unei configuraţii pentru care
elementele celulei de adaptare asigură bandă de trecre cât mai mare.
In
felul acesta, se poate realiza un adaptor de impedanţe care nu mai are
nevoie de elemente mecanice în mişcare pentru acord.
Ca
un dezavantaj, se poate remarca faptul că schema acestui montaj
necesită valori mai mari pentru condensatoarele de acord.
Pentru
o soluţie completă, montajul experimental trebuie asistat de un
măsurător SWR.
Schema
se pretează la o realizare cu acord digital, cu care se poate obţine
un acord mai precis.
Partea
mai grea este elaborarea unui algoritm de acord prin care să se
obţină banda dorită pentru un SWR admis, în cazul nostru, 2.
Aceasta
este o temă pentru cei care doresc să perfecţioneze conceptul.
5
Bibliografie
1. AN267 – Matching
Network Design with Computer Solutions, Freescale Semiconductor(Ex. Motorola)
by Frank Davis, 1993
2. AN271 – Impedance
Matching Networks Applied to RF Power Transistors, Freescale Semiconductor(Ex.
Motorola) by B. Becciolini, Oct. 2005
3. Transmatch de unde
scurte – o abordare mai amănunţită, https://www.radioamator.ro/, August 2024
Ing.
Mihai Stocec
August
2024
Fig.
4 – Schema electrică montaj experimental
In
Fig. 5 prezint o poză a montajului experimental
- ing. Mihai Stocec YO3AYX
-
Articol aparut la
6-9-2024
1760
Inapoi la inceputul articolului