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:

R_s = 7.0 ÷ 127.0 Ω şi X_s = -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 Z_out 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 X_L1 este o reactanţă echivalentă care înglobează şi reactanţa antenei X_Cout, astfel încât, reactanţa XL1 se va înlocui cu o reactanţă X_L1’ care satisface relaţia X_L1’ + X_Cout = X_L1.

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 X_L 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

1827

Inapoi la inceputul articolului