На прошлой неделе мы познакомились с библиотекой pySmithPlot , научились рисовать с ее помощью диаграммы Смита и графически изобразили работу четвертьволнового трансформатора. Сегодня мы снова воспользуемся pySmithPlot. Но на этот раз библиотека будет применена для анализа антенного тюнера, выполненного по T-образной схеме .
За основу взята идея из статьи Сравнение тюнеров Игоря Гончаренко, DL2KQ. О статье я узнал благодаря комментарию, который оставил Юрий Красовский, EW1AEI.
Идея достаточно проста. Тюнеру нет разницы, согласует он кабель с антенной или антенну с кабелем. Перевернем все с ног на голову и представим, что преобразуем во что-то 50 Ом кабеля. Мы знаем схему тюнера, в каких пределах меняются емкость и индуктивность компонентов, и все формулы известны. Для любого возможного положения ручек посчитаем результирующий импеданс и нанесем его на диаграмму Смита. Если итоговая диаграмма закрашена как следует, значит схема тюнера и его компоненты выбраны удачно. Поскольку импеданс конденсаторов и катушек индуктивности зависит от частоты, операцию нужно повторить для всех интересующих частот.
В оригинальной статье использовалась программа для Windows под названием RFSim99. Windows я не пользуюсь, зато мне не трудно написать десяток-другой строк на языке Python :
import numpy as np
from math import pi
from matplotlib import pyplot as pp
from smithplot import SmithAxes
def impedance ( freq , Za , C1 , L1 , C2 ) :
omega = 2 *pi*freq
C1 = C1/ 1000 / 1000 / 1000 / 1000
C2 = C2/ 1000 / 1000 / 1000 / 1000
L1 = L1/ 1000 / 1000
Zc1 = 1 / ( 1j*omega*C1 )
Zc2 = 1 / ( 1j*omega*C2 )
Z1 = Za + Zc1
Z2 = 1j*omega*L1
Zt = Z1*Z2/ ( Z1+Z2 )
return Zt+Zc2
Za = 50
c_min = 22.0
c_max = 360.0
# use c_step = 0.3 if you have some spare time
c_step = 1.0
# based on https://coil32.ru/calc/one-layer.html
# D = 39mm, d = 1mm, k = 2mm, L/D = 1.2
l_list = [ 0.1 , 0.35 , 0.65 , 1.05 , 1.5 , 2.0 , 2.5 , 3.1 , 3.7 , 4.3 , 4.9 , 5.6 ,
6.3 , 6.9 , 7.6 , 8.4 , 9.1 , 9.8 , 10.5 , 11.3 , 12.0 , 12.8 , 13.5 , 14.0 ]
f_list = [ 1.820 , 3.540 , 7.020 , 10.115 , 14.035 ,
18.080 , 21.035 , 24.900 , 28.035 ]
for f in f_list:
freq = int ( f* 1000000 )
print ( «freq = {}» . format ( freq ) )
pp. figure ( figsize = ( 6 , 6 ) )
ax = pp. subplot ( 1 , 1 , 1 , projection = ‘smith’ )
ax. update_scParams ( axes_impedance = 50 )
for L1 in l_list:
print ( » L1 = {}» . format ( L1 ) )
imp_list = [ ]
for C1 in np. arange ( c_min , c_max , c_step ) :
for C2 in np. arange ( c_min , c_max , c_step ) :
imp = impedance ( freq , Za , C1 , L1 , C2 )
imp_list + = [ imp ]
pp. plot ( np. array ( imp_list ) , color = ‘blue’ , linestyle = » ,
marker = ‘o’ , markersize = 2 , alpha = .2 , datatype = ‘Z’ )
pp. savefig ( ‘./smith-{}.png’ . format ( freq ) )
Здесь считается, что в тюнере используется пара КПЕ, емкость которых меняется от 22 до 360 пФ. Это заявленный диапазон значений пары имеющихся у меня КПЕ. Катушка индуктивности рассчитана при помощи онлайн-калькулятора Coil32 . Размеры подобраны так, чтобы полная индуктивность составляла 14 мкГн и при этом катушка имела 24 витка, по одному отводу на виток. Выбрано 24 отвода, поскольку это дает много различных значений индуктивности, а галетные переключатели на 24 положения нетрудно найти на том же eBay. Индуктивность выбрана равной 14 мкГн, поскольку такая катушка стоит в MFJ-971 . Так как тюнер выполнен по T-образной схеме и неплохо справляется со своей работой, 14 мкГн показались мне неплохим начальным значением. В качестве частот выбраны середины телеграфных участков радиолюбительских диапазонов.
Скрипт говорит, что тюнер будет неплохо работать на диапазонах 80, 40, 30 и 20 метров. Правда, на диаграмме Смита для диапазона 20 метров есть пара дырочек:
Но я думаю, что тюнеру можно простить неспособность согласовать чисто активные 500 Ом или около того на частоте 14.035 МГц. Антенну с таким чисто активным входным сопротивлением еще нужно поискать. Диаграммы для диапазонов 80, 40 и 30 метров аналогичные, только без дырочек.
С ростом частоты картина портится все сильнее и на 10 метрах выглядит так:
При определенных условиях тюнер может не справиться с задачей уже при КСВ 2.4. Это не обязательно означает, что тюнер совсем никуда не годится. У вас есть дополнительные степени свободы в виде изменения размеров антенны, возможности использовать вместе с тюнером трансформаторы, и так далее. Но тот факт, что на диапазонах 10, 12, 15 и 17 метров тюнер согласует не все подряд, следует иметь в виду.
Наконец, рассмотрим диапазон 160 метров:
Я бы сказал, что в этом диапазоне придуманный тюнер работает скверно. Это может быть или не быть проблемой, в зависимости от того, насколько часто вы работаете в диапазоне 160 метров.
Как видите, подобный анализ произвести совсем не сложно. Он сразу показывает, будет ли тюнер решать интересующие вас задачи. Это может сэкономить кучу времени.
Дополнение: В этом треде можно посмотреть анализ тюнера ATU-100 / N7DDC, выполненного по Г-образной схеме.
Дополнение: В продолжение темы вас могут заинтересовать посты Миниатюрный ручной антенный тюнер и Моделирование антенн на Python при помощи PyNEC .