рис.3.5.12.
Очень часто полоса антенной системы (антенна+СУ) не перекрывает нужную полосу частот с заданным КСВ. Сама антенна имеет свою полосу BWa (в этом параграфе мы полагаем её неизменной – какая уж вышла), а СУ – свою BWcу. И казалось бы, при последовательном включении суммарная полоса BW будет меньше. Но не забудем – и антенна и СУ по сути резонансные устройства. Поэтому BW может как сузиться, так и расшириться. Все зависит от характера изменения реактивности jX(f) у антенны и СУ. Если, например, у антенны ниже резонансной частоты jXа отрицательно, а выше – положительно (типично для антенн, питаемых в разрыве вибратора, например диполя, GP), то если у СУ характер изменения jXсу обратный (то есть ниже резонансной частоты – индуктивный, а выше - ёмкостной), то произойдет взаимная компенсация jXа и jXсу и суммарная полоса расшириться.
Здесь проще оперировать понятиями техники полосовых фильтров – двухконтурный фильтр имеет полосу шире, чем одиночный контур. Как известно – правильно сделанный полосовой фильтр содержит чередующиеся последовательные и параллельные колебательные контуры. У нас один из контуров антенна (с некоторым приближением так можно считать). Следовательно, в зависимости от того, каков характер изменения jXa от частоты (как у последовательного, или как у параллельного LC-контура) надо выбирать характер изменения jXсу(f).
Как было упомянуто в параграфе 3.1.5, эквивалентной схемой полуволнового вибратора, питаемого в центре, является обычный последовательный LC-контур. То же самое относится и к l/4 GP. Это хорошо видно на рис. 3.3.3 и 3.4.3. Итак, имеем: первый контур (антенна) – последовательный. Значит, для образования широкополосного двухконтурного фильтра к нему надо подключить параллельный LC контур, настроенный на среднюю частоту диапазона. Просто параллельно питающему кабелю (и соответственно антенне), как показано в файле …ANT/Match/dipole-wide.maa. К чему это приводит, показано на рис 3.5.12.
Зависимость jX(f) приобретает характерный для широкополосных схем согласования S-образный характер, и при правильной настройке пресекает нулевое значение трижды. Это и есть следствие взаимной компенсации реактивностей антенны и СУ (нашего контура). В результате полоса BW по уровню КСВ<2 расширяется более чем в полтора раза по сравнению с обычным полуволновым диполем. Зависимость R(f) имеет непривычный вид – на средней частоте (где LC контур находится в резонансе и никак не влияет) R соответствует сопротивлению простого диполя. Но при расстройке в любую сторону от центральной частоты активная часть входного сопротивления диполя уменьшается, но наличие LC контура приводи к трансформации и повышению суммарного R. В результате, для данного вида согласования, зависимость R(f) приобретает двугорбый характер с двумя максимумами, почти симметрично расположенными относительно центральной частоты.
Реактивное сопротивление контурного конденсатора на рабочей частоте обычно лежит в пределах 5…20 Ом (довольно большая ёмкость), катушка выбирается исходя из условия получения резонанса. Практика показала, что несколько лучшие результаты по ширине BW получаются в случае, если резонансная частота LC контура несколько выше (на 10..15% от абсолютной полосы BW) средней частоты диапазона. От величины конденсатора контура зависит расстояние между крайними нулями S-кривой на графике jX(f). Увеличение ёмкости приводит к сближению крайних нулей, и соответственно – к сужению полосы. Чрезмерное уменьшение этой ёмкости приводит к расширению S-кривой до тех частот, где уже резко падает R, что также приводит к сужению BW. Оптимальное значение С легко подобрать в MMANA, ориентируясь на вид S-кривой графика jX(f) и ширину полосы BW на графике КСВ. Примеры такого согласования диполя для разных частот приведены в файлах …ANT/Match/dipole-wide1.maa и …ANT/Match/dipole-wide2.maa.
По сути, согласование параллельным контуром в точке питания на частотах ниже средней ведет себя как разновидность согласования параллельной катушкой (hairpin). В самом деле – на этих частотах антенна имеет низкое значение Ra и отрицательноё (ёмкостное) jXa, а контур СУ на на этих частотах ведет себя как индуктивность (подключенная параллельно). В результате суммарное jX снижается, а R повышается (см. частотный участок 26,5…28 МГц на графиках 3.5.12).
Аналогично выше средней частоты диапазона такое согласование близко к согласованию параллельной ёмкостью – антенна ведет себя как индуктивность, а контур - как ёмкость.
Очень хорошие результаты получаются при использовании этого вида согласования для l/4 GP, стоящего на земле, при питании кабелем 50 Ом. Возрастание активной части входного сопротивления от 37 Ом в центре до 50…60 Ом на краях диапазона приводит к двум выраженным минимумам КСВ на краях диапазона. В файле …ANT/Match/ GP-polosa.maa показан пример согласования l/4 GP диапазона 80 м. На рис 3.5.13 показаны результаты, с контуром настроенным на 3,67 МГц и конденсатором контура 7500 пФ.
КСВ во всём диапазоне 3,5…38 МГц не превышает 1,4 с двумя отчетливыми минимумами в CW и SSB DX участках. При уменьшении высоты вертикала до физического резонанса на 3,75 МГц, повышении частоты контура СУ до 3,78 Мгц и снижении ёмкости конденсатора до 5000 пФ становится возможным перекрыть полосу более 500 кГц.
В файле …ANT/Match/ GP-polosa-1.maa показан пример согласования l/4 GP в полосе 26…29,7 МГц (ёмкость конденсатора контура СУ 300 пФ).
Этим способом можно расширить полосу любой антенны, которая ведет себя на своей резонансной частоте как последовательный контур. Это почти все антенны, питаемые в разрыве пучности тока (то есть большинство антенн). К примеру, в файле …ANT/Match/Wide quad LC match.maa показано расширение полосы этим способом для квадрата с периметром в 1l.
Отмечу, что для получения оптимальных характеристик желательно, чтобы собственное (без контура согласования) входное сопротивление Ra антенны на резонансе было бы несколько ниже волнового сопротивления Zo используемой линии передачи. Отношение Zo/Ra даст величину пикового значения «горба» КСВ в центре диапазона. Достигаемое этим способом расширение полосы – в полтора… два раза (по сравнению с полосой этой же антенны без контура).
Напряжение на контуре не превышает выходного напряжения передатчика, реактивная мощность контурного конденсатора должна быть не менее мощности передатчика. Контур СУ должен быть настроен на среднюю частоту диапазона до установки на антенну, и в дальнейшем в настройке обычно не нуждается. Но подстройка в небольших пределах (растягиванием - сжиманием контурной катушки) по максимуму не повредит.