Обзор антенного тюнера Yaesu FC-40

Часто бывает так, что при работе в полевых условиях трудно использовать хорошую резонансную антенну на каждый диапазон. Работа не несогласованную нагрузку приводит к плохой работе радиостанции на всех диапазонах и к большому уровню внеполосных излучений (помех). В этих случаях рекомендуется применять специальное согласующее устройство Antenna Tuning Unit (ATU), обеспечивающее приемлемое согласование выходного сопротивления передатчика с входным сопротивлением антенно-фидерного устройства (АФУ).
Основным условием согласования является равенство сопротивлений выходного каскада передатчика, линии передачи (в частном случае коаксиального кабеля) и сопротивления антенны: Rпрд. = Rкаб. = Rант.

Но на высоких частотах эти сопротивления носят комплексный характер, включающий в себя все три компоненты: активную, ёмкостную и индуктивную. Поэтому, это сопротивление называется «импедансом» или комплексным сопротивлением.
Выходные цепи передатчика, линия передачи и антенна обладают комплексным волновым сопротивлением. Обычно, стандартным волновым сопротивлением принято считать резистивное сопротивление 50 Ом, с емкостной и индуктивной составляющими равными нулю. Если все три компонента системы имеют одинаковое волновое сопротивление, то систему называют «согласованной» и имеет место максимальная передача мощности от передатчика к антенне. В то время как выходные цепи трансивера и линия передачи имеют фиксированное и точно заданное волновое сопротивление, антенна представляет собой чисто активную нагрузку 50 Ом лишь на своей резонансной частоте. На других частотах и, особенно на рабочих частотах за пределами её полосы пропускания, она будет иметь ёмкостную или индуктивную составляющую, вызывая отклонение волнового сопротивления от значения в 50 Ом.
Как правило, выходная цепь передатчика состоит из катушек и конденсаторов, обычно в последовательном/параллельном включении, называемом «П-контуром». Линия передачи может быть представлена, как длинная распределенная емкость и индуктивность, а антенна - как своего рода резонансный контур. На любой частоте, каждый из этих компонентов может обладать импедансом в форме ёмкостной или индуктивной реактивности.

Электромагнитная волна движется в этой линии от своего источника (передатчика) к нагрузке (антенне). Такая волна называется падающей. Если сопротивление нагрузки Zн равно волновому сопротивлению линии Zо, то вся энергия падающей волны полностью поглощается нагрузкой. В любом другом случае (Zн ≠ Zо) в нагрузку переходит только часть энергии, а остальная отражается от нее и движется по линии назад к источнику сигнала. Эта волна называется отраженной.
Если Zн = Zо, то амплитуда тока вдоль линии постоянна, если Zн ≠ Zо, то отраженная волна накладывается на падающую волну и возникает явление интерференции, в результате чего в линии имеет место неравномерное распределение тока.
Если линия короткозамкнута на конце или полностью разомкнута, то происходит полное отражение падающей волны, и минимумы в распределении тока достигают нуля — линия не передает активную мощность.
Мерой согласования линии с нагрузкой служит Коэффициент Стоячей Волны КСВ (в англоязычной литературе SWR):

где: где Рподв и Ротр — ответственно мощность падающей и отраженной волн.

КСВ является показателем рассогласования линии (отношением проходящей энергии к отраженной), то есть мерой, показывающей, насколько отличается импеданс нагрузки линии Zн от ее волнового сопротивления Zо. При КСВ = 1, Zн = Rн. КСВ = 2 говорит о том, что Rн отличатся в два раза от Zо. Но в какую сторону, большую или меньшую, т. е. Rн = 2Zо или Rн = Zо/2 по величине КСВ сказать невозможно. Значение КСВ определяется относительно данного сопротивления Zо. Очевидно, что одна и та же нагрузка относительно различных значений волнового сопротивления (например, для двух разных линий) даст разные значения КСВ. Из-за рассогласования с нагрузкой будет снижаться эффективная мощность передатчика.
В приведённой ниже таблице показаны потери мощности, происходящие при различном значении КСВ в антенно-фидерных устройствах (АФУ). Столбец «Выходная мощность, %» показывает, какая часть мощности передатчика рассеивается на несогласованной нагрузке. Столбец «Потери мощности, %» показывает, какой процент мощности передатчика затухает в кабеле при отражениях. Столбец «Потери мощности, дБ» показывает отношение поглощаемой нагрузкой и рассеиваемой мощности.

Таблица не учитывает активных потерь в кабеле, которые обычно происходят при использовании реального коаксиального кабеля. Следует отметить, что затухания в кабеле, имеющего большую погонную длину, несколько «улучшают» показания КСВ метра.
Применение цепей согласования MU (matching units) в ATU позволяет передатчику с выходным сопротивлением 50 Ом настроиться на комплексное входное сопротивление линии, при этом снижение мощности передатчика из-за рассогласованной нагрузки не будет и передатчик сможет нормально работать с антенной, входное сопротивление которой не равно входному сопротивлению усилителя мощности. В этом случае при подключении согласующего устройства непосредственно к антенному гнезду трансивера обеспечивается режим согласования комплексного сопротивления нагрузки и выходного каскада передатчика.
В основе всех промышленных конструкций антенных тюнеров лежит Т-образная схема согласования, которая получила широкое распространение в 50-х годах, когда стали широко использоваться несимметричные кабельные линии передачи. С учётом потерь в цепях согласования, её КПД достигает 80…95% при согласовании нагрузки с волновым сопротивлением от 50 до 500 Ом. С несколько худшими результатами возможно согласование с нагрузками, имеющие волновые сопротивления от 10 Ом до нескольких кОм.

Антенный тюнер - это устройство, используемое для устранения эффектов реактивности антенны. Тюнер добавляет емкость, чтобы скомпенсировать индуктивную составляющую и наоборот. Но никакой тюнер не сможет исправить плохую антенну. При удовлетворительной широкополосности и бесподстроечной работе внутри любительских диапазонов достичь с его помощью полного согласования не всегда удаётся.
Тюнер не настраивает антенну, а только согласует сопротивление АФУ и обеспечивает безопасный режим работы выходного каскада передатчика.

Очевидно, что если антенна не настроена в резонанс, то неизбежна свойственная этому её плохая эффективность. Большая часть мощности передатчика будет рассеиваться в тюнере в виде тепла и никогда не достигнет антенны. Использование ATU с нерезонансными антеннами улучшает работу АФУ.
Если используется резонансная антенна, согласованная с линией передачи (коаксиальным кабелем) и применение согласующего устройства резко улучшает работу антенны, то это говорит о том, что выходной каскад передатчика не согласован к подключенному к нему нагрузкой. Для достижения наилучшей эффективности рабочая частота антенны должна быть настолько близко к частоте её собственного резонанса, насколько это возможно.
В любом случае применение ATU значительно снижает уровень помех с наружной оплётки кабеля в режиме приёма, а так же уровень гармоник передатчика и его использование даже в качестве фильтра помех телевиденью вполне оправдано.
Выбор конструкции антенн при этом зависит от места расположения радиостанции и наличия антенно-мачтовых устройств или опор под установку антенны. Во многих случаях возможно применение только нерезонансных проволочных антенн или затруднена настройка антенн в резонанс из-за отсутствия необходимых приборов и времени для этого.
Для работы в полевых условиях с нерезонансными антеннами, антеннами «длинный провод» или антеннами, имеющими случайную длину, необходимо использовать внешний антенный тюнер уличного исполнения FС-40 (https://www.yaesu.ru/tovar_yaesu_fc-40), который позволяет согласовать антенны типа Long Ware (LW), длиной от 20 метров (в диапазоне частот от 1,8 до 54 МГц) или штыревые антенны YA 007, длиной 2,5 метра (в диапазоне частот от 7 до 54 МГц), КСВ которых не превышает 2:1.

Антенна, длиной λ/2, располагается в виде наклонного луча, а её противовес, длина которого зависит от используемого диапазона, должен быть приподнят над землёй на расстояние 0,3-1 метр и направлен в сторону, противоположной расположению полотна антенны. Особенно это касается антенн низкочастотных диапазонов и антенн с низкой высотой подвеса. В противном случае, антенна работать должным образом не будет. Тюнер, при этом, устанавливают в точке питания антенны, а противовес располагают в направлении на корреспондента.
Автоматический антенный тюнер FC-40 имеет 200 каналов памяти и время настройки не более 8 секунд. Максимальная мощность, на которую рассчитан этот тюнер, не превышает 100 Вт при времени непрерывной передачи до 3 минут.