Трансформатор импеданса для антенны Бевериджа  - практическая реализация.

 

Исходная версия 21.10.2013

Доработано 30.12.2019

 

  1. Зачем нужен трансформатор в антенне Бевериджа

Антенна Бевериджа (АБ), в зависимости от меcта установки, высоты подвеса, толщины полотна, имеет волновое сопротивление 300-600 Ом. Современные коаксиальные кабели, применяемые радиолюбителями, имеют волновое сопротивление 50 или 75 Ом, что требует трансформатора импеданса между АБ и фидером. Трансформатор должен быть выполнен таким образом, что бы при трансформации сопротивления обеспечить хорошее согласование АБ и фидера. Кроме этого, трансформатор должен иметь как можно меньшую емкость между обмотками. Это нужно, потому что АБ имеет отрицательное усиление и низкий уровень принимаемых сигналов. Внешняя сторона оплетки фидера является так же антенной и принимаемые ей сигналы (синфазный ток оплетки) могут попасть в приемную систему. Попадание сигналов, принятых внешней стороной оплетки фидера является крайне нежелательным, т.к. нарушает диаграмму направленности АБ. Применение трансформатора с минимальной межобмоточной емкостью обеспечит минимальное проникновение синфазного тока оплетки в приемную систему (4). Так же, крайне желательно закопать фидер или, в крайнем случае, с двух сторон намотать несколько витков фидером на ферритовых кольцах соответствующего диаметра с большой проницаемостью. 

 

  1. Выбор типа трансформатора

Для того, что бы выбрать правильный тип трансформатора для АБ, необходимо выполнить несколько основных требований. Кроме того, что трансформатор должен обеспечивать правильный коэффициент трансформации импеданса, в этом трансформаторе должна быть минимальная межобмоточная емкость, а так же трансформатор должен обеспечивать минимальные потери при передаче сигналов рабочих диапазонов частот между обмотками.

Для этих целей лучше всего подходят два типа трансформаторов – изготовленные на трансфлюкторах (бинокулярных сердечниках) и трансформаторы на ферритовых кольцах с оппозитным расположением обмоток, т.е. обмотками, расположенных на разных сторонах ферритового кольца. Мы остановимся на трансформаторах с оппозитными обмотками. В таких трансформаторах обмотки связаны только магнитным потоком кольцевого сердечника. Эти трансформаторы, при правильном расчете и изготовлении, обеспечивают небольшие потери (0,2-0,5 дБ), минимальную межобмоточную емкость, достаточную широкополосность для работы на низкочастотных радиолюбительских диапазонах 1,8-7 МГц. Эти трансформаторы так же хорошо работают с антеннами FLAG и PENNANT, имеющими уровни сигналов еще ниже, чем АБ.

 

  1. Выбор типа материала, свойства материалов в высоких частотах

Для изготовления трансформатора с оппозитным расположением обмоток необходимо выбрать материал, в котором магнитных поток будет передавать энергию из одной обмотки в другую с малыми потерями. Для этих целей лучше всего подходят ферритовые кольца из материала марганец-цинк с как можно большей проницаемостью. Отечественные ферритовые кольца из марганец-цинкового материала маркируются как НМ. Зарубежные производители так же производят достаточно много колец разного диаметра и проницаемости из марганец-цинка. Для трансформатора с оппозитным расположением обмоток работающего в диапазоне частот 1,8-7 МГц, оптимальная проницаемость феррита будет 1500-2500. Так же, можно использовать кольца из материала никель-цинк.

 

  1. Практический выбор сердечника трансформатора

Для изготовления трансформатора лучше всего подойдут кольца внешним диаметром 12-16 мм, с внутренним отверстием не менее 7 мм, высотой не менее 4,5 мм. Если предполагается использование колец отечественного производства, то необходимо использовать кольца К16х7,5х6 1500НМ или 2000НМ.  Если будут использованы импортные кольца, то лучше приобрести Amidon FT-50-77. Не желательно использовать кольца наружным диаметром более 16 мм – трансформатор будет иметь бóльшие потери. И с отечественными и с импортными кольцами указанных типов, при правильном изготовлении, будут достигнуты хорошие результаты.

 

  1. Расчет трансформатора

Для расчета трансформатора необходимо знать волновое сопротивление АБ и коаксиального кабеля. К примеру, если волновое сопротивление вашей АБ 450 Ом и вы используете 50-и омный фидер, трансформатор должен обеспечивать коэффициент трансформации 1:9. При таком коэффициенте трансформации, количество витков первичной (к фидеру) и вторичной (к АБ) обмоток должно различаться в √9 раз т.е. в три раза. Для того, что бы определить количество витков обмоток, необходимо следовать следующей методике (1). Реактивное сопротивление подключаемой к АБ обмотки на самой нижней используемой частоте (1,8 МГц) должно быть как минимум в четыре раза больше, чем волновое сопротивление АБ. Т.е., если ваша антенна имеет сопротивление 450 Ом, то реактивное сопротивление обмотки должно быть 450х4=1800 Ом.   Индуктивность может быть рассчитана по формуле:

 

   

Где L – индуктивность в Гн, F- частота в Гц, jX – реактивное сопроивление обмотки.

 

Таким образом, для АБ с волновым сопротивлением 450 Ом необходимая индуктивность обмотки будет равна: 1800/2*3,14*1800000=0,000159 Гн или 159 мкГн.

При известной индуктивности, количество витков на кольце может быть рассчитано:

    • При D1/D2 > 1.75 -
    • При D1/D2 < 1.75 -

 

 

 

Где:
L- индуктивность мкГн
µ - магнитная проницаемость
D1-наружный диаметр кольца
D2-внутренний диаметр кольца
h-высота кольца (все в мм)


При расчете удобнее пользоваться программой Coil32 или онлайн-калькулятором (2)

Приведем пример практического расчета трансформатора. Для этого будем использовать ферритовое кольцо Amidon FT-50-77, имеющее проницаемость µ=2000.

Внешний диаметр этого кольца 13 мм, внутренний – 7 мм, высота 4,5 мм. Подставив эти данные в онлайн калькулятор (2), получим количество витков 11,9, которое округлим до 12-и. Итак, обмотка, подключаемая к АБ с волновым сопротивлением 450 Ом, имеет 12 витков. Для того, что бы согласовать антенну с волновым сопротивлением фидера 50 Ом, фидерная обмотка должна иметь меньше витков в  √9 раз т.е. в три раза. Таким образом, обмотка, подключаемая к фидеру, имеет 4 витка. 

  1. Практическое изготовление трансформатора

Изготовление трансформатора для АБ необходимо начинать с выбора легкодоступных подходящих ферритовых колец. Если вам проще приобрести отечественные кольца, то их необходимо промотать  один слой лакотканью. На этих кольцах, после промотки лакотканью, можно мотать обмоточным проводом в лаковой изоляции. При использовании кольца диаметром 16 мм, оптимально мотать проводом диаметром 0,2 – 0,3 мм. Обмотка с меньшим количеством витков мотается виток к витку. Обмотка с бóльшим количеством витков мотается с другой стороны кольца. Для того, что бы обмотки были равноудалены  друг от друга, обмотку с бóльшим количеством витков лучше начинать мотать со среднего витка. Витки внутри кольца располагаются вплотную. Если трансформатор изготовлен правильно, между обмотками будет зазор несколько миллиметров  обоих сторон, что очень важно для обеспечения минимальной межобмоточной емкости. После изготовления трансформатора его желательно пропитать трансформаторным лаком, т.к. в сырости ферритовое кольцо будет ржаветь. Ниже приведена фотография трансформатора на кольце отечественного производства К16х7,5х6 2000НМ.

Так же, без использования лакоткани, трансформатор можно намотать проводом из расплетенных пар кабеля «витая пара». В этом случае, для удобства пайки, желательно что бы жила провода была медной.

 

В большинстве случаев, проще приобрести ферритовые кольца американского производства, в частности, AMIDON. Эти кольца имеют притупленные края, их можно не проматывать лакотканью. Обмотки лучше намотать проводом диаметром 0,2-0,3 мм в шелковой или пластиковой изоляции. После изготовления трансформатора его желательно пропитать трансформаторным лаком, что бы избежать коррозии ферритового кольца в сырости. Ниже приведена фотография трансформатора на кольце Amidon FT-50-77.

 

 

 

 

 

 

 

Ниже приведено фото управляемого дистанционно коммутатора АБ, к которому подключаются АБ нескольких направлений. В нем использовано несколько трансформаторов импенданса.

 

  1. Тестирование  и измерение параметров готового трансформатора.

После изготовления трансформатора для АБ, его обязательно необходимо проверить. Первым измерением, которое необходимо провести – это измерение КСВ на входе нагруженного трансформатора. Для этого, к обмотке с бóльшим количеством витков необходимо подключить безиндуктивный резистор (МЛТ или С2-10), сопротивление которого равно волновому сопротивлению вашей АБ. Обмотка с меньшим количеством витков подключается к антенному анализатору. При правильном расчете трансформатора, анализатор должен показать комплексный импеданс, с активной частью, близкой к 50 Ом и реактивной 20-30 Ом в полосе 1,8-7 МГц. КСВ при этом должен быть менее 1,5. Реактивная составляющая может быть компенсирована подключением к обмотке с меньшим количеством витков емкости 47-100 пФ (подбирается экспериментально, по наименьшему КСВ в диапазонах 1,8-7 МГц).

 

Однако, вопреки распространенному мнению, трансформатор для АБ не может быть оценен лишь по низкому значению КСВ. Хороший КСВ обозначает невозврат электромагнитной энергии обратно в генератор. Но электромагнитная энергия может потеряться на нагрев сердечника, в этом случае КСВ будет хороший, однако потери между обмотками будут весьма значительными, иными словами, трансформатор будет больше в роли балластной нагрузки, чем устройства трансформации импеданса. Поскольку АБ имеет весьма низкие уровни сигналов, потери в трансформаторе не должны превышать 0,5 дБ – иначе вы будете терять сигналы DX с малыми уровнями.

Для того, что бы убедиться в том, что изготовленный трансформатор передает мощность с малыми потерями, нужно провести следующее измерение. При изготовлении трансформатора АБ необходимо сделать два идентичных экземпляра.

Для проверки проходных потерь, два идентичных трансформатора необходимо соединить обмотками с бóльшим количеством витков.

 

Обмотки с меньшим количеством витков должны быть подключены к измерителю проходных параметров четырехполюсников. Это могут быть приборы производства СССР – Р4-11, Р4-37, Х1-50, большое количество приборов импортного производства, самодельные калиброванные векторные или скалярные анализаторы, например – miniVNA и др. Измеритель должен показать проходные потери не более 1 дБ, обычно 0,7-0,8 дБ во всем диапазоне рабочих частот, что соответствует проходным потерям одного трансформатора 0,4-0,5 дБ и является нормой. КСВ в этом случае будет несколько больше из-за индуктивного характера нагрузки трансформатора.

Типовые параметры проходных потерь и КСВ  пары трансформаторов  приведены ниже.

s21.jpg

 

 

s21_80.jpg

 

В крайнем случае, при отсутствии измерителей проходных параметров, измерение может быть проведено с помощью генератора (трансивера с выходной мощностью 0,3-1 Ватт), эквивалента нагрузки и ВЧ вольтметра, работающего в диапазоне частот 1,8-7 МГц. Схема измерения та же – два идентичных трансформатора, соединенных обмотками с бóльшим количеством витков. В обмотку с меньшим количеством витков одного из трансформаторов из генератора или трансивера осторожно подается небольшая мощность. Амплитуды 0,5-1 В достаточно для измерений. Обмотка с меньшим количеством витков второго трансформатора должна быть нагружена на балластную нагрузку 50 Ом. Высокочастотным трансформатором смотрят напряжение сначала на выходе генератора (трансивера), затем на балластной нагрузке. Измеренное ВЧ напряжение на генераторе и нагрузке должно различаться не более чем в 0,9 раз, что говорит о потерях не более 1 дБ. Такие измерения необходимо провести в диапазонах 1,8-7 МГц. При подаче ВЧ напряжения трансформаторы не должны нагреваться в течении длительного времени.

Готовый трансформатор обычно устанавливается в пластмассовый водонепроницаемый корпус небольшого размера, на котором установлен ВЧ разъем (к нему подключается обмотка с малым количеством витков) и клеммы для зажима полотна АБ и провода заземления. К этим клеммам подключается обмотка с бóльшим количеством витков.

 

  1. Ошибки при изготовлении и эксплуатации трансформаторов

Самой распространенной ошибкой при установке АБ является неправильное изготовление трансформаторов импеданса. С этим сталкиваются многие, кто в первый раз решил установить АБ. Трансформатор не обеспечивает правильной трансформации импеданса, имеет большие проходные потери, значительную межвитковую емкость – как результат АБ не работает вообще или не обеспечивает качественного приема. Основная ошибка при изготовлении трансформатора импеданса – использование неподходящего феррита. Радиолюбители часто с этим сталкиваются, покупая немаркированные кольца из неподходящего материала с неизвестной проницаемостью. Именно по этой причине у изготовленных трансформаторов обязательно необходимо измерять их проходные потери и КСВ. Ферритовые кольца лучше покупать непосредственно у производителя. При правильном подходе к расчету и изготовлению трансформатора, АБ у Вас будет работать даже при установке полотна антенны на неоптимальной высоте, при неточном значении нагрузочного резистора и т.д. При измерении проходных потерь способом с ВЧ вольтметром, лучше работать с как можно меньшим напряжением ВЧ генератора, которое еще измеряет ВЧ вольтметр с допустимой погрешностью.

Часто возникает ситуация, что из-за нехватки места передающая антенна находится рядом с АБ, и при работе мощного передатчика, в АБ наводится значительный уровень мощности. При этом ферритовое кольцо трансформатора может нагреваться из-за вхождения в насыщение (определенное сечение феррита может передавать не более определенного значения мощности). Из-за эффекта Кюри, при определенном нагреве,  ферритовое кольцо полностью теряет свои ферромагнитные свойства. Для материалов никель-цинк проницаемости 2000, точка Кюри (температура, при которой феррит теряет свои свойства) составляет всего 80ºС. Ниже приведен график для никель-цинковых ферритов различной проницаемости (3)

Для оператора это буде выглядеть следующим образом – после включения передатчика, при переходе на прием, АБ вообще не будет принимать никаких сигналов. Спустя определенное время, прием восстанавливается – это температура кольца опустилась ниже точки Кюри. При установке АБ необходимо удостовериться, что наводка со своего передатчика не вызывает значительного нагрева ферритового кольца трансформатора.

 

Литература и источники:

  1. http://n1eu.com/topband/BeverageXfmrs.htm
  2. http://coil32.narod.ru/calc/ferrite_core.html
  3. Толмасский И.С. Высокочастотные магнитные материалы. “Энергия” Москва 1968
  4. Гончаренко И.В. Простые КВ антенны. Часть третья. ”Радиософт” Москва 2006