Komponenty

UN-UN 49:1 QRP – transformator impedancji anteny EFHW

2022-12-31 /

Budowa anteny End Fed Half Wave (EFHW), czyli pólfalowego monopola zasilanego na jednym z jego końców, oferuje szereg zalet czyniąc tą konstrukcję bardzo atrakcyjną jeśli myśli się, na przykład, o pracy terenowej lub wielopasmowej z użyciem jednej anteny. Ceną za możliwości konstrukcji jest, niestety, potrzeba wykonania transformatora dopasowującego ze względu na to, iż miejsce zasilania anteny (z punktu widzenia sygnału RF) jest miejscem o wysokiej impedancji (dla częstotliwości rezonansowej i jej harmonicznych), którą to należy sprowadzić w rejon wartości standardowej współczesnego toru zasilającego – to jest 50[Ohm].

Teoria

Zakłada się (w zależności od ułożenia promiennika, jego wysokości nad gruntem, sąsiedztwa elementów przewodzących, przewodności podłoża, …), że rezystancyjna część impedancji anteny EFHW jaką widać od strony końca promiennika dla częstotliwości rezonansowej (i jej harmonicznych) zawiera się w przedziale 1.8[kOhm] – 3.2[kOhm]. Założenie to płynie z doświadczeń empirycznych konstruktorów i użytkowników co przekłada się bezpośrednio na to w jaki sposób wykonywane jest dopasowanie dla tego typu anteny.

Standardowa impedancja radiowych torów nadawczych to 50[Ohm] i jest to wartość, która ma swoją historię. Niemniej taki stan rzeczy powoduje, iż aby móc zmaksymalizować moc wypromieniowywaną przez instalację antenową ta ostatnia musi dla transceivera prezentować impedancję na zbliżonym poziomie. W przypadku znacznego niedopasowania powstają poważne straty energii, które objawiają się: grzaniem toru radiowego, odbiciami sygnału i nieefektywną pracą anteny. Niedopasowanie, w skrajnych przypadkach, grozi nawet uszkodzeniem końcówki mocy transceivera w sytuacji nakładania się amplitud sygnałów: nadawanego i odbitego – powracającego linią zasilającą na wyjście nadajnika.

Biorąc pod uwagę potrzebę dopasowania wysokiej impedancji końca anteny do poziomu 50[Ohm] należy technicznie dokonać jej zamiany. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie transformatora. Element ten przenosząc moc sygnału pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym (korzystając ze strumienia magnetycznego zamkniętego w magnetowodzie) daje możliwość wpływania na amplitudy napięć i prądów (po obu jego stronach) poprzez odpowiedni dobór tak zwanej przekładni (iloraz ilości zwojów uzwojenia pierwotnego do wtórnego).

    \begin{equation*}\eta = \frac{z_1}{z_2}\end{equation*}

gdzie \\$\eta$ - przekładnia transformatora, \\$z_1$ - ilość zwojów uzwojenia pierwotnego, \\$z_2$ - ilość zwojów uzwojenia wtórnego.

Kluczem do sukcesu jest zależność mówiąca o tym, że transformacja impedancji jest proporcjonalna do kwadratu przekładni czyli:

    \begin{equation*}Z_\eta = \eta^2\end{equation*}

co prowadzi do:

    \begin{equation*}\boxed{\eta = \sqrt{Z_\eta}}\end{equation*}

gdzie \\\noindent $\eta$ - przekładnia transformatora, \\\noindent $Z_\eta$ - współczynnik transformacji impedancji.

Dla szacowanego zakresu można zatem policzyć, że:

  • dla transformacji 1.8[kOhm] -> 50[Ohm] współczynnik transformacji wynosi 36:1 co oznacza iż należy zastosować przekładnię 6:1,
  • dla transformacji 3.2[kOhm] -> 50[Ohm] współczynnik transformacji wynosi 64:1 co oznacza iż należy zastosować przekładnię 8:1.

Punktem kompromisowym jest środek przedziału o przekładni 7:1 co jest zgodne z tytułową i ustandaryzowaną wartością transformacji impedancji, dla anten typu EFHW, na poziomie 49:1. W tym przypadku dopasowanie do 50[Ohm] po stronie transceivera będzie osiągnięte przy wartości 50*49 = 2450[Ohm] po stronie końca rezonującego promiennika anteny (co jest średnio rzecz biorąc wartością oczekiwaną). Wartość przekładni 7:1 jest na tyle dobra, że statystycznie pozwoli na efektywną pracę antenową w układzie EHFW przy zadowalającym współczynniku SWR.

Ewentualne rozbieżności w dopasowaniu koryguje się poprzez:

  • fizyczną modyfikację toru antenowego (na przykład strojenie),
  • zmianę wartości przekładni transformatora (wymagające wcześniejszego przygotowania, na przykład, dodatkowych odczepów uzwojenia wtórnego),
  • zastosowanie tunera antenowego zewnętrznego, lub wbudowanego w transceiver (co podnosi koszt i wagę rozwiązania).

Nie zawsze kompensacja jest konieczna i zależy to w głównej mierze od tego na jakim sprzęcie pracujemy, z jakimi mocami i na co możemy sobie pozwolić w przypadku obniżania sprawności toru antenowego.

Urządzenia lampowe chętniej wybaczają znaczące wartości mocy odbitej (bardziej się grzeją), podczas gdy konstrukcje tranzystorowe przepalają się w obecności zbyt dużego napięcia pojawiającego się w obwodach wyjściowych. Dla pracy z niską mocą QRP nawet większe niedopasowanie może nie powodować zagrożenia dla końcówki mocy (pracując na przykład z nadajnikiem przeznaczonym do większych mocy) i wówczas można świadomie rezygnować ze stosowania, przykładowo, skrzynki antenowej (waga i miejsce). Dodatkowo niedopasowanie pogarsza nie tylko kierunek nadawczy, ale w takim samym stopniu utrudnia też odbiór sygnałów.

Rozważając sposób i zasadność kompensowania niedopasowania toru antenowego należy wziąć zatem pod uwagę wiele czynników, których wpływ i istotność w danej sytuacji musi określić operator. Jest to swego rodzaju kompromis, który wypracowuje się biorąc pod uwagę: czas, koszty i nierzadko wagę rozwiązania. Zadanie to wymaga jednak praktyki, której nabycie możliwe jest głównie przez eksperymenty.

Bardzo ciekawe opracowanie dotyczące tematyki anten End Fed Half Wave zaprezentował kolega K1RF w swoim materiale opisującym sposób działania i konstrukcję elementów anteny tego typu. Dodatkowy zastrzyk wiedzy, zwłaszcza w obszarze obecności i długości przeciwwagi, znaleźć można na stronie kolegi AA5TB w artykule dotyczącym anten EFHW.

Budowa

Prace nad UN-UN’em rozpocząłem od określenia celu jego zastosowania co znalazło wyraz w zestawie materiałów potrzebnych do jego budowy.

Wymaganiami jakie postawiłem konstrukcji były:

  • budowa przenośnej anteny EFHW (nie optymalizowanej względem wagi i rozmiaru),
  • praca terenowa wymagająca zwartej i w miarę szczelnej konstrukcji,
  • łatwość instalacji/demontażu w miejscu pracy,
  • możliwość łatwej korekty przekładni (w rozsądnym zakresie) by uwolnić się od potrzeby zabierania ze sobą tunera antenowego,
  • praca QRP mocami do 50[W] SSB, 25[W] CW czy 10[W] DIGI (bateryjna praca w terenie; maksymalne moce chwilowe).

Po przemyśleniu planu budowy i analizie materiałów K1RF urealniłem wymagania dokonując selekcji kluczowych elementów:

  • rdzeń transformatora Amidon FT-140/43,
  • złącze antenowe BNC-żeńskie (szybkość podłączania),
  • wyprowadzenie odczepów uzwojenia wtórnego dla wartości transformacji impedancji: 36:1, 49:1 i 64:1 (punktowe pokrycie szacowanego zakresu dopasowania),
  • rozdzielenie uzwojeń pierwotnego i wtórnego w obszarze masy/uziemienia umożliwiając tworzenie dowolnej konfiguracji przyszłej anteny,
  • dwa przeciwległe oczka montażowe umożliwiające swobodne napinanie UN-UN’a i odciążanie połączenia promiennika,
  • elementy kablowe dołączane przy pomocy zakończeń oczkowych na śruby z motylkami (łatwość instalacji),
  • całość zamykana w obudowę z uszczelnianym wieczkiem.

Na wstępie, przeglądając zapasy, dobrałem uszelnianą obudowę IP65, która była w stanie spokojnie pomieścić elementy konstrukcyjne bez zbytniego ścisku dając sobie możliwość ewentualnej rozbudowy UN-UN’a w przyszłości (na przykład większy rdzeń lub więcej sztuk).

Obudowa S-BOX 116 wykorzystana do budowy UN-UN’a dla anteny EFHW

Następnie zaplanowałem kompromisowe rozmieszczenie elementów mocowanych do niej zakładając, że napinanie UN-UN’a odbywać się będzie w tej samej osi co wyprowadzenie zasilania i montaż promiennika. Na tym etapie bazowałem jeszcze na symetrycznym rozkładzie elementów, dla tego też na zdjęciu nie są widoczne dwa dodatkowe mocowania dodane później (dodatkowy odczep transformatora i złącze dla przeciwwagi).

Wstępny montaż elementów mechanicznych UN-UN’a dla anteny EFHW w obudowie S-BOX 116

Dzięki zamontowaniu śrub z oczkami na przeciwległych ściankach budowany transformator dopasowujący będzie mógł być włączany szeregowo pomiędzy promiennik oraz przeciwległą linkę napinającą UN-UN do ziemi lub innego elementu, na przykład pnia drzewa.

Szkic planowanego mocowania Un-UN’a

Ze względu na to, iż postanowiłem wyprowadzić możliwość dołączenia promiennika w jednym z trzech punków transformatora, odczep dla wariantu transformacji 64:1 znalazł się z boku obudowy (po nawinięciu uzwojeń kolejność montażu wyklarowała się samoistnie).

Sposób wyprowadzenia odczepów uzwojenia wtórnego transformatora dopasowującego dający możliwość skorzystania z różnych wartości współczynnika transformacji impedancji UN-UN’a umożliwiając korektę odchyłki impedancji anteny EFHW i rezygnację ze stosowania tunera antenowego

Podobnie sytuacja wyglądała z rozczepieniem “uziemianych” części uzwojeń, gdzie na oba nie starczyło miejsca na jednej ściance obudowy. Zdecydowałem, że w przypadku uzwojenia wtórnego (tego związanego z promiennikiem) jego zimna końcówka znajdzie się z boku obudowy, ponieważ prawdopodobnie częściej będzie służyła do podłączania przeciwwagi, niż mostkowana z instalacją radiową (co jest oczywiście możliwe, poprzez założenie zwory na oba wyprowadzenia “uziemiające”). W związku z tym usytuowanie przyłącza z boku obudowy wydaje się być zasadne ponieważ przeciwwagę będzie wygodnie montowało się niejako “z boku” anteny pod kątem 90[o] względem promiennika.

Rozdzielone wyprowadzenia “masowych” odczepów uzwojeń: pierwotnego i wtórnego UN-UN’a dla anteny EFHW pozwalające na pracę z dedykowaną przeciwwagą lub wykorzystanie do tego celu oplotu kabla linii zasilającej

Następnym etapem było przygotowanie samego transformatora. jest to klasyczna konstrukcja z dwoma uzwojeniami nawinięta na zamkniętym magnetowodzie wykonanym w postaci pierścienia. Materiał (mix numer 43), z którego wykonany jest toroid dobrze sprawuje się w zastosowaniach dla fal krótkich.

Do nawinięcia uzwojeń wykorzystałem drut emaliowany o przekroju 0.6[mm2] (taki miałem pod ręką) z którego przygotowałem następujące odcinki:

  • 20[cm] potrzebne do nawinięcia 3 zwojów strony pierwotnej + zapas na zakończenia,
  • 1.5[m] potrzebne do nawinięcia 24 zwojów strony wtórnej + zapas na zakończenia + 2 dodatkowe odczepy.

Krótszy odcinek został skręcony z początkiem odcinka dłuższego w celu optymalizacji ułożenia uzwojeń na rdzeniu. W standardowym wydaniu druty początku odcinka skręconego łączy się razem i jest to wspólny punk masy/uziemienia tak dla anteny jak i dla transceivera (który odpowiedzialny jest wówczas za odprowadzenie ładunków statycznych z promiennika do ziemi wykorzystując oplot łączącego kabla koncentrycznego jako medium transportowe; oplot kabla zasilającego staje się jednocześnie przeciwwagą).

Szkic

W moim przypadku postanowiłem świadomie rozpiąć oba uzwojenia, aby móc, w przypadku potrzeby, zewrzeć je na zewnątrz UN-UN’a korzystając z krótkiego odcinka przewodu zakończonego końcówkami oczkowymi.

Sposób zewnętrznego połączenia rozdzielonych “masowych” końców uzwojeń UN-UN’a dla anteny EFHW umożliwiający klasyczną pracę anteny, gdzie przeciwwagą staje się oplot kabla linii zasilającej dając jednocześnie możliwość odprowadzania ładunków statycznych bezpośrednio z anteny do instalacji uziemiającej radiostacji (także za pomocą oplotu fidera)

Powodem takiej modyfikacji jest przygotowanie transformatora do testów wpływu wykorzystania dedykowanej przeciwwagi dla anteny EHFW bez wykorzystania oplotu kabla zasilającego (o przypadkowej długości) pracującego w tej roli w klasycznym wydaniu (gdzie “masowe” końce obu uzwojeń są ze sobą elektrycznie połączone na stałe).

Szkic

Nawijanie uzwojeń przebiega w dowolnym kierunku, ważne by zachować zgodny kierunek w przypadku obu cewek. Sytuację tą ratuje skręcenie obu drutów i wspólne ich nawijanie.

Jako, że początek uzwojeń może być wykonany niejako “od góry” lub “od dołu” czy też gdzieś “pośrodku” obwodu toroidu stosuje się zasadę, że każdy pełen zwój liczony jest przy przejściu przewodników przez środek rdzenia. Dodatkowo w celu równomiernego rozłożenia oplotu na powierzchni całego magnetowodu można, mniej więcej w połowie drogi, zmienić stronę po której następuje dalsze nawijanie przechodząc przez środek toroidu i kontynuując dalsze nawijanie naprzeciwko (tak jak układa się drut) z tym, że kierunek nawijania (patrząc na płasko leżący rdzeń) powinien odbywać się w przeciwną stronę.

Sposób nawijania transformatora UN-UN’a dla anteny EFHW ze skręceniem uzwojeń: pierwotnego i wtórnego, oraz przejściem uzwojenia wtórnego przez środek toroidu celem zmiany kierunku nawijania (by jego zakończenie znalazło się po przeciwnej stronie względem początku uzwojenia pierwotnego)

W przypadku wyjścia na zewnątrz obwodu toroidu drutu przy zwoju 18. i 21. należy wyprowadzić kilka dodatkowych jego centymetrów i zagiąć spowrotem na samego siebie. Tak powstałe odczepy (po usunięciu emalii z miejsca gięcia) służą dostępowi, z zewnątrz obudowy, do wybranych wartości transformacji impedancji (36:1 i 49:1). Drut powracający z odczepu w kierunku do toroidu jest zabezpieczany opaskami winylowymi i następnie nawijany dalej jak poprzednio. Końcówka będąca zwieńczeniem zwoju 24. daje dostęp do transformacji impedancji na poziomie 64:1.

Wszystkie odczepy i zakończenia zostały zalutowane końcówkami oczkowymi umożliwiając instalację gotowego transformatora wewnątrz obudowy.

Finalny montaż mechaniczny transformatora dopasowującego wartość impedancji anteny EFHW

Etap końcowy montażu polega na dodaniu wysokonapięciowego kondensatora 100[pF] (pod ręką miałem wersję na napięcie 2[kV] jednak 1[kV] lub 3[kV] są też OK przy pracy QRP) przylutowanego bezpośrednio do gniazda antenowego.

Dodanie kondensatora 100[pF]/2[kV] na wejściu sygnałowym UN-UN’a dla anteny EFHW celem poprawy charakterystyki SWR dla wyższych częstotliwości w stosunku do częstotliwości podstawowej anteny – zależnej od długości elektrycznej dołączonego promiennika

Rolą tego elementu jest poprawienie parametru SWR dla wyższych częstotliwości pracy anteny niż ta, dla której została przygotowana (chodzi tu o częstotliwość podstawową, względem której przycięty jest promiennik). Więcej szczegółów można znaleźć czytając opracowanie wyników eksperymentów kolegi AI6XG w jego autorskich wpisach: tym i tym.

Montaż kondensatora kończy budowę uniwersalnego UN-UN’a QRP dla anteny EFHW.

Użycie

Przygotowany transformator jest gotowy do użycia. Sam z siebie nie jest nic wart. Jego praca zaczyna się dopiero w momencie przyłączenia do niego transceivera oraz promiennika anteny EFWH i ewentualnej przeciwwagi.

Istnieje kilka wariantów podłączenia elementów anteny do tak wykonanego UN-UN’a, ale zagadnienie to wykracza poza ramy tego artykułu. Nadmienię tylko, że ma to związek z wykorzystaniem dodatkowej przeciwwagi lub nie, oraz tym czy spinamy ze sobą oplot kabla zasilającego i ewentualnie dołączoną przeciwwagę.

Warianty podłączania i uzyskiwane w ten sposób efekty to już materiał na osobny artykuł.

Miłego UN-UN’owania!

Radioamator i miłośnik komunikacji. Zainteresowany tematyką synchronizacji i transferu czasu. Entuzjasta New Space. Maker. Człowiek dzielący się wiedzą. Otwarty na wyzwania HAM Radio.

Zobacz również

Cross-band’owy digipeater/iGate APRS FM/LoRa oparty na aprx

2023-11-30