Широкополосные высокочастотные трансформаторы с магнитной связью широко применяются радиолюбителями для согласования различных устройств. В частности, широкополосный трансформатор, имеющий коэффициент трансформации сопротивлений 1:9 (коэффициент трансформации напряжений — 1:3) удобно использовать для согласования проволочных антенн, запитанных с конца. Однако следует напомнить, что для таких антенн обязательно требуются системы заземления или противовесы, и чем ниже входное сопротивление антенны, тем эффективнее должна быть «земля».
«Классический» широкополосный трансформатор с магнитной связью, имеющий коэффициент трансформации сопротивлений 1:9, позволяет, например, трансформировать сопротивление с 50 до 450 Ом. Такой трансформатор можно использовать для согласования 50-омного коаксиального кабеля с длинными проволочными антеннами (70 — 100 м), имеющими входное сопротивление около 500 Ом и довольно малую реактивную составляющую, а также с антеннами Windom.
Например, антенна Windom длиной 13,59 + 6,84 м (длина проволочного фидера — 4,9 м), предназначенная для работы в диапазонах 7,14 и 28 МГц, при питании с помощью широкополосного трансформатора обеспечила приемлемый КСВ в 50-омном коаксиальном кабеле.
Несмотря на то что минимум КСВ часто находился за пределами любительских диапазонов, тем не менее, широкополосный трансформатор является вполне полезным устройством для согласования антенны Windom. Как известно, однопроводный фидер антенны Windom довольно трудно завести в помещение радиостанции без риска не только ухудшить работу антенны, но и в придачу получить проблемы электромагнитной совместимости с бытовой радиоаппаратурой. Используя широкополосный трансформатор, конец однопроводного фидера можно не заводить внутрь здания, а подвести к месту подключения противовесов, применяя для питания антенны коаксиальный кабель, который подключается к радиостанции. Дополнительного снижения уровня помех можно достичь, используя токовый дроссель, препятствующий излучению оплетки кабеля.
Как известно, коаксиальный кабель имеет определенное затухание. В результате КСВ, измеренный на выходе передатчика, может быть значительно меньше, чем при измерениях, проведенных непосредственно на клеммах антенны. Приводим результаты измерений на частоте 14 МГц для нескольких типовых кабелей.
В другом случае для согласования штыревой антенны длиной 5 м с 50-омным кабелем использовался широкополосный трансформатор, намотанный на сердечнике из порошкового железа. Обмотка была выполнена из провода, применяемого для электропроводки, содержала 3×7 витков и имела индуктивность 8 мкГн. Измерялся КСВ в первичной обмотке (КСВвых) трансформатора и на выходе передатчика (КСВвх). Влияние роста затухания кабеля на КСВ в зависимости от частоты можно видеть ниже.
Таким образом, увеличение затухания в кабеле с повышением частоты приводит к уменьшению КСВ, измеряемого на выходе передатчика. Потери в кабеле неизбежны, а их снижение может повлечь за собой значительное увеличение стоимости антенно-фидерной системы. С этой точки зрения более эффективным решением при согласовании антенны с коаксиальным кабелем является использование LC-цепей, но конструкция широкополосного трансформатора значительно проще.
Применение трансформатора с магнитной связью, имеющего коэффициент трансформации сопротивлений 1:9, не предотвращает на практике появление высокого КСВ. Трансформатор с дополнительными обмотками позволяет получить 4-, 9-, 16- и 25-кратное преобразование сопротивлений и благодаря этому улучшить согласование 50-омного кабеля с антеннами, имеющими импеданс соответственно 200, 450, 800 и 1250 Ом. Однако коммутация отводов может значительно усложнить конструкцию согласующего устройства.
Разработка трансформатора, обеспечивающего пропорциональное преобразование, позволяет, в итоге, оптимизировать согласование и снизить суммарный КСВ до приемлемых значений. Однако ненагруженные части обмотки могут быть причиной появления паразитных резонансов, ухудшающих работу трансформатора.
Измерения, проведенные с трансформаторами, намотанными как на ферритовых сердечниках, так и на сердечниках из порошкового железа, показали, что с ростом числа витков частотная характеристика ухудшается независимо от индуктивности обмотки. На основе полученных результатов можно разработать следующую концепцию конструкции трансформатора.
Широкополосный трансформатор для определенного сопротивления нагрузки должен обеспечить такую индуктивность обмоток, чтобы активное сопротивление на самых низких рабочих частотах не менее чем в 4 раза превышало трансформируемое сопротивление. Это обеспечит пренебрежимо малое влияние индуктивности трансформатора на условия согласования. Однако этот принцип не удается применить в трансформаторе с магнитной связью. Теоретически он трансформирует сопротивление 450 Ом в 50 Ом, но на практике входное сопротивление антенны лежит в широких пределах (36 — 5000 Ом) и имеет в общем случае комплексный характер. Выполнение данного условия требовало бы, в итоге, чтобы реактивное сопротивление обмотки на наименьшей частоте составляло 20 кОм, что соответствует индуктивности 900 мкГн на частоте 3,5 МГц.
В том случае, когда основная индуктивность трансформатора должна оставаться низкой, она подлежит такой же трансформации, как сложный мнимый импеданс антенны. В результате получим реальную нагрузку сопротивлением 50 Ом.
Для трансформаторов, предназначенных для согласования линий, намотанных на сердечниках из порошкового железа, нагруженная добротность может составлять 10 — 20. Для сопротивления нагрузки R = 5000 Ом это означает, что реактивное сопротивление обмотки на наименьшей частоте может составлять 250 — 500 Ом. В оригинальном исполнении трансформатор содержал 3 обмотки по 9 или 7 витков, намотанных на сердечнике Т130-2, что давало соответственно индуктивность 8 или 4,85 мкГн и реактивное сопротивление соответственно 171 или 106 Ом на частоте 3,5 МГц. Для нагрузки 5000 Ом это соответствовало нагруженной добротности 28 или 47 (в диапазоне 1,8 МГц они были бы в два раза больше). В случае сердечника из порошкового железа добротность ненагруженной обмотки была еще больше требуемой нагруженной добротности. Это означает возможность использования трансформатора с такими низкими индуктивностями также на низкочастотных диапазонах, однако он будет работать на границе допустимого.
Для минимизации потерь энергии в катушках в выходных контурах передатчиков стремятся, чтобы их нагруженная добротность не превышала 10 — 15. Дополнительно низкое сопротивление обмоток затрудняет согласование по мере снижения частоты работы. На частотах выше 10 МГц потери в сердечнике не составляют существен
ной проблемы, и можно легко обеспечить согласование.
Предложение повышения индуктивности трансформатора — принципиально правильное, если имеются в виду низкочастотные диапазоны. Во избежание необходимости намотки чрезмерного числа витков вместо сердечника из порошкового железа следует применять ферритовый сердечник. Так, трансформатор, состоящий из четырех обмоток ло 9 витков, намотанных на сердечнике FT40-43 (расчетная индуктивность — 1,23 мкГн), на частоте 3,5 МГц имеет реактивное сопротивление 27 кОм и обеспечивает согласование в узком диапазоне сопротивлений.
Сердечники с большой магнитной проницаемостью проверены в конструкциях приемных антенн и обеспечивают улучшение согласования даже для коротких проводов и штыревых антенн, что позволяет отказаться от применения активных антенн. Однако в передающих устройствах, когда можно компенсировать влияние реактивности обмотки, оптимальным решением может стать использование больших сердечников из порошкового железа (например, Т200А или Т255А) либо феррито-никелево-цинковых сердечников с низкой проницаемостью.
Измерения, проведенные с использованием ВЧ моста, позволяют достаточно точно исследовать свойства трансформатора (например, появление паразитных резонансов). Эти резонансы, которые могут появиться при подключении антенны к одному из нижних отводов трансформатора, могут привести к снижению сопротивления нагрузки трансформатора до величины нескольких десятков ом. Особенно критичны с этой точки зрения трансформаторы, намотанные с большим числом отводов, особенно если большая часть обмотки остается ненагруженной. В случае нагрузки целой обмотки паразитный резонанс может появиться только в некоторых ситуациях (например, когда сопротивление антенны высокое и имеет комплексный характер, т.е. содержит реактивную составляющую). Паразитный резонанс должен бы был дополнительно попасть на частоты работы, для этого тоже необходимо избегать появления резонансов в области ниже 30 МГц.
Для области с малыми потерями и с малой проницаемостью можно выполнить это требование через соответствующее ограничение максимальной индуктивности обмотки. В случае сердечника с большой проницаемостью ситуация не столь критична, как для малой, что можно объяснить тем, что на высоких частотах большую роль играет способ выполнения обмотки, нежели величина проницаемости сердечника.
Эквивалентное параллельное сопротивление потерь для сердечников, выполненных из порошкового железа, выше, нежели для ферритовых сердечников с низкой проницаемостью. Независимо от типа сердечника это сопротивление растет с ростом индуктивности обмотки. При мощности передатчика 100 Вт не наблюдалось нагрева сердечников Т60 и ТХ36, однако сердечник из материала 43 с обмоткой 125 мкГн сильно нагревался, а сердечник из материала 77 с обмоткой 1,4 мГн — только немного, что можно объяснить относительно высокой индуктивностью обмотки.
Для устранения потерь в сердечнике эквивалентное параллельное сопротивление потерь должно быть значительно выше наибольшего входного сопротивления антенны. Для этого также считаются приемлемыми сопротивления от 5000 Ом на низких частотах и около 2000 Ом на частоте 30 МГц. Потери в сердечнике приводят к видимому «улучшению» КСВ, аналогично как и потери в питающем кабеле.
Как следует из представленных здесь противоречивых выводов, трансформаторы с магнитной связью нельзя считать идеальными согласующими устройствами. Однако они имеют простую конструкцию, небольшие потери и преобразуют импеданс антенны к границам, в которых возможно согласование с помощью типовых согласующих устройств (например, антенных тюнеров). В таблице ниже приведены данные широкополосных трансформаторов, в конструкции которых особое внимание было обращено на достижение низкой индуктивности обмоток, намотанных в четыре провода.
На частоте 3,5 МГц при нагрузке сопротивлением 5000 Ом нагруженная добротность относительно низкая и составляет 2 — 5. Возможно ее снижение путем уменьшения индуктивности обмотки, но тогда не исключено, что на высших рабочих частотах появятся паразитные резонансы. При изготовлении трансформаторов рекомендуется использовать провода в тефлоновой изоляции, особенно при большой мощности передатчика.
CQ DL, №5/2005