Автоматический антенный тюнер ANT-09
После того, как я обзавёлся фирменным трансивером ICOM встал вопрос о согласовании его со своим несимметричным диполем у которого КСВ по диапазонам получился от 1.5 до 3.0. Собирать и использовать ручной антенный тюнер в век повальной компьютеризации решил не целесообразным, а так как у трансивера имеется разъём для подключения автоматического антенного тюнера AH-4, то было решено сконструировать именно автоматический тюнер. Сразу же хотелось иметь возможность управлять тюнером при помощи компьютера. Посмотрев несколько конструкций найденных в Интернете и не найдя ничего для себя подходящего принялся за разработку тюнера собственной конструкции. В результате чего, получилась довольно простая конструкция с большой функциональностью (за счёт использования компьютера).
Тюнер имеет несимметричный вход и выход и позволяет согласовывать нагрузки в широком диапазоне сопротивлений как в автоматическом так и в ручном режимах. Например, мою антенну (несимметричный 4-х диапазонный (80, 40, 20, 10М) диполь) тюнер в автоматическом режиме согласовывает на всех КВ-диапазонах с КСВ не хуже 1.3 (на 160М с КСВ 1.8). В ручном режиме тюнер можно настроить с КСВ = 1.0. Максимальное время настройки тюнера в автоматическом режиме составляет не более 8 сек. Максимально подводимая мощность 100 Вт, но может быть увеличена путём применения более качественных компонентов. Входное сопротивление тюнера (со стороны трансивера) 50 Ом. Система управления тюнером аналогична тюнеру AH-4 и др. для трансиверов ICOM. Данный тюнер может также использоваться с трансиверами других фирм и с самодельными трансиверами. Тюнер не имеет каких либо органов управления, всё управление осуществляется при помощи компьютера и специально написанной мной программы. Впрочем, наличие компьютера не обязательно, так как по умолчанию антенный тюнер работает только в автоматическом режиме. Тюнер питается напряжением 13.8 В непосредственно от трансивера через специальный разъём подключения антенного тюнера. Если у вас такого разъёма в трансивере нет, то запитать тюнер можно любым другим способом.
Согласующей частью тюнера является Г-образный контур, в котором индуктивность и ёмкость изменяется по двоичному закону, тем самым обеспечивается 256 значений индуктивности и 256 значений ёмкости. В зависимости от сопротивления антенны ёмкость подключается к "холодному" или к "горячему" концу контура. Схема ВЧ-блока показана на рис. 1. Она довольно стандартная, используется во многих конструкциях и не имеет каких либо особенностей. От качества КСВ-метра зависит точность настройки тюнера в автоматическом режиме. Реле любые высокочастотные на напряжение срабатывания 12 В.
Рис.1 Блок ВЧ
Основой тюнера является разработанный мной микроконтроллерный блок управления. Схема блока показана на рис. 2., рисунок печатной платы на рис. 3. Блок собран на микроконтроллере PIC16F874 фирмы Microchip. Допускается замена этого микроконтроллера на PIC16F877(A) без каких либо изменений в схеме. Микросхема ADM202JN предназначена для преобразования сигналов стандарта RS-232 и может быть заменена на аналогичную (например, MAX232 с изменением схемы включения). Микросхемы DD2 - DD5 выполняют роли ключей управления реле блока ВЧ. Тактовый генератор BQ1 микроконтроллера может быть любым на рабочее напряжение 5 В и частоту 16 МГц, я использовал COTC - 50.
Рис. 2 Блок микроконтроллера
Рис. 3 Печатная плата блока микроконтроллера
Устройство работает следующим образом. При подаче питания все реле обесточены, две секунды мигают оба светодиода сигнализируя об исправности микроконтроллера. В автоматическом режиме (установлен по умолчанию) при подаче нулевого импульса на вход TSTR контроллер устанавливает логический 0 на выходе TKEY тем самым переводя трансивер в режим настройки с пониженной выходной мощностью. Далее определяется наличие ВЧ-сигнала на выходе трансивера и уровень КСВ. Если ВЧ-сигнал присутствует и уровень КСВ более 1.1, то тюнер переходит в режим настройки. Настройка тюнера прекращается если достигнут уровень КСВ = 1.0. В процессе настройки тюнера микроконтроллер запоминает минимально-достигнутый уровень КСВ и если в процессе настройки не удаётся добиться КСВ = 1.0, то микроконтроллер установит такую настройку контура, при которой КСВ был минимальный. Если в процессе настройки тюнера повторно подать ноль на вход TSTR, то настройка прекращается и трансивер переходит на приём. По окончании настройки (в автоматическом режиме) загорается зелёный светодиод VD1 - "ОК". Если тюнер перевести в режим настройки при КСВ <= 1.1, то трансивер просто кратковременно перейдёт на передачу, при этом зелёный светодиод замигает. Так как сопротивление антенны не определяется автоматически, то реле К9 переключает конденсатор в противоположный конец Г-образного контура каждый раз при переводе тюнера в режим настройки (подачей нуля на вход TSTR). Поэтому может понадобиться повторная настройка тюнера, если с первого раза это ему не удалось сделать. Светодиод VD2 - "К" красного цвета свечения сигнализирует о положении реле К9 и соответственно о положении конденсатора контура. Если включён ручной режим настройки, то при подаче нуля на вход TSTR трансивер также будет переведён на передачу с пониженной мощностью, но тюнер автоматически не будет настроен. Повторная подача нуля на этот вход переведёт трансивер на приём.
Конструктивно тюнер собран в металлическом корпусе разделённым на два отсека. В одном отсеке расположен ВЧ-блок, в другом блок микроконтроллера. Цепи от ВЧ-блока до блока микроконтроллера желательно развязать проходными конденсаторами. На задней панели корпуса расположены коаксиальные разъёмы и разъём подключения к трансиверу, на передней панели разъём COM-порта и два светодиода. Узел КСВ-метра у меня расположен на одной печатной плате с Г-образным контуром, однако крайне желательно выполнить его в виде отдельного экранированного блока. Трансформатор КСВ-метра намотан на ферритовом кольце с внешним диаметром 8 мм и проницаемостью 400 НН и имеет 2х10 витков провода диаметром 0.3 мм. Первичная обмотка выполнена в виде отрезка провода продетого сквозь кольцо. Если вы будете делать КСВ-метр в виде отдельного блока, то первичную обмотку следует выполнить из тонкого 50-омного коаксиального кабеля, у которого посередине часть оплётки удалена и именно сюда следует "посадить" кольцо. Качественные конструкции КСВ-метров можно поискать в Интернете. Катушки L1 - L8 бескаркасные, намотаны проводом диаметром 1.2 мм на оправке диаметром 15 мм. Число витков приведены в таблице 1. Рабочее напряжение конденсаторов С1 - С8 контура должно быть не менее 250В. Можно применить конденсаторы типа КСО. Диоды подключённые параллельно реле могут быть любые кремниевые или германиевые.
Таблица 1
| Катушка | Кол-во витков |
|---|---|
| L1 | 2 |
| L2 | 3 |
| L3 | 4 |
| L4 | 5 |
| L5 | 11 |
| L6 | 12 |
| L7 | 18 |
| L8 | 28 |
Если у вас самодельный трансивер или в трансивере отсутствует разъём для подключения антенного тюнера, то данный антенный тюнер следует немного доработать. Доработка сводится к установке дополнительной кнопки переключения тюнера в режим настройки. Кнопка одним контактом подключается к выводу TSTR, а другим к цепи общего провода. Выход TKEY, при этом, следует использовать для перевода трансивера в режим передачи с подачей несущей.
Обмен информацией между тюнером и компьютером производится через COM-порт (или переходник USB-COM) по специально разработанному мной протоколу на скорости 9600 Бод. В режиме автоматической настройки связь с COM-портом прерывается (на время самой настройки). Переключение режимов настройки и ручная настройка тюнера осуществляется специальной программой. Эта программа распространяется мной в виде плагина к аппаратному журналу "LoggerXP". Для настройки тюнера желательно иметь отдельный поверенный (эталонный) КСВ-метр (например, КСВ-метр встроенный в трансивер). Настройка тюнера сводится к балансировке КСВ-метра, установке уровня смещения АЦП подстроечным резистором R9 и установке уровней прямого и отражённого сигнала соответственно подстроечными резисторами R6 и R7. Соедините вход тюнера с трансивером, а его выход с эквивалентом антенны (резистор 50 Ом достаточной мощности). Снизьте мощность вашего трансивера до 10-20 Вт и переведите его на передачу с подачей несущей (например, RTTY или CW). Подключите вольтметр или микроамперметр к контакту SWR2 (Uотр.) ВЧ-блока или блока контроллера и подстроечным конденсатором С25 добейтесь нулевых показаний. Далее настройку удобно производить при помощи программы "Tuning.exe". Эту программу можно скачать в конце статьи, она не требует установки, достаточно запустить её на выполнение. В окне программы следует указать COM-порт компьютера, к которому подключён антенный тюнер. Для нормальной работы данной программы следует в настройках COM-порта отключить буферы FIFO и перезагрузить компьютер. Если связь с тюнером установлена, то вы увидите значения прямой и отражённой волны (в квантах), и уровень КСВ. Подстроечным резистором R9 установите напряжение смещения АЦП в пределах 3.0 - 4.0 В (измеряется на ножке 5 микроконтроллера). Подстроечным резистором R6 установите уровень сигнала прямой волны 80 - 100 квантов. Переведите трансивер на приём. Эквивалент антенны 50 Ом замените, например на 100 - 200 Ом (чтобы повысить уровень КСВ) или, что ещё лучше, на реальную антенну с повышенным КСВ. Вновь переведите трансивер на передачу (при пониженной мощности!). Подстроечным резистором R7 следует добиться показания КСВ в окне программе равному показанию эталонного КСВ-метра. Эту операцию рекомендуется провести на всех КВ-диапазонах. Если разница между показаниями по диапазонам будет различаться (что свидетельствует о некачественном выполнении КСВ-метра тюнера или конструкции ВЧ-блока), то установите среднее значение КСВ по всем диапазонам. На этом настройку можно считать оконченной.
Рисунки схем в формате WMF, проект тюнера в формате P-CAD и файлы прошивки микроконтроллера PIC16F874 (PIC16F877) можно скачать по ссылке внизу этой страницы.
Доработанную версию данной статьи можно прочитать в журнале "Радио", №№ 2, 3 за 2010 г.
Желаю успехов в повторении данной конструкции! 73, UA3GDW.
При публикации данной статьи на других ресурсах ссылка на источник http://ua3gdw.ru обязательна!