[天馈]关于天线调谐器 [复制链接] [手机版]

天线调谐器在工作时的幅频特性与滤波器有点相似。因此，当天线调谐器把天线调谐于7兆时，就等于天线与机器之间接了一个7兆的窄带滤波器，若这时机器工作在十四兆，就相当于天线和机器之间有一个衰减器一样，接收的信号让天线调谐器吸收衰减掉了。所以，就会出现接收到的信号和噪声显得很小的现象了。

天调是用来调节天线的谐振和阻抗匹配的。除非一付匹配良好并谐振的天线。天调在发射时调节使得天线与发射机良好匹配与谐振，使发射效率提高且保护发射机末级良好的工作状态不至损坏。这种情况下发射时天调是必须的。接受时天调同样使一付随意的天线谐振并与接收机的输入匹配，能提高接受机输入电平并提高信燥比。虽然接受机的输入匹配并不很严格，不匹配也不会损坏设备。但良好的匹配是保证输入调谐回路性能的前提。使用天调会大大提高接受效果。普通的收音机接受的信号场强比起业余电台的大了几百倍，也就没有必要搞得很复杂。因此严格讲天调在接受时的效果并不是不如发射明显。

手动天调原理

图片:天调原理图.jpg

图片:天调接线图.jpg

1、将Key 拨向驻波测试，接上收发机和天线

2、按电键进行发射（SSB 机器进行呼叫），反复调整多刀开关和两个旋钮，待红色发光二极管亮度最低时停止调谐

3、将Key 拨向正常使用，即完成了天线的调谐。

注意事项

1、实际使用中，本天调调谐范围约40-300 欧，如需其它参数，请自行改变电感的匝数来调整。

2、进行驻波测试时，输入功率不得超过10W！也不得长时间测试！
https://item.taobao.com/item.htm?spm=2013.1.w4018-9236367465.7.hWLknF&id=21694492911&scm=1007.11837.58613.i521102911640&pvid=3e177417-7a1e-4ce8-8d14-d07324022cc6

巴伦的主要目的不是实现阻抗匹配，而是消除共模电流，比如1:1的巴伦就不改变阻抗，其它如4:1,9:1（顺带）具有阻抗匹配的作用。

天调主要作用不是滤波，而是阻抗匹配，可以视为是一个“阻抗匹配网络”，只是采用了电抗元件后呈现出一定（而不是平坦）的频响特性，比如低通、高通。

射频里特别需要从“能量”（而不是电压、电流）的角度考虑，能量传输过程希望尽可能的传给负载、被负载吸收，而不是被反射回来，最好的情况就是负载阻抗与源阻抗相等，且为纯阻，这时能量全部被吸收，一点都不反射回来，这就称为“阻抗匹配”（另外负载跟源电阻相等，电抗幅值相等，极性相反也可，称为“共轭匹配”）

再返回来说天调，天调有两种，一种是接在发射机后面的，一种是接在天线根部的，即“TX-ATU-TL-ANT”，或者“TX-TL-ANT”

不管哪种，后一个环节都是前一个的负载，前一个是后一个的“源”，比如不考虑天调时，是发射机-馈线-天线，即TX-TL-ANT，那么馈线是发射机的负载，天线是馈线的负载。

理想情况下，天线阻抗=馈线阻抗=发射机输出阻抗，完全匹配，皆大欢喜。

但实际情况并不总是那么美好，尤其是天线并不总是在工作频率呈现出50Ω的纯阻，于是就出现了“不匹配”，能量不会被天线完全吸收、并且辐射出去，会反射回来，有可能烧发射机，也有可能因为发射机的驻波保护发射功率降低。

接在天线根部的天调构成了一个匹配网络、或称阻抗变换器，把天线本身非50Ω、可能带有电抗的阻抗变换成天调入口的接近50Ω、没有电抗或电抗很小的阻抗，于是馈线就有了一个基本理想的、跟自身特性阻抗以及发射机输出阻抗基本一致的负载了。

接在发射机输出（馈线之前）的天调工作原理类似，当天线阻抗≠50Ω时，馈线上各处（随频率、长度不同而已）呈现不同的阻抗，在馈线入口（即天调出口）也是一个非50Ω的、往往带有电抗的阻抗，这个阻抗作为负载直接接到发射机，可能烧、或保护，这时天调也是作为阻抗匹配网络或“阻抗变换器”将这个非50Ω、带有电抗的阻抗变换为基本50Ω的纯阻，为发射机提供一个理想负载。

上面两种接法的差异：天调在根部，发射机输出端以及传输线全部长度范围，阻抗都是匹配的，也就是处于“低驻波”状态
天线在发射机输出端，除了发射机出口（天调入口）是较好的匹配、低驻波状态，整个馈线上都有较大的驻波，如果采用平行馈线还好，如果是同轴电缆，在高驻波状态下会有较高的损耗。

因此接在天线根部的天调（室外天调）通常有较大的驻波比调节范围，损耗也较小，而接在发射机末端的天调（室内天调或内置天调）通常调节范围比较小，适合（只能）在驻波比较小的情况下使用（比如swr＜5），否则即使能用，损耗也大。

所以天调的作用是阻抗匹配、阻抗变换，不是谐振，对于天线，“谐振”的严格定义是电抗为零，X=0

一堆电容、电感当然可以起阻抗变换作用，比如一个10Ω的电阻，你可以通过串联、并联电容、电感的方法使得输入端的阻抗为50Ω（而且还不是唯一，通常有几种方式可以实现），并不是只是变压器或者抽头变压器才能变换阻抗。

除了变压器、巴伦、电抗器件网络可以变换阻抗，短截传输线（stub）也可以变换阻抗，甚至馈电点选择振子的不同位置，也会呈现不同的阻抗（J型天线，T型匹配、δ匹配、γ匹配等等）

建议两本书，胡树豪的《实用射频技术》、ARRL的《天线手册》（BG8AQA）

天线的大小形式将影响天线的效率。天线的效率等于天线的辐射功率和天线输入功率之比，横小于1。那没有辐射出去的功率加热了天线。天调只是匹配天线和发射机阻抗，现代的发射机是定阻抗输出，要求天线系统与之匹配。当天线的阻抗与馈线不匹配时，馈线上存在驻波。驻波传输是可以使用的，天调装在发射机出口就是这种状况。但同轴电缆在驻波状态下损耗将急剧增加，采用平行线传输可解决这个问题。总结，在发射机端采用天调的同轴电缆传输的天线系统相对于良好的天线系统来讲，损耗主要在天线效率的损耗和传输损耗。对于天调装在天线端的主要是天线效率的损耗。如果使用平行传输线，天调装在哪里都差不多，主要是天线效率引起的损耗。实际上在天线上装天调是普遍做法，天线的伽马匹配就是一种天调，方框天线的短截线，G5RV天线的平行匹配线，还有其他如小环天调的馈电环和电容组合都可以看成天调。天调就是LC阻抗变换网络，有一般为L或T型网络，也可使串联或并联网络。根据阻抗变换的要求选择使用哪种网络。相关射频书籍里都有介绍。匹配网络的损耗取决与网络的Q值，Q值越高损耗越小。当输出、入阻抗变换大的时候，网络的损耗也大。一般室内天调的阻抗变换比4左右，天调的损耗可以忽略。室外天调的阻抗变换比可以达到十几甚至几十，这时天调会有较大的损耗。关于功率是不是被天调吃掉，还是要看情况。不能一概而论。

回 BG8AQA FROM CD 的帖子

巴伦的主要目的不是实现阻抗匹配，而是消除共模电流，比如1:1的巴伦就不改变阻抗，其它如4:1,9:1（顺带）具有阻抗匹配的作用。
天调主要作用不是滤波，而是阻抗匹配，可以视为是一个“阻抗 .. (2017-08-30 16:16)

谢谢，辛苦了！这样的阐述比较全面！
只是还有疑惑：
“所以天调的作用是阻抗匹配、阻抗变换，不是谐振，对于天线，“谐振”的严格定义是电抗为零，X=0”
——是不是天调仅仅负责实现阻抗匹配，此时天线作为负载具有最高效率；但是却未必谐振在目标频率，此时发射效率又肯定不高，“最高效率“与发射效率”二者之间似成悖论？

48楼 发表于: 5小时前
我的看法是这样，共参考：
①当天线不是馈线和发射机的理想负载时，“天调+天线”共同构成了接近理想的负载（馈线的、继而是发射机的）

②谐振≠匹配，比如说某个天线在频率f1上，x=0了，但Z=300Ω，肯定是不匹配的
  但理想的匹配一定是谐振状况，任何x≠0都会导致反射，也就是Rho≠0，swr＞1
  也就是说谐振是匹配的必要条件，而非充分条件

③是否谐振一定要说对象，比如天线在某个频率f2不谐振，但加上了天调后，将天调+天线视为一个整体，从天调入口看进去调谐完毕后应该是接近谐振状态的（否则swr也没法小）

④讨论“效率”，一定要讲对象，比如对于发射机，只要馈线出口呈现50Ω纯阻，效率就最高，因为能量全部都传输出去了，没有反射回来的——哪怕馈线末端是一只电阻，全部发热了、一点都没有辐射出去

⑤天线的效率，如果是指的辐射效率，跟是否谐振没有必然关系，比如一根谐振的1/4λ的GP天线可能效率不如一根不谐振的5/8λ直立天线，辐射效率应该跟天线导体的长度、阻抗、周围环境相关，我宁愿把天线效率理解为“把通过馈线传入的射频电流转化为电磁波辐射出去的能力”

⑥匹配网络也有效率，好像叫匹配效率（比如说T型网络的效率比L、π型的低），但我也没有完全理解，比如说在某个频率下，一根天线阻抗为10Ω，通过并联、串联的电容方式（也就是加了一个电抗元件组成的匹配网络）实现了阻抗匹配，甚至也谐振了，从发射机的角度负载是一个50Ω的纯阻，没有反射、效率最高，但从天线的角度，发射机出来的射频电压经过了电容分压网络，是不是减小了？损耗了？匹配效率＜100%？（假设都是理想电抗元件的条件下）

有点类似工频供电里面的“有功功率”“无功功率”，经过电阻性元件，变成了热量，是真正被“消耗”了，经过电抗元件，并没有被真正消耗掉，但也减小了，在射频里所有减小都叫损耗Loss

我的困惑也在于此，既然谈到匹配效率，就因为有损耗存在，天线作为负载接受到的相比发射机输出小，所以有“损耗”，但从能量的角度，发射机输出的能量天线（或其它负载）没有完全吸收、匹配网络（假设为理想电抗元件）也不会吸收，那差额部分的能量哪去了？

哪位大师能解惑，不甚感激。

对于DIY自动天调的HAM来说，最大的困难就是搜索过程。目前为止16个继电器已经是比较小开销的配置了，24个或者更多的也比较常见。穷举算法虽然可以解决问题，但时间实在是太长了，目前大部分DIY天调都用了大步长搜索，然后对驻波比小的部分精细搜索，这个方法说实话，是个碰运气的算法，并不严格，首先搜索过程中存在很多局部的极小点，而全局最小点有的时候很陡峭，所以DIY天调时常出现驻波调不下来的情况。

很多人会想到用最优化方法来搜索。比如，最速下降法，单纯形法，但是经过验证这些方法并不适合天调搜索，首先天调搜索的是驻波比最小点，这个点并不一定是极点，有可能在继电器坐标的边缘，并且偏导数不为0。其次局部极小点太多，数值算法很容易被困住。

想要实现5秒内完成搜索的愿望，通过摸索式的搜索算法恐怕很难实现。如果能单独调节L和C，即一维行进，并且在行进前就计算出路线，调节过程就可以有的放矢了。 目标就是通过测量反射系数在圆图上建立一个简单的数学模型，实现简洁高效的天线调谐算法。

对于天调的拓扑结构，我比较喜欢可变的L型结构，继电器和电抗器件少，可以变换两种模式。(不能变换拓扑的L型是无法实现整个阻抗平面调解的。)能实现整个阻抗平面调节的还有T型和п型。但是继电器数量和电抗器件太多，而且数学过程相对L型复杂了一点，不利于MCU计算。

如果想精确的计算调节行程，而唯一测量的依据就是反射系数，所以对反射系数的精确测量提出了很高要求，不但要具有良好的频率平坦度还要有更高的电压测量精度。否则算法将无法实现。

这种调节方法的思路是我一直在考虑的。但是我一直没有时间去计算这个结论，直到和BG3MZU聊起几种型号天调的搜索速度，我才下定决心去实现这个算法。在圆图上一推演才明白FC-40和LDZ的这种可变L型结构的确是很精巧。可以利用最小的硬件开销，覆盖整个阻抗平面的调谐。加上对行程的精确计算，甚至可以不需要频率测量而估算出波段和天线阻抗，用来实现自动存储。

L型天调算法 BH1NUF.pdf (643 K) 下载次数:170

图片:20_2_cfc5912589946f6.jpg

这个问题我已研究过，关键在于测量电路。普通反射计只能测量标量，不能测量矢量。

这个算法不需要测矢量,就测反射系数模就可以.但是如果能测个矢量反射系数,就不需要我算法中判断位置的操作了,直接就可以运算然后调节了,速度不只能提高一倍呀,但是加入矢量测量会增加硬件复杂度,还得加入标定过程,感觉有点像拿一个复杂问题来处理另一个复杂问题了,所以我当时并没有基于矢量去做,用最简单的驻波电路就能调节是我做这个算法的一个目的

不知道你是用什么样的电路来判断矢量符号？（就是判断电路的容性和感性）

当年我盯着圆图想了好久，还是没太好的办法。

有一个现成的矢量测量芯片，型号忘记了。好像也不贵，但对电路和校正有要求。

容性感性在天调算法中是靠切电容和电感量判断的，我们天调上有那么多电抗，可以串电感并电容，对比一下前后反射系数，就知道了呀