天线调谐器,简称天调(Antenna Tuner Unit, ATU)通常与用于无线电通信和其他应用的高频发射器和接收器相关联。调谐器可以以多种方式使用:天线元件与馈线相遇的地方,或靠近发射器的馈线内。
其基本目的是确保天线系统阻抗与发射器或接收器的阻抗相匹配,从而实现无线电收发最佳性能。现代半导体发射器非常容易受到高驻波比反射回发信系统造成的损坏,因此需要提供良好的阻抗匹配。ATU /天线调谐器可以实现这一目标,因此,它是许多用于广播、商业、军事和业余无线电的无线电通信站的重要组成部分。较旧的真空管变送器更能承受由高反射功率引起的高电压和电流水平,尽管如此,使用天调单元仍然对于这些系统是有保护作用的。
驻波比、驻波比和驻波比的注意事项:驻波通常与射频馈线有关,当馈线阻抗和负载阻抗不匹配时会产生驻波。在发射匹配时,功率被反射,正向和反射功率的组合电压和电流沿馈线形成驻波。
天线调谐器或天线调谐单元是一个由可变电感器和可变电容器组成的网络,可以对其进行更改以抵消天线的电感和电容元件的影响,目的是使天线呈现出50Ω的阻抗负载。有几种电路可用于天线调谐器,每种电路都有自己的属性。它们从带有电感器和电容器的简单 L 型配置到具有更多组件的其他类型不等。
尽管理论上有八种不同的L网络可以使用,但在业余无线电中,有四种类型比其他更广泛地被使用。正如名字可能暗示的那样,它们由一个元件串联到线路中,另一个接地。
| 前端接地元件 | 连接元件 | 后端接地元件 | 电路特性 |
| 导体(电阻、磁珠) | 电容 | - | 高通阻抗升压 |
| - | 电容 | 导体(电阻、磁珠) | 高通阻抗降压 |
| 电容 | 导体(电阻、磁珠) | - | 低通阻抗升压 |
| - | 导体(电阻、磁珠) | 电容 | 低通阻抗降压 |
通常情况下,天线调谐器使用低通选项,因为这样可以提供对谐波的额外衰减。典型的阻抗降低型L网络天线调谐器的形式如下图所示。
L网络天线调谐器的阻抗升压版本非常类似,并且在输入端,即连接到接收机或发射机的端口,有可变电容器。
通常,自动天线调谐器使用这种形式的网络,其中包括一个串联开关电感和一个开关电容器,可以根据天线阻抗是高于还是低于输入馈线阻抗而将其导向输入端或输出端。
正如名称所示,这些天线调谐器网络中有三个元件:一个串联元件和另一个类型的元件,分别从输入到地和从输出到地。其具有一个串联电感和两个接地电容器:一个在输入端,另一个在输出端,这种配置形成了一个低通滤波器,除了发射机本身提供的谐波外,还提供了额外的谐波衰减。
这种匹配格式曾广泛用于复古真空管或电子管基础的发射机的输出调谐。如今,Pi网络不流行用作天线调谐器中的匹配网络,因为电路中所需的可变电容器对HF频段的较低频率变得较大且成本高昂。因此,这种类型的调谐器通常不用于业余无线电应用,因为大多数天线调谐器设计用于覆盖从160米到10米的所有波段。
使用单个电感的T型天线调谐器能够匹配大范围的天线阻抗,并且引入的损耗很小。因此,在不同年代它都很受欢迎。它实际上是一个高通配置,不提供任何谐波衰减。此外,它需要可变电容器是浮动的,即两端都不连接地,并且这确实需要额外的机械隔离元件,以便电容器安装时不连接到任何地平面,并且还需要特殊的隔离措施。这减少了这种类型的天线调谐器的吸引力。
SPC或串并联电容器天线调谐器或转换器使用一种配置,既可作为匹配调谐器,又可作为带通滤波器。这种类型的天线调谐器的预选择元件在低频段特别有用,因为一些非常强的广播信号可能会过载接收机的前端。
在电路中,有一个所有组件都连接到的中心点。电容器C1提供了对发射机的可变匹配。电容器C3提供了对天线的可变匹配。电感L1和电容器C2的组合提供了一个谐振的谐振电路,使其能够拒绝带外信号。
这里显示的线圈是开关的,尽管可以使用连续可变的线圈,但它们要昂贵得多。线圈的可变性使带通滤波器的带宽可以加宽或减窄,并确保C2 / C3组合能够匹配天线,同时调整到双向无线电通信链路的操作频率。
除了以上列举的几种流行的天调形式,还有许多其他形式的天线调谐器,这里就不继续展开介绍了。
天线调谐器的理想位置是在天线由馈线供给的地方。这样,天线就可以与馈线匹配,并且整个系统中都有良好的匹配,SWR水平也很低。不幸的是,将天线调谐器放置在天线馈电点并不总是方便的。这可能距离发射机有一段距离,甚至可能处于无法接近的位置。
在这种情况下,即使使用同轴馈线将调谐器连接到天线,天线调谐器也可以靠近发射机。
有一个常见的误解,即在高驻波比条件下使用天调本身会导致损耗。这是不正确的。当存在高驻波比时,这是由于不匹配导致功率沿着馈线反射回来。当它进入天线调谐器时,它会反射回馈线到达天线,其中一部分被辐射出去,另一部分再次沿着馈线反射回来。
即使SWR为2:1,也只有11%的功率被反射,89%被辐射出去。
只要同轴电缆能够承受由高驻波比引起的更高电压和电流水平,那么这是相当可接受的。主要问题是防止发射机受到高驻波比所反射的信号伤害,因为这可能会损坏输出功放电路,或者机内保护电路会降低功率输出。
因此,在发射机附近而不是在天线的馈电点处使用天线调谐器或天线调谐单元是完全可以接受的。最好能在线路中放置一个驻波表以监视发射机所看到的实际驻波水平。
天线调谐器是大多数短波或更长波长无线电通信系统中必不可少的设备。尽管其原理对超短波及更高频率范围同样适用,但由于使用的天线类型和技术,通常天线调谐器不是必须的。
对于短波频段,天线调谐器使得无论使用低功率还是高功率发射机,都能将最大功率传输到天线中。因此,天线调谐器广泛用于所有形式的双向无线电通信以及广播、监测和短波无线电的各种其他应用中。