Antenní tunery.

Pokusme se odpovědět na otázku: "Potřebuji antenní tuner"? Pokud mají naše anteny PSV lepší než 1:1,5 po celém amatérském pásmu, tak je tuner zbytečný přepych a pouze by zvětšoval ztráty. To platí pro moderní zařízení s polovodičovými koncovými stupni které jsou vybaveny reflektometrickou ochranou. Pokud by PSV překročil tuto hodnotu, tak ochrana začne snižovat výkon. U starších elektronkových zařízení nebo koncových stupňů si můžeme dovolit ještě vyšší hodnotu PSV, protože obsahují laditelný Pi článek, který v určitém rozmezí dokáže anténu přizpůsobit i bez externího tuneru. Snažíme se vždy dosáhnout toho, aby antena měla dobré PSV sama o sobě a bez tuneru se obešla. U některých anten to ale není řešitelné, např. populární G5RV se bez tuneru neobejde. Rovněž u anten s laděným napaječem (žebříček, dvojlinka) je tuner samozřejmostí.
Od tuneru očekáváme dvě činnosti: Musí umět transformovat impedanci (nahoru i dolu) a musí umět kompenzovat reaktanci (kladnou i zápornou).
Tunerů je hodně typů, musíme se rozhodnout který je pro naše použití nejvhodnější. O tom jestli je lepší automatický nebo ruční většinou rozhodne ministr financí (manželka).
Nejlepší ale nejdražší řešení je dálkově ovládaný nebo plně automatický tuner ve vodotěsné skříňce přímo u antény. Kromě rozhodování finančního nás ale čekají ještě čtyři zásadní rozhodnutí technické.
1) Max. přenášený výkon. Podle výkonu volíme rozměry indukčností a mezery mezi deskami kondenzátorů.
2) Pokud preferujeme potlačení harmonických, volíme typ horní zádrže. Moderní zařízení to ale většinou nepotřebují, mají dobré potlačení už samy od sebe. Pokud chceme pomoci odolnosti přijímače volíme typ dolní zádrže. Většina přijímačů má totiž tendenci se zahlcovat "od spoda" zvláště při použití dlouhodrátových anten.
3) Pokud budeme pouzivat napájení koaxiálem, vystačíme s tunerem nesymetrickým. Pro napájení žebříčkem nebo dvojlinkou potřebujeme tuner symetrický.
4) Rozhodneme se mezi univerzálností nebo minimálními ztrátami. Tyto dvě vlastnosti  se mezi sebou vylučují. Pro domácí použití je lepší navrhnout třeba i několik tunerů jednoúčelových pro konkrétní antény a optimalizovat ztráty. Naopak na dovolenou je vhodné si vzít tuner univerzální s kterým vyladíme i "řetěz od bejka".

Co způsobuje ztráty tunerů?
Věřte tomu nebo ne, ale naším nepřítelem je vysoké provozní Q (činitel jakosti). Jak je to možné? Vždycky nás přece učili, že Q je blahodárná věc. Jistě, ale to platilo u přijímačů a ne pro přenos výkonu. Účinnost přenosu je dána poměrem Q naprázdno ku Q v zatíženém stavu.
Pokud tedy máme Q naprázdno = 100 a podaří se nám tuner vyladit na provozní Q = 50, tak je polovina výkonu v "háji" (spotřebuje se na cirkulační proudy). Vždy se tedy snažíme aby Q naprázdno bylo co nejvyšší (nejedná se jen o samotné cívky, ale o celkové zapojení včetně kondenzátorů, přepínačů i přívodů) a Q zatíženého obvodu co nejnižší (obvod musí být tlumen zátěží tedy antenou). Pokud se tedy někdo chlubí jak mu tuner krásně "ostře" ladí, svědčí to pouze o tom, že o problematice mnoho neví, možná mu to pěkně poslouchá, ale nic moc se nedovolá. Pro dosažení co nejvyššího činitele Q naprázdno se snažíme používat kvalitní cívky vzduchové nebo na keramice. Pro nižší kmitočty je možno použít i toroidní jádra, ale zásadně železoprachové, feritové materiály se hodí pouze pro neladěné transformátory a nebo QRP.
Ladicí kondenzátory taky vzduchové, pro výkony do 100 W vystačíme i s rozhlasovými typy s menšími mezerami, ale nesmíme s nimi zkoušet vyladit vysoké impedance (drát lambda/2 na konci). Přepínače volíme rovněž kvalitní, pokud možno keramické. U propojovacích vodičů se snažíme o nejkratší možné délky a nešetříme na průměru. Pro snížení parazitní indukčnosti je možno použít několik vodičů paralelně nebo měděné pásky.

L články
Nejjednodušší zapojení tuneru je L článek. Toto zapojení kromě své jednoduchosti vyniká bezkonkurenčně nejnižšími ztrátami. Provozní Q obvodu se totiž automaticky nastaví na nejnižší hodnotu potřebnou k dannému převodu impedancí. I pro extrémní případ převodu z 50 ohm na 5000 ohm tedy poměru impedancí 1:100 bude převod napětí 1:10 a tedy vystačíme s provozním Q = 10. Pro běžné převody se pohybuje Q v řádu jednotek a ztráty jsou zanedbatelné. Na obr.1 vidíme čtyři základní zapojení L článků. Volíme zapojení a) nebo b) pokud požadujeme horní zádrž, nebo c) d) jako dolní zádrž. Nevýhoda L článku je ale malý rozsah přeladění, obsáhne pouze polovinu plochy Smithova diagramu. Proto je potřeba L článek otáčet (přepínačem nebo záměnou vstupního a výstupního konektoru). Můžeme si zapamatovat, že pokud je impedance anteny vyšší než 50 ohm bude kondenzátor na výstupu, pro nižší impedanci na vstupu. Toto ale platí pouze když je impedance reálná. Při přítomnosti reaktance (jalové složky) to bude jinak, ale nechci Vás zatěžovat Smithovým diagramem a kdo ho zná, tak si to snadno odvodí. Protože má L článek pouze dva prvky, je potřeba aby oba byly plynule laditelné. Pro použití s jednou antenou je možno vyhledat i pevné odbočky na cívce. Těžko se ale podaří udělat kvalitní L článek pro celý rozsah krátkých vln. Většinou je potřeba udělat dva, pro dolní a horní pásma. Vyjímku tvoří automatické tunery na principu postupného připojování kondenzátorů a cívek pomocí relé. Otočné kondenzátory tak velký rozsah nemají.
T články
T článek je "dobrý sluha ale zlý pán". Je to typ vysoce univerzálního tuneru, dokáže vyladit šroubovák stejně dobře jako Eiffelovku. Je to nejčastější typ továrně vyráběných tunerů. Málokdo si ale uvědomuje nebezpečí vysokých ztrát. T článek obsahuje celkem tři proměnné prvky a tím se dostává lidem do rukou "mocná zbraň" která umožňuje v širokém rozsahu měnit nejenom impedance, ale bohužel taky provozní Q obvodu. Neznalý člověk si libuje, že se mu podařilo vyladit PSV 1:1 a netuší, že nastavil ztrátu třeba 80%. To se s L článkem stát nemůže. Abychom dosáhli u T článku rozumných hodnot Q, snažíme se při ladění dosahovat co největších kapacit a nejmenší indukčnosti. Bohužel hodnoty kondenzátorů u továrně vyráběných T článků bývají kolem 200 pF a to je pro nižší pásma rozhodně málo. Viděl jsem na internetu úpravy továrních tunerů, kde chytří lidé přidali ke kondenzátorům pomocné kontakty, které při vytočení do krajní polohy kondenzátor zkratují a tím se zapojení změní na L článek. Dobře vědí proč to dělají. Pokud je impedance v rozsahu pro L článek, využívají nízkých ztrát a na T článek přepínají až když není jiného zbytí.
Typické zapojení nejčastěji používaného T článku je na obr.2. Nevýhodou je nutnost izolace kondenzátorů od kostry.
Pi články
Pro Pi články platí v menší míře totéž co pro T články. Rozsah bývá menší, ale možnost nastavení zbytečně vysokého Q platí i zde. Pouze situace je opačná, správné naladění bude při co největší indukčnosti a nejmenších kapacitách. Aby nedošlo k omylu: toto je myšleno z hlediska účinnosti, pokud někdo dělá Pi článek pro odstranění harmonických tak se zachová opačně. Starší z nás si pamatují, že u elektronkových zapojení se doporučovala hodnota provozního Q kolem 12. Byl to rozumný kompromis mezi ztrátami a potlačením harmonických. Od anténního tuneru pro moderní zařízení ale očekáváme maximální účinnost, harmonické by měly být dobře potlačeny již v samotném přístroji. Proto se snažíme provozní Q udržovat na nejnižší možné hodnotě. Typické zapojení Pi článku je na obr.3.

Popsali jsme si tři základní zapojení tunerů. Existuje velké množství dalších, ale je to vždy kombinace těchto tří základních. Zbytečným zesložiťováním podle "zaručených" návodů již nic lepšího neobjevíme (kromě vyšších ztrát).
Symetrické tunery
Dosud popsané zapojení sloužily pro nesymetrické antény napájené koaxiálem nebo pro dlouhodrátové anteny. Pro napájení symetrické je možno opět využít naše tři popsané zapojení. Na obr. 4 je příklad symetrického T článku. To trafo na vstupu je proudový balun na feritovém jádře. Pozor na některé prodávané tunery, které jsou sice nesymetrické, ale mají možnost symetrického výstupu pomocí zabudovaného balunu. Pokud je balun proudový, tak budiž. Většinou ale bývá napěťový a ten se při jalovině spolehlivě "upeče". A pokud tam jalovinu nemáme, tak přece žádný tuner nepotřebujeme.
V poslední době získal oblibu symetrický tuner zvaný Z-match podle obr.5. Vypadá to lákavě, ale opět velký pozor na vysoké provozní Q. Autoři se tím ještě chlubí, jak to "užasně ostře ladí, jako břitva". Jistě je to velký přínos, ale bohužel jen pro příjem. Ztráty typického Z-matche pro reálné impedance ukazuje obr. 6. Pro komplexní impedance (včetně jalových složek) to bude ještě horší. Nemáme li možnost měřit, raději se mu vyhneme.
Na závěr moje soukromá rada: Chcete li být silní, používejte L články (nesymetrické i symetrické). Univerzální tunery jsou pohodlnější, ale zaplatíte za ně vysokými ztrátami.
Malý příklad: máme dva tunery L článek a T článek. Oba mají Q naprázdno = 100 (větší hodnotu těžko dosáhneme, pokud nepoužijeme cívky velikosti sudu od piva). Máme za úkol přizpůsobit antenu s impedancí 10 ohm na frekvenci 3,5 MHz. Oba dva umožní dosáhnout PSV 1:1.  L článek bude mít ztrátu 2% a nemůžeme nic pokazit, naladění je jen jedno.. T článek bude mít ztrátu 22,6%. To ale pouze v případě, že jsme chytří a dáme výstupní kondenzátor na maximum (u továrních tunerů to bývá 200 pF). Pokud ho dáme do jedné čtvrtiny podaří se nám taky naladit PSV 1:1, ale ztráta bude 62,2%. Matematika je neúprosná.
Konkrétní návrh tuneru
Je problém popsat stavební návod tak, aby byl opakovatelný. Součástky běžně v obchodě nekoupíme, každý staví z toho co sežene někde na burze. Před lety vyšel v Radiožurnálu návod na T článek z RMkových kondenzátorů. Během pár dnů zmizely a dnes se už neseženou. Na burze v Holicích se ale stále vyskytují variometry (česky "rolšpulka") z Třince. Není myšleno město Třinec, ale krycí jméno vojenského vysílače RS41. Na obr. 7 je zapojení nízkoztrátového tuneru s tímto variometrem. Pomocí přepínače je možno zapojit kondenzátor na vstup nebo výstup a tím obsáhnout celou plochu impedancí. Problém je s kondenzátorem. Pro menší výkony můžeme použít i větší rozhlasový typ. To nás ale omezuje v případě dlouhodrátových antén. Musíme se vyvarovat délek násobků lambda/2, protože impedance je vysoká a v kondenzátoru by vznikaly napěťové přeskoky. To je ovšem škoda, protože dlouhodrátová anténa má právě při těchto délkách největší účinnost, protože při vysoké impedanci se přestanou uplatňovat ztráty v nedokonalém uzemnění. Můžeme se pokusit každou druhou desku "vypreparovat" nebo sehnat kondenzátor speciální. Snažíme se vybrat takový kondenzátor, který má co největší poměr kapacity v zavřeném a otevřeném stavu.
Je možno použít i menší kapacitu a připojovat pevné kondenzátory paralelně. Na nižších pásmech vykazuje tuner velmi nízké ztráty. Je použitelný pro celý rozsah krátkých vln. Na nejvyšších KV pásmech již nebudí dobrý dojem cívka vytočená na první půlzávit, ale i tak je ztráta nižší než u továrních T článků. Přesto se přimlouvám za to, udělat pro vyšší pásma podobný tuner, ale s menším variometrem.
Pablo Software Solutions