Основы электроакустики

Антенно-фидерное устройство (АФУ) — совокупность антенны и фидерного тракта, входящая в качестве составной части в радиоэлектронное изделие, образец, комплекс. АФУ используются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи сигналов радиоволны. Функция антенны заключается в излучении или приеме электромагнитных волн. Электрическое подключение антенны к источнику (потребителю) может быть непосредственным, а может осуществляться с помощью линии передачи, оснащенной радиочастотными соединителями, т.е. с помощью фидера. Функция фидера — в передаче электромагнитного колебания от радиопередатчика ко входу антенны и передаче электромагнитного колебания от антенны к радиоприемнику.

Антенны Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) — зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне — на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т. д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.

Приёмная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает её в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) — это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять приём различного рода помех, то есть повышает качество приёма. Любую передающую антенну можно использовать и для приёма электромагнитных волн и вообще говоря, наоборот, однако из этого не следует что они одинаковы по конструкции. Электромагнитная энергия от передающего устройства к антенне и от антенны к приемному устройству передается с помощью фидерного тракта.

Фидеры Важную роль в работе антенных устройств играет линия передач (фидер), которая передаёт энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма). Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приёмном режиме согласование входа приёмника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режим бегущей волны. Согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки — условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приёмника. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров: двух или много-проводные воздушные фидеры

Волноводы В спутниковых системах связи в качестве фидеров используют круглые, эллиптические и прямоугольные волноводы и коаксиальные кабели. Волноводы в качестве линий передачи СВЧ колебаний, как правило, применяют на частотах свыше 2 ГГц. Круглые волноводы позволяют передавать две волны, имеющие ортогональные поляризации. Основным типом волн является волна Н01. В отечественной технике нашли применение волноводы диаметром 70 мм, используемые в диапазоне 4, 6, 8 ГГц. Затухание ЭМВ в круглом волноводе зависит от его диаметра и рабочей частоты. Для волноводов эллиптических — волной основного типа является волна Н01. Конструктивно он представляет собой полую гофрированную трубу, изготовленную из медной отожженной ленты, на которую наложены защитные оболочки. Такие волноводы получили название ЭВГ (эллиптический волновод гофрированный). Они выпускаются для диапазонов 2, 4, 6, 8, 11 ГГц и отличаются друг от друга размерами и затуханием, изготавливаются требуемой длины без фланцевых соединений и, как правило, при транспортировке наматываются на барабан. Недостатком ЭВГ является относительно большое значение коэффициента отражения. Широкое применение в качестве фидерных трактов нашли волноводы прямоугольного сечения. В них используется основной тип волны Н10. Такие волноводы могут быть жесткой или гибкой конструкции, различной длины. Соединение отрезков волновода осуществляется с помощью фланцев. Подобные волноводы используются в малоканальных СКС в тракте передачи.

Коаксиальные кабели обеспечивают передачу волны типа ТЕМ (плоская поперечная бегущая волна). Коаксиальные кабели имеют маркировку: РК-75-18-12 РК- радиочастотный кабель. Где: 75- волновое сопротивление, Ом; 18- внутренний диаметр внешнего проводника, мм;12- 1- полиэтилен, 2- номер разработки кабеля.

В станциях спутниковой связи коаксиальные кабели используют в тракте приема. В отдельных конструкциях волноводных трактов может применяться специальная система осушки, предназначенная для осушения воздуха во внутренних объемах волноводов. Такие системы нашли применение в линиях передачи энергии с повышенной мощностью сигнала.К элементам фидерных трактов, кроме того, относят: поляризационные селекторы; поляризаторы; циркуляторы.

Настройка и согласование антенно-фидерных устройств

В предисловии к своей книге «Антенны», Ротхаммель в первой же строке повторил известную истину : хорошая антенна — лучший усилитель высокой частоты. Однако многие радиолюбители иногда забывают о том, что построить хорошую антенную систему стоит столько же, сколько стоит хороший трансивер и наладка антенно- фидерного устройства требует такого же серьезного подхода как и наладка приемо-передатчика. Построив антенну по взятому откуда- нибудь описанию, радиолюбители чаще всего налаживают ее с помощью КСВ-метра, либо вообще полагаются на случай и не производят никаких измерений. Поэтому во многих случаях можно услышать отрицательные отзывы о неплохих антеннах ,или что для повседневных связей им недостаточно разрешенной мощности. Здесь сделана попытка в краткой форме сделать обзор простых способов согласования и измерений в АФС (антенно-фидерных системах) в виде путеводителя по книгам (далее по тексту ссылки по номерам):

1. К.Ротхаммель «Антенны», М., «Энергия», 1979 третье издание
2. З.Беньковский, Э.Липинский, «Любительские антенны коротких и ультракоротких волн», М., «Радио и связь», 1983

а также приведены некоторые практические советы. Итак.

Почему нельзя серьезно относиться к наладке вновь созданных антенно- фидерных устройств с помощью КСВ-метра? КСВ-метр показывает отношение (Uпрям+Uотр) к (Uпрям-Uотр) или другими словами во сколько раз отличается импеданс антенно-фидерного тракта от волнового сопротивления прибора (выход передатчика, например). По показаниям КСВ-метра нельзя понять, что значит КСВ=3 при сопротивлении выходного каскада 50 Ом. Волновое сопротивление антенно-фидерного тракта в этом случае может быть чисто активным (на частоте резонанса ) и может быть равным 150 Ом или 17 Ом (и то и другое равновероятно!). Не на частоте резонанса сопротивление будет содержать активную и реактивную (емкостную или индуктивную )в самых различных соотношениях и тогда совершенно непонятно, что надо делать — то ли компенсировать реактивность, то ли согласовывать волновое сопротивление. Для точного согласования АФУ необходимо знать:

• a) реальную резонансную частоту антенны;
• б) сопротивление антенны;
• в) волновое сопротивление фидера;
• г) выходное сопротивление приемо-передатчика.

Целью согласования антенны является задача выполнения двух условий подключения антенны к приемо-передатчику:

1. добиться отсутствия реактивной составляющей в сопротивлении антенны на используемой частоте.
2. добиться равенства волнового сопротивления антенны и приемо-передающей аппаратуры.

Если эти условия выполняются в месте запитки антенны (точка соединения антенны с фидером), то фидер работает в режиме бегущей волны. Если выполнить условия согласования в месте соединения фидера с приемо-передатчиком, а сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления фидера, то фидер работает в режиме стоячей волны. Однако работа фидера в режиме стоячей волны может повлечь за собой искажение диаграммы направленности в направленных антеннах (за счет вредного излучения фидера) и в некоторых случаях может привести к помехам окружающей приемопередающей аппаратуре. Кроме того, если антенна используется на прием, то на оплетку фидера будут приниматься нежелательные излучения (например помехи от вашего настольного компьютера). Поэтому предпочтительнее использовать питание антенны по фидеру в режиме бегущей волны. До того как поделиться практическим опытом согласования антенн, несколько слов об основных способах измерений.

1. ИЗМЕРЕНИЕ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ АНТЕННЫ

1.1. Наиболее простой способ измерения резонансной частоты антенны- с помощью гетеродинного индикатора резонанса (ГИР). Однако в многоэлементных антенных системах измерения ГИРом бывает выполнить сложно или совсем невозможно из-за взаимного влияния элементов антенны, каждый из которых может иметь свою собственную резонансную частоту.

1.2. Способ измерения с помощью измерительной антенны и контрольного приемника. К измеряемой антенне подключается генератор, на расстоянии 10-20l от измеряемой антенны устанавливается контрольный приемник с антенной, которая на этих частотах не имеет резонансов (например короче l/10). Генератор престраивается в выбраном участке диапазона, с помощью S-метра контрольного приемника измеряют напряженность поля и строят зависимость напряженности поля от частоты. Максимум соответствует частоте резонанса. Этот способ особенно применим для многоэлеметных антенн, В этом случае измерительный приемник необходимо располагать в главном лепестке диаграммы направленности измеряемой антенны. Вариант этого способа измерения — применение в качестве генератора, передачика мощностью в несколько Ватт и простого измерителя напряженности поля(например [1], Рис 14-20.). Однако надо учесть, что при измеренях вы будете создавать помехи окружающим. Практический совет при измерениях в диапазоне 144-430 мГц — при измерениях, не держите в руках измеритель напряженности поля, чтобы ослабить влияние тела на показания прибора. Закрепите прибор над полом на высоте 1-2 метра на диэлетрической подставке (например дерево, стул) и снимайте показания, находясь на расстоянии 2-4 метра , не попадая в зону между прибором и измеряемой антенной.

1.3. Измерение с помощью генератора и антенноскопа (например [1], Рис 14-16). Этот способ применим в основном на HF и не дает точных результатов, но позволяет попутно оценивать и сопротивление антенны. Суть измерений заключается в следующем. Как известно, антенноскоп позволяет измерять полное сопротивление (активное+реактивное). Т.к. антенны обычно запитывают в пучности тока (минимум входного сопротивления) и на частоте резонанса отсутствует реактивность, то на резонансной частоте антенноскоп будет показывать минимальное сопротивление, а на всех остальных частотах чаще всего оно будет больше. Отсюда и последовательность измерений — перестраивая генератор, измеряют входное сопротивление антенны. Минимум сопротивления соответствует резонансной частоте.Одно НО — антенноскоп необходимо подключать обязательно прямо в точке питания антенны, а не через кабель! И практическое наблюдение — если рядом с вами находится мощный источник радиоизлучения (теле или радиостанция), из-за наводок антенноскоп никогда не будет балансироваться «в ноль» и производить измерения становится практически невозможно.

1.4. Очень удобно определять резонансную частоту вибраторов с помощью измерителя АЧХ. Подключив выход измерителя АЧХ и детекторную головку к антенне, определяют частоты , на которых видны провалы в АЧХ. На этих частотах антенна резонирует и происходит отбор энергии с выхода прибора, что хорошо видно на экране прибора. Для измерений подходят практически любые измерители АЧХ (Х1-47, Х1-50, Х1-42, СК4-59). Вариант измерений- с помощью анализатора спектра (СК4-60) в режиме с длительным послесвечением и внешнего генератора. В качестве внешнего генератора можно использовать генератор гармоник: на HF- с шагом 10 кГц, на 144 мГц- с шагом 100 кГц, на 430 мГц- с шагом 1 мГц. На частотах до 160 мГц наиболее ровномерный спектр с высокой интенсивностью гармоник дает схема генератора гармоник на интегральной схеме 155ИЕ1 . В диапазоне 430 мГц достаточный уровень гармоник можно получить в схеме с накопительным диодом 2А609Б (схема калибратора 50 мГц из СК4-60).

2. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВАХ.

2.1. Самый простой (еще доступный по цене) серийно выпускаемый прибор, для измерений активного сопротивления и фазы сигнала (а значит и реактивной составляющей)- это измерительный мост. Существует несколько модификаций этих приборов для использования с 50 и 75-омным трактом и на различные диапазоны частот до 1000 мГц — это измерительные мосты Р2-33. Р2-35.

2.2 В радиолюбительской практике чаще используют более простой вариант измерительного моста, предназначенного для измерений полного сопротивления (антенноскоп). Конструкция его, в отличие от мостов Р2-33. очень проста и легко повторяется в домашних условиях ([1], стр. 308-309).

2.3 Полезно помнить некоторые замечания, касающиеся сопротивлений в АФС.

2.3.1. Длинная линия с волновым сопротивлением Zтр и с электрической длиной l/4, 3 х l/4 и т.д. трансформирует сопротивление , которое можно рассчитать из формулы

либо по Рис. 2.39 [2]. В частном случае, если один конец l/4 отрезка разомкнуть, то бесконечное сопротивление на этом конце отрезка трансформируется в ноль на противоположном конце (короткое замыкание) и такие устрой- ства используют для трансформации больших сопротивлений в малые. Внимание! Эти виды трансформаторов эффективно работают только в узком частотном диапазоне, ограниченом долями процентов от рабочей частоты. Длинная линия с электрической длиной кратной l/2 вне зависимости от волнового сопротивления этой линии трансформирует входное сопротивление в выходное с отношением 1:1 и их используют для передачи споротивлений на необходимое расстояние без трансформации сопротивлений, либо для переворачивания фазы на 180°. В отличие от l/4 линий, линии l/2 обладают большей широкополосностью.

2.3.2. Если антенна короче , чем вам необходимо, то на вашей частоте сопротивление антенны имеет реактивную составляющую емкостного характера. В случае, когда антенна длиннее, на вашей частоте антенна имеет рективность индуктивного характера. Разумеется на вашей частоте нежелательную реактивность можно компенсировать введением дополнительной реактивности противоположного знака. Например, если антенна длиннее, чем это необходимо, индуктивную составляющую можно компенсировать включением последовательно с питанием антенны емкости. Значение необходимого конденсатора можно рассчитать для нужной частоты, зная значение индуктивной составляющей (см. Рис 2.38 [2]), либо подобрать экспериментально, как это описано в пункте 5.

2.3.3. Введение дополнительных пассивных элементов обычно понижает входное сопротивление антенны (например для квадрата: со 110-120 Ом до 45-75 Ом).

2.3.4. Ниже приведены теоретические значения наиболее часто встречающихся вибраторов (вибраторы находятся в свободном от окружающих предметов пространстве), антенн и фидеров:

• полуволновый вибратор с запиткой в пучности тока (в середине) — 70 Ом, при расстройке на +-2% реактивное сопротивление iX изменяется практически линейно от -25 до +25 с нулем на частоте резонанса;
• полуволновый вибратор с запиткой с помощью Т-образной схемы согласования -120 Ом; — петлевой вибратор с одинаковыми диаметрами всех проводников- 240..280 Ом, при расстройке +-1% реактивного сопротивления нет, но при расстройках более 2% реактивное сопротивление iX резко возрастает до +- 50 и более (см. Рис 2.93 [2]);
• петлевой вибратор с различными диаметрами проводников (см таб. 1.15 [1] или Рис. 2.90в [1]) — до 840 Ом; — двойной петлевой вибратор с одинаковыми диаметрами всех провод- ников — 540. 630 Ом;
• двойной петлевой вибратор с различными диаметрами проводников (см. таб. 1.16 [1] или Рис 2.91 [2]) — до 1500 Ом;
• четвертьволновый вертикальный вибратор с противовесами под углом 135° по отношению к вибратору — 50 Ом;
• четвертьволновый вертикальный вибратор с противовесами под углом 90° по отношению к вибратору — 30 Ом;
• вибратор в виде квадрата длиной l — 110..120 Ом; — вибратор в виде квадрата длиной 2l (два витка) — 280 Ом;
• вибратор в виде теругольника (дельта) — 120. 130 Ом;
• Inverded-V с углом раскрыва 90° — 45 Ом;
• Inverted-V с углом раскрыва 130° — 65 Ом;
• волновой канал, оптимизированый на максимальное усиление — 5. 20 Ом;
• волновой канал, оптимизированый на наилучшее согласование — 50 Ом;
• двухпроводная линия (Рис 2.26 [2]) — 200..320;
• две параллельные коаксиальные линии Z=75 Ом — 37.5 Ом;
• то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=50 Ом — Zвых=28 Ом;
• то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=75 Ом — Zвых=19 Ом;
• две параллельные коаксиальные линии Z=50 Ом — 25 Ом;
• то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=50 Ом — Zвых=12.5 Ом;
• то же, четвертьволновый трансформатор Zвх=75 Ом — Zвых=8.4 Ом
• трансформатор из трех параллельных линий Z=50 Ом Zвх=50 — Zвых=5.6 Ом;
• то же Z=50 Ом Zвх=75 — Zвых=3.7 Ом;

3. ИЗМЕРЕНИЕ СТЕПЕНИ СОГЛАСОВАНИЯ

Эти измерения желательно делать уже после согласования, описанного в п. 5 для оценки качества согласования.

3.1. Приборы для определения степени согласования открытых двухпроводных линий с антенной:

3.1.1. Обычная неоновая лампочка или ГИР. При перемещении лампочки вдоль линии передачи, яркость свечения лампочки не должна изменяться (режим бегущей волны). Вариант измерений — прибор, состоящий из петли связи, детектора и стрелочного индикатора (см. Рис. 14.8 [1]).

3.1.2. Двухламповый индикатор (см. рис. 14.7 [1]). Настройкой добиваются, чтобы лампочка подключеная к плечу, близкому к антенне, не светилась, а в противополжном плече свечение было максимально. При малых уровнях мощностей можно использовать детектор и стрелочный индикатор вместо лампочки.

3.2. Приборы для определения степени согласования в коаксиальных трактах:

3.2.1. Измерительная линия — прибор, который применим для измерения степени согласования в коаксиальных и волноводных линиях начиная с УКВ и заканчивая сантиметровым диапазоном волн. Кострукция его несложная — жесткий коаксиальный кабель (волновод) с продольной щелью во внешнем проводнике, вдоль которой перемещается измерительная головка с измерительным зондом, опущеным в щель. Перемещая измерительную головку вдоль тракта, определяют максимумы и миниммумы показаний, по соотношению которых судят о степени согласования (режим бегущей волны — показания не изменяются по всей длине измерительной линии).

3.2.2. Измерительный мост (рис.14.18 [1]). Позволяет измерять КСВ в линиях переадчи до 100 Ом на HF и VHF при подводимой мощности около сотен милливатт. Очень простая в изготовлении кострукция, не содержит моточных улов, конструктивных узлов, критичных к точности изготовления.

3.2.3. КСВ-метры на основе рефлектометров. Описано множество конструкций этих приборов (например Рис. 14-14 [1]. Позволяют следить за состоянием АФC в процессе работы в эфире. 3.2.4. КСВ-метры на основе измерителей АЧХ. Очень удобные для изучения качества согласования на любых частотах, вплоть до 40 гГц. Принцип измерений — измерительный комплект приборов состоит из измерителя АЧХ и направленного ответвителя, соединенных в следующую схему:

1
X1-47

>———————>3
2
0 0