Согласование антенны с фидером

Этот вопрос интересует многих, радиолюбителей. Возникает он, например, при необходимости подключения к антенне симметричной двухпроводной 300-омной фидерной линии вместо 75-омного коаксиального кабеля или, наоборот, при замене 300-омной открытой линии на 75-омную коаксиальную.

Фидер не всегда можно непосредственно подключить к антенне, минуя согласующее устройство. Вопрос выполнения компенсированного перехода (или согласующего устройства) от антенной системы к фидерной линии — один из основных при конструировании антенн. Он направлен главным образом на уменьшение потерь в фидере путем обеспечения в нем режима, близкого к, режиму бегущей волны. Основная фидерная линия, как правило, самая протяженная. Поэтому именно ее желательно возможно лучше согласовать с нагрузкой.

Почему возникает необходимость в согласующих устройствах и какие условия нужно соблюсти при изготовлении сложных антенн с несколькими парами точек питания?

В фидере с заданным волновым сопротивлением не всякая нагрузка создает режим,- близкий к режиму бегущей волны. И наоборот, чтобы получить оптимальное согласование данной нагрузки с фидером, потребуется фидер определенного волнового сопротивления. Казалось бы, что, пользуясь графиком рис. 1, для многих случаев практически встречающихся нагрузок, можно подобрать фидер необходимого волнового сопротивления и обеспечить в нем приемлемый КБВ. Однако при этом упускается из вида входное (выходное) сопротивление той аппаратуры (телевизора, приемника, передатчика), к которой фидер подключен своим вторым концом. В отношении же этого сопротивления также полностью сохраняется требование по обеспечению согласования с линией передачи. Как правило, значение входного (выходного) сопротивления аппаратуры стараются получить близкими к значению волнового сопротивления серийных кабелей. Это обстоятельство вынуждает принимать специальные меры по согласованию антенны с фидером, волновое сопротивление которого выбирается применительно к входному (выходному) сопротивлению радиоаппарата.

Pиc.1

В системе питания сложных антенн с несколькими парами точек питания возникают дополнительные затруднения, связанные с тем, что на проводах каждой антенны-элемента, входящей в решетку, необходимо обеспечить равенство токов по фазе и амплитуде.

Последнее достигается благодаря распределительным фидерам, которые подключаются параллельно к Основному, например, так, как показано на рис.2,а и 2,б. Сами распределительные фидеры уже непосредственно нагружены на антенны. Следует отметить, что электрические длины и волновые сопротивления распределительных фидеров, включенных симметрично в схему питания, должны быть соответственно равными.

Pиc.2

Параллельное включение распределительных фидеров приводит в итоге к уменьшению сопротивлений и появляется необходимость в их восстановлении. Чем больше антенн-элементов, тем больше распределительных фидеров и ощутимее уменьшение сопротивлений. Питание по схеме рис. 2, в выгодно отличается от двух предыдущих, так как в точках 1-1 подключения

основного фидера восстанавливается значение входного сопротивления, имеющееся на входе каждого отдельно взятого распределительного фидера. Действительно, распределительные фидеры 2, 3, 4 и 5 включены попарно параллельно, а сами пары в точках 1-1 подключаются к основному фидеру последовательно. При этом фазы напряжения, подводимые к точкам 1-1, сдвинуты относительно друг друга на 180°. Для правильной фазировки антенн нужно искусственно учесть этот фазовый сдвиг, переполюсовав в точках питания антенн 2, 3 по отношению к антеннам 4, 5. Одним из путей решения вопросов согласования является применение в качестве распределительных фидеров отрезков линий с волновым сопротивлением wрасп.фид. большим, , чем волновое сопротивление основного фидера w_{осн.фид.}.

Например, в схеме рис. 2,а удобно применить линии с w_{расп.фид.}=300 ом при w_{осн.фид.}=75 ом так как, будучи включенными параллельно, эти линии обеспечат в основном питающем фидере такое же значение КБВ, которое имеет место в каждом из распределительных фидеров.

Для сохранения аналогичного режима (рис. 2,б) необходимо, чтобы отрезки линий 0-3, 0-4, 0′-2 и 0′-5 имели w_{расп.фид.}=300 ом, а отрезки от точек 0 и 0′ до основного фидера — соответственно по 150 ом при w_{осн.фид.}=75 ом.

Как в первом, так и во втором случаях следует так подобрать антенны-элементы, чтобы их входное сопротивление в рабочем диапазоне частот обеспечивало в распределительных фидерах приемлемый КБВ.

Для согласования используют также и трансформаторы сопротивлений, в частности последовательно включенные отрезки линий. Места их включения в схемы питания показаны на рис. 2 жирными линиями.

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