Коэффициент стоячей волны фидера

Поскольку радиолюбитель является разработчиком антенно-фидерных устройств (АФУ) своей радиостанции, он должен ясно представлять себе явления, происходящие в них. Важнейшим показателем, по которому с определенной степенью точности можно судить о фактической эффективности АФУ, является коэффициент стоячей волны (КСВ). Практически все коротковолновики знают, что при настройке АФУ следует стремиться к «заветной» единице и не выходить за некоторые граничные значения КСВ. Как указывалось в [1], для передачи высокочастотной энергии от передатчика к антенне используют фидерные линии (или просто фидеры). Радиолюбители, как правило, в качестве фидеров применяют коаксиальные линии, и реже — двухпроводные симметричные линии. Одиночные фидерные линии в настоящее время практически не применяются, т.к. они создают нежелательные потери при излучении и могут быть причиной помех устройствам, вблизи которых проходит такой фидер. Хотя 50. 70 лет назад среди радиолюбителей-коротковолновиков весьма популярной была Т-образная антенна под названием «американка», используемая при работе с передатчиком, имеющим несимметричный (однотактный) каскад, и питаемая одиночным фидером. Если длина фидера не превышает одной десятой рабочей длины волны (O.U), с небольшим приближением его можно считать простым соединительным проводом, не создающим каких бы то ни было специфических проблем при передаче энергии. Однако на практике не все радиолюбители живут на верхнем этаже многоэтажного дома или имеют возможность установить свой трансивер рядом с антенной в частном доме. Если на низкочастотных КВ-диапазонах (160 и 80 м) использование короткого фидера еще иногда возможно, то на остальных КВ-диапазонах (40. 10 м) такой возможности, как правило, нет. Таким образом, на практике длина фидера может составлять десятки метров, и такой длинный фидер (сравнимый с длиной волны) при определенных условиях (например, если КСВ в нем отличен от 1) «проявляет свой норов» и создает проблемы владельцу радиостанции. Однако КСВ=1, как правило — редкое явление. Характеристическое (или волновое) сопротивление коаксиального фидера обычно составляет 50 или 75 Ом (хотя отечественная промышленность производит и другие коаксиальные кабели, например, на 100 и 150 Ом, но на практике они применяются редко). Значение волнового сопротивления фидера, изготовленного в виде двухпроводной линии, лежит в пределах 200. 600 Ом. При этом необходимо отметить, что волновое сопротивление фидера Z целиком зависит от его геометрии и диэлектрической постоянной материала изоляции и выражается следующими формулами: — для двухпроводной линии:

где d — диаметр проводников линии, D — расстояние между проводниками; — для коаксиального кабеля:

где d -диаметр внутреннего проводника, мм, D — диаметр внешнего проводника (оплетки), мм, е — диэлектрическая постоянная материала изоляции между проводником и оплеткой (для полиэтилена е = 2,3). В первой части статьи [1] было показано, что «физическая» (т.е. измеряемая рулеткой) и «электрическая» (т.е. с учетом свойств кабеля при распространении в нем электромагнитной энергии) длины одного и того же отрезка коаксиального кабеля разные. Это значит, что отрезок такого кабеля длиной 4,1 м на частоте 24 МГц (длина волны l =300/f=12,5 м) ведет себя как полуволновой повторитель с электрической длиной 6,25 м. Для воздушного фидера «физическая» и «электрическая» длины совпадают. Далее рассмотрим (рис.1а) различные случаи, которые могут возникнуть в системе передатчик-фидер-нагрузка при различных видах и вариантах нагрузки. Представим схематично, что передатчик (источник сигнала e(t) с выходным сопротивлением R,.) через фидер с волновым сопротивлением Rф подключен к антенне, т.е. к нагрузке с полным комплексным сопротивлением (или иначе импедансом) Z„ или с сопротивлением R„ (если нагрузка чисто активная). Известно, что передача высокочастотной энергии по фидеру происходит вследствие распространения вдоль него электромагнитного поля, поэтому рассмотрим процессы, происходящие в кабеле при распространении простейшего импульсного сигнала. До момента времени t.i в линии нет никакого напряжения. Допустим теперь, что в момент времени t^ на входе линии в точках а и б произойдет скачкообразное появление постоянного напряжения Е (рис.16), которое далее остается неизменным. Т.к. сигнал не может мгновенно распространяться по проводам, то в момент времени t.i разность потенциалов между проводами линии (справа от входа) все еще равна нулю. Далее, разность потенциалов Е, возникшая в начале линии, начнет распространяться по ее проводам со скоростью примерно 200 000 км/с, или 200 м за 1 мкс (U., на рис.16). Эта прямая волна через некоторое время (в момент Ц ) достигнет конца линии (U^ на рис.1 в). Здесь возможны три характерных случая: — если сопротивление нагрузки очень велико, т.е. R^ -> °° (бесконечность), эта волна напряжения имеет единственный путь для дальнейшего распространения — повернуть обратно и пойти по тем же проводам (Uy на рис.1 г). При этом происходит удвоение потенциала между проводами, так как в прямом направлении линия продолжает питаться источником напряжения; — если линия короткозамкнута на конце (1)4 на рис.1д), т.е. Рц = 0, волна продолжает свое распространение в обратном направлении по тем же проводам, но «поменяв» их местами (ток одного провода продолжает свой путь по другому проводу, так как для этого есть короткозамкнутая перемычка). В этом случае произойдет нейтрализация разности потенциалов,так как полярности прямой и обратной волны противоположны; — имеется такое сопротивление R^ = R^rn (между RH = 0 и RH -> °°), при котором волна, дойдя до правого конца линии, поглощается нагрузкой и не возвращается назад (Ug на рис.1е), при этом разность потенциалов между проводами линии остается неизменной. Это сопротивление называют волновым или согласованным. Пусть в момент 1д на линию поступает синусоидальный сигнал Ugg (рис.1ж). Волна от этого фронта сигнала начнет распространяться по линии и через некоторое время окажется в точке b (UL на рис.1з) Левее этой точки распределение потенциалов в линии (по ее длине) соответствует течению входного процесса во времени (это соответствие показано стрелками на рис.1з). Когда волна дойдет до правого конца линии, то, в зависимости от характера нагрузки, также могут быть три случая: — если линия разомкнута, волна вернется обратно, взаимодействуя при этом с продолжающейся двигаться в право прямой волной. Эта обратная волна будет то складываться с прямой волной, то вычитаться из нее. В некоторых точках линии напряжение всегда будет равно нулю (узлы напряжения), а в некоторых точках амплитуда напряжения будет максимальна (пучность напряжения).

Рис. 1

Для разомкнутой линии (Umax1 на рис.1и) распределение амплитуд (а не мгновенное значение, как на рис.1з) таково, что на конце линии всегда пучность напряжения и узел тока, а для короткозамкнутой (Umax2 на рис.1к) на конце всегда узел напряжения и пучность тока (рис.1м). Это явление широко используется в УКВ-технике для создания колебательных систем на отрезках линий (рис.1л). На рис.1о. т показано такого рода соответствие для ряда отрезков замкнутых и разомкнутых линий. В случае разомкнутой линии на расстоянии четверти длины волны l /4 от конца разомкнутой линии всегда образуется узел напряжения (кривая Umax1)- Такая линия эквивалентна по своим свойствам последовательному колебательному контуру, сопротивление которого минимально при резонансе (фильтр-шунт). При этом на входе линии получается максимум тока и минимум напряжения. Разомкнутая линия длиной меньше четверти длины волны ( l l /4) имеет емкостное входное сопротивление, т.е. эквивалентна емкости, подсоединенной к входным зажимам. При l > l /4 входное сопротивление становится индуктивным, и при длине, равной l /2, разомкнутая линия эквивалентна параллельному колебательному контуру, имеющему максимальное сопротивление при резонансе (фильтр-пробка). В этом случае на входных клеммах наблюдается максимум напряжения и минимум тока. Для уменьшения размеров таких линий можно применить удлинительные емкости или индуктивности, подключение которых заменяет удаленные отрезки линии. — в случае короткозамкнутой линии той же длины, что и разомкнутая, картина меняется на обратную. То, что происходит на конце кабеля, который подключен к нагрузке, зависит от характера нагрузки. Если полное сопротивление нагрузки носит чисто активный характер (т.е. она не имеет индуктивной или емкостной составляющей) и по своему значению равно волновому сопротивлению фидера, никаких проблем не возникает Электромагнитная волна благополучно «пробежит» от передатчика к нагрузке, и перенесенная ею электромагнитная энергия вся целиком «уйдет» в нагрузку — рассеется в нагрузочном резисторе или излучится в эфир (если нагрузка — входное сопротивление антенны). Эту электромагнитную волну принято называть падающей. Если измерять распределение напряжения и тока вдоль фидера, окажется, что они имеют постоянные значения на всей его длине (рис.2г для случая Rн=Рф). Строго говоря, последнее справедливо лишь для фидера без потерь. Ситуация, когда нагрузка носит чисто активный характер и имеет такое же сопротивление, равное волновому сопротивлению фидера, на практике встречается крайне редко. Обычно имеет место несовпадение этих сопротивлений и/или наличие у нагрузки не только активной, но и реактивной составляющей. Причем, чаще всего наблюдается и рассогласование по активной нагрузке, и наличие реактивности. Мерой степени рассогласования фидера с нагрузкой служит коэффициент стоячей волны (КСВ). Если идеального согласования фидера с нагрузкой нет, то часть высокочастотной энергии не поступает в нагрузку (отражается от нее), и в фидере начинает распространяться электромагнитная волна в обратном направлении — к передатчику. Эту волну называют отраженной. Мощность, отраженная от несогласованной нагрузки, нигде ни теряется (за исключением потерь в фидере). Отраженная волна возвращается в источник колебаний (вычитается из падающей волны), и действие ее заключается в уменьшении мощности, потребляемой от источника колебаний. Не буду загружать читателя излишними расчетами, которые подробно описаны в [1], скажу только, что при КСВ = 3 нагрузка поглощает только 75% мощности падающей волны изза рассогласования передатчика с фидером. Необходимо подчеркнуть, что отраженная волна связана с падающей определенными соотношениями (для амплитуды и фазы), и обе они существуют в фидере одновременно (т.к. скорость их распространения очень высока). Это приводит к тому, что в фидере возникает стационарное (не меняющееся во времени) распределение тока и напряжения. На рис.2а. 2и показаны эти распределения при различных значениях чисто активной нагрузки (от короткого замыкания до холостого хода), а также если эта нагрузка носит чисто индуктивный или емкостной характер.

Рис. 2

При чисто реактивной нагрузке (индуктивной или емкостной) в линии устанавливается режим стоячей волны. Положение максимумов тока и напряжения зависит от индуктивного или емкостного сопротивления на конце фидера. В реальных схемах нагрузка (входное сопротивление антенны) часто бывает комплексной, те состоящей из последовательно соединенных активного и реактивного сопротивлений, но, как правило, реактивности обычно меньше активной составляющей, поэтому распределение тока и напряжения в линии приближается к распределению при активной нагрузке. При стоячих или смешанных волнах фидер по отношению к генератору имеет различное входное сопротивление. Поскольку эта картина стабильна во времени, говорят о стоячей волне. Она имеет период, равный половине длине волны ( l /2). Стоячая волна характеризуется коэффициентом стоячей волны, определяемым как отношение амплитуды напряжения в максимуме к его амплитуде в минимуме, или, что абсолютно то же самое — отношение амплитуды тока в максимуме к его амплитуде в минимуме. Из этого определения первое, что приходит на ум — это измерять КСВ, измерив распределение напряжения или тока в фидере, т.е. отыскать максимальное и минимальное значение этих параметров, и, разделив одно на другое, найти значение КСВ. Если максимальное напряжение в линии (в пучности) обозначить Umax, а минимальное — Umin, КСВ может быть рассчитан по следующим формулам:

где Imax и Imin — соответственно максимальный и минимальный ток в линии. Действительно, данный метод имеет право на существование и применяется для определения КСВ в лабораторных условиях на частотах свыше 100 МГц. Для этих целей используют воздушные коаксиальные измерительные линии, оснащенные измерительными зондами. На коротких волнах этот метод в настоящее время практически не используется, поскольку длина измерительной линии должна быть по крайне мере L/2 для самой низкой рабочей частоты, что на KB составляет десятки метров. Поэтому в КВ-технике, в том числе и в любительской, применяют более простой, мостовой метод измерения КСВ (или с помощью рефлектометра). Кстати, если сопротивление нагрузки носит чисто активный характер и точно измерено, КСВ можно рассчитать, разделив сопротивление нагрузки на волновое сопротивление кабеля или сопротивление кабеля на сопротивление нагрузки (в зависимости от того, какое из двух значений больше). Этот прием широко используют на практике для калибровки КСВ-метров, нагружая их обычными безындукционными резисторами (МЛТ, ВС). Если сопротивление нагрузки больше сопротивления линии Zн >Zл, KCB = Zн/Zл. Если же Zн

Коэффициент стоячей волны фидера

Прежде чем переходить к рассказу о том, как работают различные КСВ-метры, необходимо упомянуть о допустимых на практике значениях КСВ. Хотя существуют антенны, работающие с высоким значением КСВ в фидерной линии (иногда говорят — с «резонансным фидером»), принято считать, что приемлемым является КСВ, не превышающий двух. Эта рекомендация оправдана по нескольким причинам: — во-первых, отраженная от нагрузки волна уносит часть высокочастотной энергии, что может снизить КПД антенно-фидерного тракта. Используя специальное согласующее устройство (антенный тюнер), эту энергию в конце концов можно «загнать» в нагрузку практически при любом значении КСВ в фидере. Однако в этом случае на радиостанции появляется дополнительное устройство, достаточно сложное в изготовлении и эксплуатации (особенно в многодиапазонном варианте).

Более того, в реальных (с потерями) кабелях всю энергию в этом случае все равно не удается «загнать» в нагрузку. Часть ее, «бегая» по кабелю, будет в нем рассеиваться. И чем больше КСВ, тем большая часть энергии пойдет на «обогрев» кабеля. Сказанное иллюстрирует рис.3, на котором приведена зависимость мощности Р (нормирована на значение в максимуме), поступающей от генератора в нагрузку, при изменении отношения сопротивления нагрузки Rн к выходному сопротивлению генератора Rг.

Рис. 3 He следует забывать, что отношение этих сопротивлений и есть КСВ. Заметим, что человеческое ухо начинает различать разницу в уровнях сигнала где-то со значения в 3 дБ, и, следовательно, уменьшение излучаемой антенной мощности из-за того, что КСВ отличается от 1, в данном случае вряд ли будет зафиксировано корреспондентами. Достижение минимальных значений КСВ при наличии СУ свидетельствует о настройке АФУ на заданную частоту, но не характеризует эффективность передачи энергии к антенне. Для точного согласования всех элементов АФУ, содержащих СУ, в процессе настройки антенны необходимо одновременно измерять КСВ как до СУ, так и после него;

— во-вторых, длинные линии работают как трансформаторы импеданса («исказители» сопротивления), и импеданс, который «видит» передатчик и с которым надо согласовать его выходной каскад для оптимальной передачи мощности в нагрузку, в общем случае не совпадает с импедансом нагрузки на другом конце фидера. Вернее, совпадает он с ним только в одном частном случае — если электрическая длина фидера составляет целое число полуволн на рабочей частоте. Кроме того, даже при чисто активной нагрузке фидера передатчик, при КСВ, отличном от 1, практически всегда работает на нагрузку с реактивной составляющей. Это иллюстрирует рис.4, на котором представлены зависимости активной (R) и реактивной (X) составляющей нагрузки, «приведенные» ко входу передатчика, от длины фидера. Здесь R и Х нормированы (разделены) на волновое сопротивление кабеля. Эта зависимость построена для случая чисто активной нагрузки фидера, обеспечивающей КСВ=2 (в данном случае для сопротивления нагрузки, меньшего чем волновое сопротивление фидера, например, 25 Ом при волновом сопротивлении фидера 50 Ом). Длина фидера 1 дана в долях от длины волны (X). Длина фидерной линии, работающей в режиме бегущей волны, не оказывает влияния на работу АФУ и может быть произвольной.

Рис. 4

Анализируя график R = f(l) или Х=f(l), можно сказать, что при малых длинах фидера (до 0,1/ l ) фидер практически не изменяет активную составляющую нагрузки, а появляющаяся реактивная составляющая есть не что иное как собственная емкость кабеля, которая линейно растет с увеличением его длины. Когда длина кабеля «переваливает» за 0,1/ l , начинают проявляться трансформирующие свойства фидерной линии — изменяется активная составляющая, а ход реактивной составляющей перестает быть линейным. Особая точка графика — длина фидера, соответствующая четверти длины волны (0,25/ l ). Здесь активная составляющая достигает максимального значения (в данном случае — учетверенное сопротивление нагрузки), а реактивная составляющая отсутствует. Это так называемый четвертьволновой трансформатор, широко применяемый в антенной технике. При еще больших значениях длины фидера, помимо изменения активной составляющей, происходит еще и смена типа реактивности «приведенной» нагрузки — она приобретает индуктивный характер. Далее эта картина повторяется с периодом l /2. Нетрудно видеть, что входное сопротивление линии длиной l /2, не имеющей потерь, равно сопротивлению, включенному на конце. Причем это справедливо не только для случая, когда полуволновой отрезок на конце замкнут или разомкнут, но и для любого сопротивления нагрузки. Вот почему часто употребляется выражение «полуволновой повторитель», для которого Zвх=Zнаг (это условие выполняется при любом значении волнового сопротивления фидера). При этом несложно наблюдать, что четвертьволновой отрезок обладает свойством трансформировать сопротивления. Например, если Zвх>Zл, входное сопротивление на входных зажимах фидера равно Zвх=Z2л/Zн. Отсюда легко находится сопротивление четвертьволнового отрезка кабеля Zл=Sqr(Zвх•Zн), необходимого для согласования заданных сопротивлений Zвх и Zн. Трансформирующим свойством обладают и отрезки, длиной, кратной нечетному числу четвертей волны — 3/4 l , 5/4 l , 7/4 l и т.д. Это можно представить себе как включенные последовательно в цепь четвертьволновой трансформатор и один или несколько полуволновых повторителей. Такими же трансформирующими свойствами обладают и отрезки фидерной линии, в которой укладывается целое число полуволн.

Так вот, практика показывает, что подобные изменения характера «приведенной» нагрузки в большинстве случаев еще можно скомпенсировать подстройкой элементов выходного П-контура передатчика с узкополосными выходными каскадами (обычно это ламповые), и обеспечить оптимальное их согласование с фидером, регулируя связь передатчика с линией (а также скомпенсировав возможную реактивную часть входного сопротивления линии) таким образом, чтобы нагрузка по-прежнему поглощала всю выходную мощность, как при КСВ=1;

— в-третьих, при КСВ не более двух, напряжение в максимуме стоячей волны всего лишь на 30% превышает то, что мы наблюдаем при КСВ=1. Такое превышение, как правило, не опасно для широкополосных транзисторных усилителей мощности, даже если этот максимум напряжения на данной частоте и при данной длине фидера окажется непосредственно в месте подключения фидера. Да и возрастание напряжения на элементах выходного каскада из-за его недогрузки не будет еще катастрофическим. Во всяком случае, для аппаратуры заводского изготовления с транзисторными выходными каскадами КСВ=2 устанавливается предельным, при котором гарантируется ее работоспособность.

И, наконец, в-четвертых. Повышение (по сравнению со случаем, когда КСВ=1) значений напряжения и тока в соответствующих максимумах стоячей волны при определенных выходных мощностях (тех, что реально «прокачивают» некоторые коротковолновики) могут просто повредить кабель.

Для примера приведем такой типичный случай из радиолюбительской практики. Усилитель мощности трансивера был подключен к антенне (диполю или разомкнутому треугольнику на 160 м) коаксиальным кабелем РК-75 длиной 30 м, но возникла проблема — антенна упорно «не строилась» в резонанс, несмотря на всевозможные манипуляции с выходным П-контуром передатчика. Кроме того, возникали помехи приему телевидения, падали выходная мощность и реальная чувствительность приемной части трансивера. Кабель случайной длины трансформировал сопротивление антенны и на своем конце, в точке подключения к трансиверу Входное сопротивление антенны составляло около 12. 15 Ом. С целью проверки и устранения вышеуказанных недостатков был произведен расчет, который показал, что для диапазона 160 м электрическая полуволна кабеля должна быть 52 м (для диапазона 80 м — 27 м). В этом случае указанный кусок кабеля «переносит» сопротивление нагрузки ко входу усилителя мощности без искажений. Однако применение коаксиального кабеля такой длины не совсем удобно из-за высокой стоимости (около 8 USD) и потерь мощности в режиме передачи и чувствительности в режиме приема.

Поэтому было принято решение разбить необходимую длину кабеля на два куска по 26 м, а затем вторую его часть (длиною в четверть волны — 1/4 l ) заменить его эквивалентом (рис.5). Расчеты элементов П-контура показали, что Хс1=Хс2=Хl=80 Ом, где Хc и Хl — соответственно реактивное сопротивление конденсаторов и катушки индуктивности на рабочей частоте.

Рис. 5

Катушка эквивалента П-контура была намотана посеребренным проводом диаметром 0,8 мм на оправке. Монтаж — навесной на пластине из стеклотекстолита, печатный проводники изготовлены металлическим резцом. Конденсаторы должны быть подобраны на напряжение не менее 250 В. После выполненной замены антенна заработала как следует, и вышеперечисленные недостатки устранились. Как видите, этот случай лишний раз убеждает читателя, что если применяемый фидер имеет случайную длину, он работает как трансформатор импеданса.

В зарубежных изданиях по профессиональной и любительской радиосвязи, а также в отечественной радиолюбительской литературе степень рассогласования фидера и нагрузки характеризует КСВ. Однако так уж исторически сложилось, что в отечественной профессиональной и полупрофессиональной литературе по антенно-фидерным устройствам используют термин «коэффициент бегущей волны» (КБВ), связанный с КСВ простым соотношением:

Так, например, если КСВ=0,5, то КБВ=1/0,5 = 2.

Часто, имея согласованную антенну, при использовании антенного тюнера или согласующего устройства радиолюбителю удается добиться прибавки силы сигнала в точке приема. Такая прибавка достигается за счет точного согласования выходного каскада трансивера (передатчика с антенной системой), что эквивалентно увеличению мощности устройства. Использование различного рода согласующих устройств оправдано еще тем, что большинство современных трансиверов, а также усилителей мощности предназначено для работы на низкоомную нагрузку 50 (75) Ом. Известно, что любая антенна имеет резонанс на какой-либо одной частоте, например, в середине любительского диапазона. На краях же этого диапазона КСВ отличается от значения в середине диапазона и имеет порой высокие значения, что понижает эффективность работы выходного каскада передающего устройства. Это особенно заметно в транзисторных схемах, где рассогласование выходного каскада с антенной системой и отсутствие эффективной системы ALC (устройства, понижающего мощность передатчика при появлении высокого значения КСВ) может стать причиной выхода из строя транзисторов выходного каскада. С помощью согласующего устройства антенная система становится резонансной на любой частоте любительского диапазона, а выходной каскад постоянно работает на согласованную низкоомную нагрузку. Нередко можно услышать ошибочное мнение, что добившись с помощью согласующего устройства (антенного тюнера) КСВ=1, решаются все задачи, связанные с передачей энергии высокочастотных колебаний в антенну. Однако это мнение ошибочно. Приведем два примера.

Предположим, что имеем полуволновой диполь на 80-метровый диапазон. В зависимости от высоты подвеса антенны над землей и толщины полотна, входное сопротивление такой антенны может быть в пределах 30. 75 Ом. Допустим, что в фидере имеем КСВ=2. Дополним антенную систему антенным тюнером, с помощью которого добьемся КСВ=1. Как видно из рис.6, между передатчиком (трансивером) и антенным тюнером КСВ=1, однако в самой антенной системе КСВ по-прежнему остается равным 2. Тем самым с помощью тюнера достигнута главная задача — выходной каскад передатчика работает на согласованную нагрузку и отдает полную мощность, что особенно важно при высоких значениях КСВ в антенной системе. Что касается потерь ВЧ-энергии в антенной системе, то при значении КСВ=2 они незначительны. На 40-метровом любительском диапазоне те же размеры антенны будут соответствовать одной длине волны, а входное сопротивление составит 4 кОм (рис.6, значения в скобках).

Рис. 6 Антенным тюнером добиваемся КСВ=1 между передатчиком и антенным тюнером в самой антенной системе:

что является очень большим значением КСВ. Здесь Zн — волновое сопротивление нагрузки; Zл — волновое сопротивление линии.

С ростом КСВ растут и потери в фидере (тепловые и диэлектрические), поэтому коаксиальная линия с КСВ=53 является линией с очень низким КПД. Аналогичная картина будет наблюдаться и на диапазоне 20 м, где КСВ=57. Увеличение диаметра кабеля частично снижает потери, но все равно это не выход — при высоких значениях КСВ потери в линии очень велики. Компромиссным вариантом является применение открытой линии передачи, т.е. симметричного фидера сопротивлением 200. 600 Ом (рис.7). Такой фидер даже при большом КСВ в линии имеет достаточно высокие показатели — минимальные потери, высокий КПД, что особенно важно при использовании одной и той же антенны на различных любительских диапазонах. Наиболее популярен симметричный фидер с волновым сопротивлением 400 Ом, хотя с успехом могут быть применены фидеры и с сопротивлением 200. 600 Ом. Для изготовления такой линии требуется два отрезка медного провода диаметром 2 мм.

Рис.7

По всей длине между проводами устанавливаются распорки-изоляторы длиной 50..150 мм, изготовленные из стеклотекстолита, оргстекла, фторопласта или другого диэлектрика. Расстояние между ними должно составлять приблизительно 30. 40 см. Более точно волновое сопротивление воздушного симметричного фидера можно определить по формуле:

где Zл — сопротивление фидера; S — расстояние между центрами проводников;

d — внешний диаметр провода, из которого изготовлен фидер.

Омические потери в фидере пропорциональны квадрату амплитуды величины тока, а диэлектрические — квадрату амплитуды напряжения, увеличение потерь в «пучностях» не компенсируется их уменьшением в «узлах», и наличие стоячих волн приводит к снижению КПД фидерной линии.

Из графика зависимости КПД фидеров от их длины (рис.8) видно, что потери в линии уменьшаются с увеличением толщины фидера, его волнового сопротивления и длины волны.

Рис. 8

Это объясняется тем, что на коротких волнах у коаксиальных кабелей и двухпроводной симметричной линии с распорками из диэлектрика (полистирол, фторопласт, стеклотекстолит) практически отсутствуют потери. А омические потери уменьшаются с уменьшением сопротивления проводников (оно снижается с увеличением их толщины из-за уменьшения скин-эффекта) и с ростом волнового сопротивления фидера, что объясняется уменьшением тока, необходимого для передачи определенной мощности. У фидера, условно не имеющего потерь (двухпроводная линия или толстый кабель РК50-44-17 и т.д.) при КСВ = 1, КПД близок к 100% при любом значении КСВ (верхняя кривая на рис.8). Но такой фидер практически невозможно реализовать.

Наиболее доступные коаксиальные кабели диаметром 4. 5 мм, часто применяемые радиолюбителями, имеют затухание 0,06 дБ/м на наиболее высокочастотном радиолюбительском диапазоне 28 МГц, на других КВ-диапазонах оно будет, естественно, меньше. Так, на частоте 3,5 МГц потери в 3 раза меньше, чем на частоте 28 МГц. Увеличение диаметра кабеля снижает потери в нем. Для примера приведем величины затухания в коаксиальных кабелях диаметром 4. 10 мм, наиболее ходовых в радиолюбительской среде. Кусок такого кабеля длиной 25.. .30 м при КСВ=1 имеет затухание 1.. .2 дБ на частоте 28 МГц. Если КСВ=2, потери в таком кабеле возрастут на 0,2. 0,3 дБ; при КСВ=3 они уже возрастут на 0,5. 0,8 дБ. Это лишний раз подтверждает приемлемость

КСВ величиной до 2. Воздушные линии передачи или толстые коаксиальные кабели имеют незначительное затухание, которое на порядок меньше, чем в обычных коаксиальных фидерах — 0,03 дБ/м на частоте 28 МГц.

Например, коаксиальный кабель РК-75-4-75 длиной 40 м на диапазоне 15 метров при КСВ =4 имеет КПД 50%, а двухпроводная линия при КСВ=10 — 92% (рис.9).

Рис. 9

Из этого примера видно, что высокое значение КСВ в некоторых случаях не играет определяющей роли при использовании высококачественных кабелей. Для фидеров на основе воздушной линии или «мощных» коаксиальных кабелей типа РК100-33-17, РК50-44-17 и т.д. максимально разрешенная мощность на КВ-диапазонах может быть передана практически при любом реально возможном значении КСВ.

1. В.Башкатов. Просто об антеннах — Радиомир. KB и УКВ,2001, N8.
2. С.Г.Бунин, Л.П.Яйленко. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. — Киев: Техника, 1984.
3. Я.С.Лаповок. Я строю KB радиостанцию. — М.: Патриот, 1992.
4. Б.Г. Степанов, Я.С.Лаповок, Г.Б. Ляпин. — Любительская радиосвязь на КВ.
5. KB журнал. 1992, NN2-3.