Согласование антенны длинный провод с кабелем 50
Согласование импедансов антенны и кабеля.
1. Согласование сопротивлений, не содержащих реактивную составляющую.
Эта статья посвящена тому, как рассчитать элементы согласования нагрузки(антенны) с кабелем.
Существует множество программ для этой цели, но как быть если ваш компьютер сломался, или программа запорчена, а вам надо рассчитать согласование? Вот для этого случая и надо знать методику расчета. Методика не сложная, поэтому освоить ее — под силу каждому. Расчет элементов согласования — это конечная цель измерений импеданса антенны, нагрузки кабеля.
Ранее уже рассматривался вопрос важности согласования импеданса нагрузки и волнового сопротивления коаксиального кабеля, при помощи которого производится питание антенны. Я не буду описывать теорему, доказывающую, что максимальный сигнал с генератора, у которого внутреннее сопротивление равно R, можно получить только в том случае, если сопротивление нагрузки этого генератора, будет точно равно сопротивлению генератора R.
В нашем случае, кабель(источник)с известным волновым сопротивлением, будем замещать источником сигнала, последовательно с которым включено сопротивление, равное волновому сопротивлению кабеля. Нагрузку(импеданс антенны), будем изображать резистором с последовательно включенным конденсатором, или индуктивностью. Задача будет состоять в том, как согласовать между собой эти два, в большинстве случаев, различных сопротивления.
В качестве примера, на Рис.1 приведена эквивалентная схема, на которой изображен кабель 50 Ом, питающий антенну, которая имеет импеданс 100 Ом.
Мы видим, что нагрузка в 100 Ом, не будет согласована с кабелем 50 Ом, в результате чего, в кабеле возникнут нежелательные стоячие волны, КСВ будет 100/50 = 2 и как следствие, потери передаваемой мощности, примерно 10%. Требуется рассчитать элементы согласования нагрузки с кабелем.
Для расчета, достаточно владеть основными навыками в алгебре.
Необходимо запомнить следующее правило:
При согласовании двух сопротивлений, элемент с большим сопротивлением, всегда будет трансформирован(преобразован) в элемент с меньшим сопротивлением, путем параллельного подключения к нему емкости.
Если мы имеем кабель 50 Ом и нагрузку 100 Ом, то нагрузка 100 Ом будет преобразована в сопротивление 50 Ом, путем подключения к ней параллельного конденсатора.
Иными словами, сопротивление можно только понизить, т.е привести к наименьшему из двух в данной цепи. В этом случае, всегда параллельно большему сопротивлению, будет включен конденсатор. Запомним это правило.
А теперь собственно сам расчет. Для лучшего усвоения, рассмотрим сначала более простую ситуацию, когда нагрузка не содержит реактивной составляющей, и согласовать надо только два чисто активных сопротивления(Рис.1)
Расчет состоит из пяти несложных шагов:
1. Рассчитаем коэффициент Q
Q = SQRT[(100/50)-1] = 1
2. Далее рассчитаем значение реактивности индуктивно(последовательной) ветви
ХL = Q x R1 = 1 х 50 = j50 Ом
3.Рассчитаем значение реактивности емкостной(параллельной) ветви
Хc = R2/Q = 100/1 = -j100 Ом
Знак минус – не результат вычислений, а для того, чтобы показать, что это емкостной реактанс.
Выберем рабочую частоту. Предположим, что мы согласуем два сопротивления для частоты 7 МГц( 7х10 6 Гц)
Тогда, зная значение индуктивной ветви, легко рассчитать саму индуктивность для заданной частоты
L = j50/(6.28 х 7х106) = 1.13мкГн
С = 1/(6.28 х 7х106 х j100)= 227пФ
Знаки реактивности здесь не учитываются.
Теперь вспомним из раздела ,,Основы работы антенн,, что катушка и конденсатор имеют противоположные знаки реактивности. Если мы включим последовательно катушку и емкость, у которых реактивности равны по модулю на определенной частоте, т.е без учета их знаков, то в результате цепь не будет содержать никакого сопротивления. Наступит последовательный резонанс, резко возрастет ток в этой цепи, т.к. суммарное сопротивление на заданной частоте будет равно нулю.
Далее, для того чтобы понять ход рассуждений, я сделаю небольшое отступление в теорию. Обратимся к Рис.2, на котором показана схема из двух эквивалентных сопротивлений. 
Если к резистору R2=100 Ом, параллельно подключить емкость C1= -j100, то эту схему можно полностью заменить эквивалентной схемой, у которой последовательно с резистором R3=50 Ом включена емкость C2= -j50. Иными словами, импеданс обеих схем, относительно точек А и В, будет абсолютно одинаковым. Это называется переводом параллельного импеданса в последовательный. Эту замену, можно производить с помощью программы tlcalc1.zip. Во втором разделе этой программы, можно переводить последовательный импеданс в параллельный и наоборот.
Далее, если мы теперь в схеме на Рис.1, заменим нагрузку R2=100 Ом на параллельно включенные R2 и C1 из рисунка 2(слева), а затем заменим на эквивалентную схему R3 и C2, показанную на Рис.2( справа), то получим схему,
показанную на Рис.3.
В этой схеме мы замечаем, что имеем два одинаковых сопротивления R1 и R3, равные 50 Ом, и одну емкостную реактивность C2 -j50. Для ее компенсации, мы введем в схему индуктивную реактивность равную по значению С2. Поскольку, как мы уже знаем, катушка полностью нейтрализует емкость, т.к. имеет противоположный знак реактивного сопротивления. НаРис.4, у нас получилась согласованная схема, в которой остаются всего два равных резистора 50 Ом. Реактивности L1 и C2 взаимно уничтожаются, о чем уже говорилось выше.
Теперь осталось пройти последний шаг. Поскольку мы заменяли сопротивление R2=100 Ом и параллельно включенный ему конденсатор C1=-j100(Рис.2, слева) на последовательный эквивалент R3 и C2(Рис.2 справа), возвратимся к исходной нагрузке, поскольку, исходное сопротивление нагрузки равно 100 Ом. Полученная схема показана на Рис.5.
Окончательная схема согласования приводится на Рис.6, и обведена пунктиром. Итак, мы имеем нагрузку 100 Ом, и два согласующих элемента С1 и L1.
В расчете, который мы произвели выше, мы определили значения емкости и индуктивности для частоты 7 Мгц. Подставляем эти значения в схему.
Обратите внимание, что параллельный конденсатор в схеме оказался у того конца, на котором большее сопротивление.
Отступление мною делалось для того, чтобы читатель понял, почему в конечной схеме появляется индуктивность.
Рассмотрим для практики еще один пример:
Кабель 75 Ом питает антенну(нагрузку) 25 Ом(Рис.7) В этом случае, нагрузка R2 меньше сопротивления кабеля R1.
Источник
Согласование антенн и согласующие устройства
В любительской практике крайне редко используются антенны, входное сопротивление которых равно волновому сопротивлению фидера, и в свою очередь, выходному сопротивлению передатчика (идеальный вариант согласования). Чаще всего такого соответствия нет и приходится применять специальные согласующие устройства. Антенну, фидер и выход передатчика следует рассматривать как единую систему, в которой передача энергии должна осуществляться без потерь.
Реализация этой непростой задачи потребует согласования в двух местах: в точке соединения антенны с фидером и фидера с выходом передатчика. Наиболее популярны различного рода трансформирующие устройства: от резонансных колебательных контуров до коаксиальных трансформаторов в виде отрезков коаксиального кабеля требуемой длины. Все они нужны для согласования сопротивлений, что в конечном итоге и приводит к минимизации потерь в линии передачи. И, самое главное, к снижению внеполосных излучений.
Как правило, стандартное выходное сопротивление современных широкополосных передатчиков (трансиверов) 500м. Большинство применяемых в качестве фидера коаксиальных кабелей также имеют стандартную величину волнового сопротивления 50 или 750м. Антенны в зависимости от типа и конструкции могут иметь входное сопротивление в очень широком интервале величин: от нескольких Ом до сотен Ом и больше.
Известно, что входное сопротивление одноэлементных антенн на резонансной частоте носит практически активный характер. И чем больше частота передатчика отличается от резонансной* частоты антенны в ту или другую сторону, тем больше во входном сопротивлении антенны появляется реактивная составляющая емкостного или индуктивного характера. В многоэлементных антеннах входное сопротивление на резонансной частоте имеет комплексный характер, так как свою лепту в образование реактивной составляющей вносят пассивные элементы.
В том случае, когда входное сопротивление антенны имеет чисто активный характер, согласовать его с сопротивлением фидера несложно с помощью любого из подходящих трансформирующих устройств. При этом потери совсем незначительны. Но, как только во входном сопротивлении образуется реактивная составляющая, то согласование усложняется, и требуется более сложное согласующее устройство, способное скомпенсировать нежелательную реактивность. И это устройство должно находиться в точке питания антенны. Не скомпенсированная реактивность ухудшает КСВ в фидере и увеличивает потери.
Попытка полной компенсации реактивности на нижнем конце фидера (у передатчика) безуспешна, так как ограничена параметрами самого фидера. Перестройка частоты передатчика в пределах узких участков любительских диапазонов не приводит к появлению значительной реактивной составляющей, поэтому в большинстве случаев нет необходимости компенсировать реактивность. Правильно спроектированные многоэлементные антенны также не имеют большой реактивной составляющей входного сопротивления, и обычно ее компенсации не требуется.
В эфире часто возникают споры о роли и назначении антенного согласующего устройства (антенного тюнера) при согласовании передатчика с антенной. Одни возлагают на него большие надежды, другие считают его ненужной игрушкой. Чем же на самом деле (на практике) может и чем не может помочь антенный тюнер?
В первую очередь тюнер — это высокочастотный трансформатор сопротивлений, способный при необходимости скомпенсировать реактивность емкостного или индуктивного характера.
Рассмотрим простой пример:
Разрезной вибратор (диполь), имеющий на резонансной частоте входное сопротивление активного характера около 700м, соединен 75-омным коаксиальным кабелем (фидером) с передатчиком, выходное сопротивление которого 500м. Тюнер установлен на выходе передатчика и в данном случае выполняет роль согласующего узла между фидером и передатчиком, с чем он легко справляется.
Если передатчик перестроить на частоту отличную от резонансной частоты антенны, то во входном сопротивлении антенны возникнет реактивность, которая тут же проявится на нижнем конце фидера. Тюнер также способен ее скомпенсировать, и передатчик опять будет согласован с фидером антенны.
Что будет на выходе фидера, в точке его соединения с антенной?
Используя тюнер только на выходе передатчика, полную компенсацию обеспечить не удастся, и в фидере возникнут потери из-за неточного согласования с антенной. В этом случае понадобится еще один тюнер, который придется подключить между фидером и антенной, тогда он исправит положение и скомпенсирует реактивность. В зтом примере фидер выполняет роль согласованной линии передачи произвольной длины.
Еще один пример:
Рамочную антенну, имеющую входное сопротивление активного характера приблизительно 1100м, необходимо согласовать с 50-омной линией передачи. Выход передатчика 500м. Здесь потребуется согласующее устройство, установленное в точке подключения фиДера к антенне. Обычно многие любители используют ВЧ трансформаторы разных типов с ферритовыми сердечниками, но удобнее изготовить четвертьволновый коаксиальный трансформатор из 75-омного кабеля.
Длина отрезка кабеля А/4 х 0.66, где
Я — длина волны,
0.66 — коэффициент укорочения для большинства известных коаксиальных кабелей.
Коаксиальный трансформатор включается между входом антенны и 50-омным фидером.
Если его свернуть в бухту диаметром 15…20см, то он будет выполнять и функцию симметрирующего устройства. Фидер с передатчиком согласуется автоматически, при равенстве их сопротивлений. В этом случае от услуг антенного тюнера можно вообще отказаться.
Для данного примера возможен еще один способ согласования:
При помощи полуволнового или кратного половине волны коаксиального кабеля вообще с любым волновым сопротивлением (также с учетом коэффициента укорочения). Он включается между антенной и тюнером, находящимся возле передатчика. Входное сопротивление антенны около 110Ом переносится к нижнему концу кабеля и с помощью тюнера трансформируется в сопротивление 500м. В этом случае имеет место полное согласование антенны с передатчиком, а фидер выполняет функцию повторителя.
В более сложных случаях, когда входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению фидера, а сопротивление фидера не соответствует выходному сопротивлению передатчика, необходимы два согласующих устройства. Одно вверху для согласования антенны с фидером, другое внизу — для согласования фидера с передатчиком. И обойтись только одним антенным фидером для согласования всей цепи: антенна — фидер — передатчик не представляется возможным.
Наличие реактивности еще больше осложняет ситуацию. Антенный тюнер в этом случае значительно улучшит согласование передатчика с фидером, облегчив тем самым работу оконечного каскада, но не более того. Из-за рассогласования фидера с антенной будут иметь место потери, и эффективность работы самой антенны будет пониженной. Включенный КСВ-метр между передатчиком и тюнером зафиксирует КСВ=1, а между тюнером и фидером этого не произойдет по причине рассогласоаания фидера с антенной.
Напрашивается вполне справедливый вывод: тюнер полезен тем, что поддерживает нормальный режим передатчика при работе на несогласованную нагрузку, но при этом не способен улучшить эффективность работы антенны при ее рассогласовании с фидером.
П-контур, используемый в выходном каскаде передатчика, также может выполнять роль антенного тюнера, но при условии оперативного изменения индуктивности и обеих емкостей.
Как правило, антенные тюнеры и ручные и автоматические — это резонансные контурные перестраиваемые устройства. Ручные имеют два- три регулирующих элемента и не оперативны в работе. Автоматические — дороги, а для работы на больших мощностях — очень дороги.
Давайте рассмотрим довольно простое широкополосное согласующее устройство (тюнер) на рис 1, удовлетворяющее большинству вариаций при согласовании передатчика с антенной. :
Он очень эффективен при работе с антеннами (рамки, диполи), используемыми на гармониках, когда фидер является полуволновым повторителем. В данном случае входное сопротивление антенны на разных диапазонах различно, но с помощью согласующего устройства легко согласуется с передатчиком. Предлагаемый тюнер может работать при мощностях передатчика до 1,5кВт в полосе частот от 1.5 до 30МГц.
Основные элементы тюнера — ВЧ автотрансформатор на феррито- вом кольце от отклоняющей системы телевизора УНТ-35 и переключатель на 17 положений. Возможно применение конусных колец от телевизоров УНТ-47/59 или других.
Обмотка содержит 12 витков, намотанных в два провода. Начало одной обмотки соединяется с концом другой. В таблице и на схеме нумерация витков сквозная. Сам провод — многожильный во фторопластовой изоляции. Диаметр провода 2,5мм по изоляции. Отводы сделаны от каждого витка, начиная с восьмого от заземленного конца.
Переключатель — керамический, галетного типа на 17 положений.
Автотрансформатор располагается максимально близко к переключателю, а соединительные проводники между ними должны быть минимальной длины. Возможно применение переключателя на 11 положений при сохранении конструкции трансформатора с меньшим количеством отводов, например, с 10 по 20 виток. Но в этом случае уменьшится и интервал трансформации сопротивлений.
Зная входное сопротивление антенны, можно воспользоваться таким трансформатором для согласовании антенны с фидером 50 или 750м, сделав только необходимые отводы. В этом случае он помещается во влагонепроницаемую коробку, заливается парафином и устанавливается в точке питания антенны.
Также это согласующее устройство может быть выполнено как самостоятельная конструкция или входить в состав антенно-коммутационного блока радиостанции.
Для наглядности метка на ручке переключателя (на лицевой панели) указывает на величину сопротивления, соответствующую данному положению. Для компенсации реактивной составляющей индуктивного характера возможно подключение переменного конденсатора С1, рис.2.
Зависимость сопротивления от количества витков приводится в таблице 1. Расчет производился исходя из соотношения сопротивлений, которое находится в квадратичной зависимости от количества витков.
Таблица 1. 
Источник
