Узгодження опорів та симетрування в антенно-фідерних трактах

За умови ідеального узгодження елементів антенно-фідерного тракту реактивна складова вхідного опору антени на робочій частоті відсутня чи скомпенсована, а активна складова опору антени, хвильовий опір фідера і вихідний опір передавача рівні між собою. У такому випадку реалізуються максимально можливі к.к.д. передавача і фідера. Втрати високочастотної енергії у фідері мінімальні і описуються залежностями (10.10) та (10.19), одержаними для режиму біжучої хвилі.

На практиці виконати зазначені умови узгодження можна тільки в окремих випадках. Однією з причин є те, що вхідний опір антени, в залежності від її конструкції, схеми живлення, розташування відносно навколишніх предметів, робочої частоти, може змінюватись на кілька порядків - від одиниць до тисяч ом.

Якщо вихідний опір передавача відрізняється від вхідного опору антени, то для їх узгодження можна використати трансформуючі властивості фідерних ліній. Для підбору потрібної довжини та хвильового опору фідера-трансформатора слід скористатись виразами (11.1), (11.7) чи (11.8). Такі лінії називаються налаштованими (настроєними). В налаштованій лінії встановлюється режим змішаних хвиль з КСХ > 1, що призводить до додаткових втрат високочастотної енергії (див. (10.18) та рис. 10.7). Тому для передачі енергії від передавача до антени з одночасним трансформуванням опорів можуть застосовуватись лінії з малим погонним згасанням, наприклад повітряні.

Екрановані лінії з твердим діелектриком, яким притаманний більший коефіцієнт згасання, теж можуть працювати в настроєному режимі зі стоячою хвилею, але тільки у вигляді коротких відрізків (як правило, добуток a l не повинен

 

перевищувати одиниці дБ). В цьому випадку втратами енергії в них можна знехтувати.

Якщо короткого відрізка не вистачає для з’єднання передавача з антеною, то він може застосовуватись як трансформатор для узгодження опору антени з хвильовим опором основного фідера, що працює в режимі біжучої хвилі.

Цікавими і важливими для практики є декілька окремих варіантів трансформуючих відрізків повітряних чи екранованих ліній, а саме: ліній з електричною довжиною l/2, l/4 та l/8.

Зміну фази хвилі при проходженні нею півхвильового відрізка фідерної лінії, виражену в радіанах, можна записати: k l =(2p/l)(l/2)=p. Після підстановки даного значення у вираз (11.1) отримаємо: Z_вх = Z_н. Така ж рівність отримується для відрізків лінії довжиною n(l/2), де n - ціле число. Можна сформулювати наступне правило: відрізок лінії довжиною n(l/2) з довільним хвильовим опором передає опір навантаження без будь-яких змін. Такий відрізок називається півхвильовим повторювачем опору.

Властивості півхвильового повторювача можна використати, наприклад, для дистанційного вимірювання вхідного опору антени (без розрахунків), якщо заживити її фідером з електричною довжиною n(l/2), де n – довільне ціле число. Півхвильові відрізки ліній використовують також для з’єднання випромінювачів в багатоелементних антенних системах і т. п.

Для варіанту чвертьхвильової фідерної лінії можна записати: k l =(2p/l)(l/4)=p/2; cos k l = 0; sin k l = 1. Після підстановки даних значень у вираз (11.7) отримаємо:

 

, . (12.1)

 

Тобто отримати узгоджене за опором з’єднання елементів антенно-фідерного тракту можна за допомогою відрізка лінії,

 

електрична довжина якого для робочої частоти становить n(l/4), де n – довільне непарне число, а хвильовий опір рівний середньому геометричному опорів, які узгоджуються (рис. 12.1).

 

 

 

Рис. 12.1

 

Розрахуємо для прикладу чвертьхвильовий відрізок коаксіального фідера, який ввімкнено між антеною з опором R_А = 110 Ом та довгим основним фідером з опором r_фід = 50 Ом для частоти ¦ = 150 МГц. Частоті ¦ = 150 МГц відповідає довжина хвилі у вакуумі l_о = 2 м. Якщо вибрати фідер з коефіцієнтом вкорочення k = 1,5, то довжина хвилі у фідері l = l_о / k = 1,33 м. Довжина чвертьхвильового узгоджуючого трансформатора l / 4 = 0,33 м, а його хвильовий опір повинен становити r_тр = (R_А × r_фід)^1/2 = (110 × 50)^1/2 = 75 Ом. Можна використати 33 см кабеля з суцільною поліетиленовою ізоляцією, наприклад типу РК-4-75-15. При цьому трансформатор буде працювати в режимі змішаних хвиль з КСХ>1, але додатковими втратами енергії в ньому, через малу довжину, можна знехтувати. Зате основний довгий фідер буде працювати в режимі біжучої хвилі з мінімально можливими для нього втратами.

Ще одним цікавим частковим випадком трансформатора опору є відрізок лінії з відносною електричною довжиною l / 8.

 

Для вказаної довжини відрізка: k l =(2p/l)(l/8)=p/4; cosp/4=sinp/4=0,707. Вираз (11.7) після відповідних підстановок набуде вигляду:

 

. (12.2)

 

Опір навантаження, що входить у (12.2), в загальному випадку має комплексний характер (Z_н = R_н + jX_н). Можна показати, що при r = (R_н² + X_н²)^1/2 уявна частина Z_вх дорівнюватиме нулю. Тоді повний вхідний опір виявиться суто дійсним і дорівнюватиме:

 

. (12.3)

 

Отже, лінія довжиною l/8 з хвильовим опором r = (R_н² + X_н²)^1/2 трасформує активну частину опору навантаження, а реактивну завжди перетворює в нуль.

Всі три розглянуті вище трансформатори на базі відрізків фідерних ліній забезпечують перетворення імпедансів у вузьких смугах частот, в межах яких вони мають відносну довжину, близьку до l/2, l/4 та l/8 відповідно.

Для узгодження опорів у широкій смузі частот застосовують експоненційні трансформатори. Такий трансформатор виконується у вигляді симетричної, коаксіальної чи хвилевідної лінії довжиною L, хвильовий опір якої плавно змінюється по довжині за експоненційним законом у діапазоні між значеннями опорів, що узгоджуються.

На рис. 12.2 показано спосіб послідовного з’єднання двох фідерів із хвильовими опорами r₁ та r₂ за допомогою експоненційного трансформатора. Якщо r₂ > r₁, то опір

 

 

Рис. 12.2

 

трансформатора на відстані x від його початку повинен становити:

. (12.4)

 

Параметр А визначається допустимим КБХ у фідері:

 

. (12.5)

 

Для кінця трансформатора (x = L) формула (12.4) набуває вигляду:

. (12.6)

 

Звідси довжина трансформатора повинна становити:

 

. (12.7)

 

Розрахунок експоненційного трансформатора ведуть для найнижчої частоти робочого діапазону. Спочатку визначається параметр А, потім довжина трансформатора L. Довжину трансформатора розбивають на декілька ділянок (5 ¸20) і для кожної визначають за формулою (12.4) хвильовий опір. За отриманими значеннями опору, вибравши попередньо діаметр провідників трансформатора, розраховують віддаль між провідниками для кожної ділянки з виразу (10.2). На останньому етапі розрахунку замінюють одержану сходинкову конструкцію двопровідною лінією з плавною зміною віддалі між провідниками.

Експоненційний трансформатор може використовуватись для узгодження за опором в широкому діапазоні частот інших елементів антенно-фідерної системи, наприклад антени з фідером. У такому випадку в наведених вище викладках r₁ та r₂ необхідно замінити на опори антени та фідера, враховуючи, який з них більший.

Взагалі кажучи, узгодження активних опорів антенно-фідерного тракту в широкій смузі частот можна здійснити за допомогою ідеального трансформатора. В теорії кіл під ідеальним розуміють трансформатор з обмотками без втрат, без розсіювання магнітного потоку, з незалежним від частоти коефіцієнтом трансформації. На практиці його реалізувати неможливо, проте для роботи в деякому діапазоні частот можна виготовити наближений еквівалент.

Тороїдальні трансформатори на високочастотних магнітодіелектричних осердях, переважно феритових, виконані за технологією ШТЛ (широкосмуговий трансформатор - лінія), ефективно працюють в діапазоні частот 1¸50 МГц і ширше.

На рис. 12.3 а, б показано два з багатьох можливих варіантів таких трансформаторів.

Перший варіант виконано обмотуванням феритового кільця одночасно трьома скрученими ізольованими провідниками, які утворюють трипровідну лінію. Після

 

 

 

Рис. 12.3

 

обмотування кінці провідників з’єднують між собою та з клемами трансформатора. На схемі показано спосіб з’єднання провідників для реалізації автотрансформатора, призначенням якого може бути узгодження симетричного фідера із симетричною антеною з підвищенням напруги у відношенні 1:3, що відповідає трансформації опору у відношенні 1:9. На нижніх частотах робочого діапазону передача енергії між обмотками здійснюється переважно через осердя, а на верхніх частотах, де ферит втрачає свої магнітні властивості, - за допомогою електромагнітного зв’язку між провідниками лінії.

 

Другий варіант трансформатора, намотаний двопровідною лінією, забезпечує не тільки трансформацію опору в чотири рази, а й симетрування, тобто узгодження несиметричного фідера із симетричною антеною.

Суть проблеми симетрування в антенно-фідерних трактах можна пояснити за допомогою рис. 12.4, на якому показано приєднання несиметричного фідера до симетричної антени.

 

 

 

Рис. 12.4

 

При безпосередньому приєднанні несиметричної лінії до симетричного вібратора сигналом створюється напруга не тільки між плечима вібратора, а й між правим плечем та екраном фідера. В правому плечі протікає додатковий гальванічний струм, який через струм зміщення замикається на зовнішню поверхню екрана фідера. Поява струму на зовнішній поверхні призводить до паразитного випромінювання фідера. Крім того,

 

порушення симетрії струму в половинах вібратора викликає спотворення діаграми напрямленості антени.

Для усунення вказаних негативних явищ симетричні антени можуть з’єднуватись з несиметричними фідерами через спеціальні пристрої, задачею яких є забезпечення електричної симетрії половин вібратора відносно фідера. За допомогою деяких симетруючих пристроїв одночасно можна й трансформувати опори складових частин антенно-фідерного тракту з метою їх узгодження.

Для прикладу на рис. 12.5 наведено схему резонансного симетруючого трансформатора на базі паралельного LC-контура. Резонансний трасформатор, на відміну від тороїдального ШТЛ-трасформатора, без перестроювання контура працює тільки у вузькій смузі частот.

 

 

 

 

Рис. 12.5

 

У діапазонах метрових та дециметрових хвиль паралельний LC-контур може бути замінений на еквівалент - короткозамкнену чвертьхвильову лінію (рис. 12.6). Така схема придатна для узгодження антени з високим вхідним опором, наприклад хвильового вібратора з симетричним фідером. Пересуваючи точки під’єднання фідера z₁, z₂ вздовж чвертьхвильової трансформуючої лінії, можна знайти опір, рівний хвильовому опору фідера.

 

 

 

Рис. 12.6

 

Несиметричний коаксіальний фідер можна з’єднати з узгодженою за опором симетричною антеною, наприклад півхвильовим вібратором, проклавши його через точку нульового потенціалу чвертьхвильової симетруючої лінії (рис. 12.7).

 

 

Рис. 12.7

 

Тут не використовуються трансформуючі властивості лінії. Зауважимо, що деякі антени, наприклад рамкові, самі мають точку нульового потенціалу, через яку можна прокласти несиметричний фідер, не порушивши симетрії антени.

Роботу інших типів симетруюче-узгоджуючих пристроїв варто розглядати разом із будовою та схемами живлення конкретних антен.