Радиоантенны 
Коэффициент стоячей волны (КСВ) — это один из самых сложных терминов в любительском радио. Хотя в книгах по антеннам и передаче сигналов обычно объясняют, что это такое, многие люди всё равно путаются. Большинство радиолюбителей думают, что если у них есть прибор для измерения КСВ и он показывает низкие значения, то всё в порядке.
Но это не так. Давайте разберёмся, что такое КСВ на самом деле.
Во-первых, КСВ — это не характеристика антенны сама по себе. Это показатель того, насколько хорошо согласована вся система, которая состоит из антенны и кабеля, соединяющего её с трансивером. В эту систему могут входить также дополнительные устройства, такие как трансформаторы, устройства для выравнивания сигнала и блоки настройки антенны.
КСВ показывает, насколько хорошо сигнал передаётся от антенны к трансиверу и обратно. Если КСВ высокий, это означает, что сигнал отражается от антенны и возвращается обратно. Это может привести к снижению мощности сигнала и даже к поломке оборудования. Поэтому важно следить за значением КСВ и при необходимости корректировать его.
Когда сигнал, который передаётся от передатчика к антенне, сталкивается с препятствием, часть энергии отражается обратно к передатчику. Это происходит, когда сопротивление на пути сигнала отличается от сопротивления линии передачи.
Когда две волны одинаковой частоты движутся в противоположных направлениях по одной линии, они создают интерференцию, похожую на волны на воде, которые сталкиваются друг с другом и создают стоячие волны. Это явление и называется стоячей волной.
В идеальных условиях мы бы использовали кабель с сопротивлением 50 Ом, чтобы соединить антенну с таким же сопротивлением с передатчиком, который тоже имеет сопротивление 50 Ом. В этом случае всё будет работать идеально, и если на экране кабеля нет лишних токов, всё должно быть в порядке. Поскольку все части системы согласованы, потери сигнала минимальны. Передатчик может работать эффективно, и почти вся его мощность передаётся на антенну и излучается.
Для количественной оценки величины отражения нас интересует амплитуда максимумов и минимумов напряжения или тока. КСВ определяется как отношение максимума напряжения или тока к минимуму напряжения или тока вдоль линии передачи следующим образом:
КСВ можно измерить с помощью датчика тока или напряжения, перемещая его по линии передачи, сравнивая максимум с минимумом. КСВ всегда больше или равен единице. Если нет отражений, то вдоль линии нет стоячей волны, а значения напряжения или тока, измеренные во всех точках по линии передачи, равны. В этом случае соответствие импеданса идеальное, а КСВ равняется единице.
Самый удобный метод измерения КСВ — использование рефлектометра. Этот прибор состоит из двух измерителей мощности, один из которых измеряет падающую мощность, а другой — отражённую. Направленность детектора мощности возможна, поскольку напряжение и ток падающей волны находятся в фазе, а отражённая волна сдвинута по фазе на 180o.
Что такое КСВ на самом деле? КСВ — это один из способов зарегистрировать несоответствие между предельной нагрузкой и характеристическим сопротивлением линии передачи. КСВ — это мера того, какие условия существуют на линии передачи. Эти условия существуют по всей линии передачи с небольшим допуском на некоторые потери в линии. КСВ не является мерой того, насколько хорошо работает антенна.
Низкие или высокие значения могут быть у антенн с идентичными диаграммами направленности в дальней зоне, работающих с практически одинаковой эффективностью. Например: полуволновой диполь с резонансным сопротивлением 75 Ом, питаемый либо коаксиальным кабелем с 50-омной, либо 450-омной лестничной линией, будет иметь разный КСВ вдоль линии передачи; соответственно 1,5 для 50-омной коаксиальной линии и 6 для лестничной линии. Но производительность обоих диполей будет практически одинаковой, если обе антенные системы правильно согласованы с 50-омным выходным сопротивлением трансивера.
Здесь надо прояснить одно распространённое заблуждение, и вот почему, как было сказано выше: резонансное сопротивление (= только резистивное). КСВ — это не просто отношение сопротивления антенны (Za) к Zo линии передачи. Сопротивление антенны почти всегда является комплексной величиной, имеющей не только активное, но и реактивное сопротивление, либо ёмкость, либо индуктивность (jX). Рассмотрим следующие сопротивления антенн, представленные для коаксиального кабеля сопротивлением 50 Ом в таблице 11.1.
Таблица 11.1. КСВ при различных сопротивлениях антенн (Za) и одинаковом сопротивлении линии передачи (Zo) либо без реактивного сопротивления (jX 0), либо с реактивным сопротивлением (jX 50).
Чтобы проиллюстрировать стоячую волну, была смоделирована питающая линия на 300 Ом, [11-3.EZ]. Источник находится слева, а нагрузка — справа, рис. 11.4. Рассмотрены четыре различные нагрузки на антенну и два уровня мощности:
- Случай A. Сопротивление нагрузки антенны в точности равно характеристическому сопротивлению линии передачи Za = Zo = 300 Ом и является чисто резистивным. Если нам необходимо измерить напряжение или ток в любой точке линии передачи, они должны совпадать. Отражённая волна не должна быть заметна, а КСВ должно составлять 1:1.
- Случай В. Сопротивление нагрузки антенны в два раза превышает характеристическое сопротивление линии передачи Za = (Zo X 2) = 600 Ом и, опять же, является чисто резистивным. Если мы должны измерить напряжение или ток в любой точке линии передачи, они должны отличаться. Мы должны найти точки максимального и минимального напряжения и тока. Это указывает на наличие стоячей волны. Когда мы делим максимальное напряжение или максимальный ток на минимальное напряжение или минимальный ток, мы должны получить соотношение 2:1, равное КСВ.
- Случай C. Сопротивление нагрузки антенны в два раза превышает характеристическое сопротивление линии передачи, но также имеет реактивное сопротивление jX 300 Ом. Комплексное сопротивление антенны теперь составляет 600 jX 300 Ом. Если нам нужно измерить напряжение или ток в любой точке линии передачи, они также должны отличаться. Мы также должны найти точки максимального и минимального напряжений и тока, но они должны отличаться от случая В без комплексного сопротивления. Здесь также необходимо учитывать наличие стоячей волны. Когда мы делим максимальное напряжение или максимальный ток на минимальное напряжение или минимальный ток, у нас должно получиться соотношение 2,58:1, равное КСВ.
- Случай D. Сопротивление нагрузки антенны в пять раз превышает характеристическое сопротивление линии передачи, но также имеет реактивное сопротивление jX 300 Ом. Комплекс сопротивление антенны теперь составляет 1 500 jX 300 Ом. Если мы измерим напряжение или ток в любой точке линии передачи, они снова будут отличаться. Это также свидетельствует о наличии стоячей волны. Когда мы делим максимальное напряжение или максимальный ток на минимальное напряжение или минимальный ток, у нас должно получиться соотношение 5,05:1, что соответствует КСВ.
Графики тока четырёх вышеприведённых моделей показаны на рисунке 11.4, а вычисленное напряжение, ток и КСВ — в таблице 11.2. Когда КСВ становится довольно высоким, то ток и напряжение могут стать чрезвычайно высокими, особенно при высокой мощности. Вот почему трансиверы в качестве меры предосторожности уменьшают выходную мощность, когда сталкиваются с высоким КСВ. Высокий ток или напряжение могут, когда они слишком высоки, разрушить выходные компоненты трансивера. Кроме того, следует проявлять осторожность при выборе линии передачи, чтобы выдерживать высокое напряжение.
Рисунок 11.4. Ток в смоделированной линии передачи при различных сопротивлениях нагрузки антенны
Таблица 11.2. Максимальное/минимальное напряжение и ток, а также КСВ, полученные по смоделированной линии передачи 300 Ом при различных значениях нагрузки и мощности 100 и 1000 Вт
Несоответствие между сопротивлением антенны, характеристическим сопротивлением линии передачи и выходным сопротивлением передатчика всегда приводит к стоячей волне и определённому КСВ. Наличие КСВ в вашей антенной системе неизбежно.
Во-первых, наличие антенны с сопротивлением нагрузки, равным характеристическому сопротивлению линии передачи, не всегда достижимо. Выбор различных сопротивлений фидерной линии не слишком велик.
Во-вторых, наименьшее КСВ находится на резонансной частоте и всегда будет увеличиваться при приближении к краям частотного диапазона. Таким образом, магическое КСВ 1:1 (для большинства радиолюбителей) трудно получить.
Наличие КСВ в вашей антенной системе приводит к дополнительным потерям мощности. Но даже в этом случае всегда ли необходимо стремиться к наименьшему возможному КСВ?
У любительского радио есть своя доля дезинформации, заблуждений и недопонимания среди его участников. Кажется, что, возможно, наиболее распространённое количество замешательства возникает из-за непонимания работы антенны и фидерной линии. Почему говорится это? Это говорится на основе разговоров в эфире и встреч в клубах. Часто слышно что-то вроде этого:
«Я не могу работать на 80-метровом диапазоне, потому что у меня нет места для антенны».
«Мой КСВ составляет 2,5:1, но если его снизить до 1:1, антенна будет работать намного лучше».
«Мой КСВ был 3,5:1, но мой антенный тюнер снижает его до 1,1:1».
«Моя антенна лучше всего работает на этой частоте, потому что она здесь резонирует».
«Мой КСВ 2:1, поэтому я теряю половину мощности из-за отражения»
«Мне пришлось установить четыре диполя, чтобы работать на 80, 40, 20 и 10 метрах».
«Если мой КСВ больше 1,5:1, это плохо».
Эти и подобные им утверждения выдают отсутствие понимания работы антенны и фидерной линии. Несмотря на хорошо написанные и чётко объяснённые статьи о стоячих волнах, отражённой мощности и КСВ в прошлом и на протяжении многих лет, многие радиолюбители, если не большинство, по-прежнему избегают любого несоответствия и отражения, как чумы. «Один к одному всюду!»
Миф о КСВ
Происхождение мифов о фидерных линиях можно отнести к периоду после Второй мировой войны. Массовое распространение 50-омных коаксиальных кабелей, изготовленных для военных нужд, и последующее появление самодельных КСВ-метров стали катализаторами для популяризации данного вопроса. До этого времени большинство радиолюбителей не имели представления о стоячих волнах или не придавали им значения. Каждый передатчик того времени и ранее оснащался настраиваемой схемой Pi-фильтра в выходном каскаде усилителя, что обеспечивало передачу максимальной мощности в антенную систему.
С появлением коаксиальных линий связи радиолюбители стали обращать внимание на проблему отражённой мощности в этом новом типе линий передачи. Практически все пришли к единому мнению о необходимости избегать отражённой мощности. Кроме того, для минимизации потерь был выбран 50-омный коаксиальный кабель, так как он не излучает, в отличие от открытой проводной линии. При этом радиолюбители не учли, что до войны они успешно эксплуатировали открытые провода без каких-либо проблем, связанных с отражённой мощностью.
Некоторые радиолюбители, проведя исследования в литературе, обнаружили, что КСВ является результатом несоответствия импедансов антенны и фидерной линии. Это укрепило миф о том, что отражённая мощность, возникающая из-за несоответствия антенн, излучается не антенной, а возвращается в передатчик, где рассеивается в виде тепла. Другие предположили, что отражённая энергия просто исчезает.
Несмотря на попытки некоторых информированных радиолюбителей развеять эти заблуждения, их усилия не увенчались успехом. Миф о вреде отражённой мощности продолжал распространяться.
Для прояснения ситуации необходимо отметить следующие моменты:
- Отражённая мощность не теряется и не рассеивается в контуре передатчика в виде тепла.
- При низких потерях в фидерной линии, характерных для высокочастотных диапазонов, влияние КСВ на эффективность передачи мощности становится незначительным, и этим фактором можно пренебречь.
Более пристальный взгляд на отражение
Давайте более подробно рассмотрим это удивительное явление отражения. События, касающиеся отражения, вероятно, проще всего описать следующим образом. Допустим, передатчик подаёт 100 Вт через тюнер без потерь и линию передачи без потерь к антенне с несоответствием импеданса, так что 10 % мощности отражается. Какой сценарий имеет место?
100 Вт сначала достигают антенны, из которых 10 Вт отражаются. Это означает, что 90 Вт фактически излучается. 10 отражённых Вт составляют 10 % отражения из-за несоответствия антенны. Отражённые 10 Вт достигают тюнера и видят несоответствие. Следовательно, всё это отражается обратно к антенне. 10 Вт достигают антенны, и 1 Вт из них отражается обратно по фидерной линии. Оставшиеся 9 Вт добавляются по фазе к 90 Вт, которые излучаются, и общее излучение теперь составляет 99 Вт. Опять же, отражённый 1 Вт видит несоответствие на тюнере. Этот 1 Вт отражается и достигает антенны, из которой 0,1 Вт отражается из-за 10 % отражения. Оставшиеся 0,9 Вт добавляются к 99 Вт, и теперь излучается 99,9 Вт. Этот процесс быстро повторяется, достигая устойчивого состояния, и вся мощность в конечном итоге излучается непрерывно.
Большинство радиолюбителей не используют тюнеры. Так что же происходит с их отражённой мощностью? Отражённая мощность запускает схему защиты от рассогласования передатчика и снижает выходную мощность. Мощность уменьшается на величину отражения. В результате излучается меньше мощности. Как думают многие радиолюбители, отражённая мощность не вызывает нагрева в передатчике, кроме как уменьшает количество доступной мощности. Поэтому радиолюбители, которые отказываются использовать тюнер, на самом деле предпочитают по смыслу и, возможно, по большей части неосознанно этот режим работы с пониженной мощностью.
Почему же тогда мощность снижается, когда достигается определённый уровень рассогласования? Ответ заключается в том, что отражённое сопротивление (отражённое напряжение, делённое на отражённый ток) в передатчике заставляет рабочее напряжение или ток увеличиваться сверх проектных пределов, установленных для транзисторов конечного усилителя мощности и связанных с ним компонентов. Именно изменение импеданса (а НЕ отражённая мощность как таковая) вызывает эффект обратного дросселя, чтобы защитить транзисторы, предотвращая их воздействие на значения напряжения и/или тока, выходящие за пределы их номинальных характеристик.
Краткое пояснение о тюнере: Мощность, проходящая слева направо через тюнер, проходит от входа к выходу без проблем на пути. Однако мощность, пытающаяся пройти через тюнер справа налево в противоположном направлении, полностью отражается. Именно это свойство делает тюнеры идеально подходящими для антенной системы. Установки или антенные системы без тюнера или эквивалентной сети не обеспечивают этого 100-процентного переотражения мощности. Напротив, они снижают мощность, когда КСВ превышает установленный предел. Установка с тюнером продолжает подавать полную мощность на антенну независимо от КСВ фидерной линии. Установка без тюнера этого не делает.
КСВ и потери согласованной линии
Конечно, линия передачи не лишена потерь, как предполагалось выше при обсуждении отражения мощности от антенны к ATU и отражения мощности от ATU к антенне, если присутствует несоответствие. Каждый раз, когда мощность передаётся по линии передачи, либо от ATU к антенне, либо от антенны к ATU, она будет ослабляться в соответствии с типом используемой линии передачи и её свойствами затухания (dB meter или dB feet). Эти значения можно найти в таблицах или графиках большинства производителей линий передачи. Эта информация необходима для определения дополнительных потерь из-за КСВ в вашей системе. Например, предположим, что вы используете 30 метров (100 футов) RG58/A на частоте 7 МГц. Общие потери при идеально согласованных условиях между антенной и импедансом линии передачи составляют 1,05 дБ. Если ваш КСВ равен 1, то вы уже знаете, каковы потери в линии передачи. Но если КСВ не равен 1, то в линии будут дополнительные потери. Эти дополнительные потери называются потерями КСВ.
Фактический и кажущийся КСВ
В большинстве случаев КСВ измеряется на выходе передатчика. Однако, измерение его в этой точке не даёт точных показаний. Фактический КСВ, являющийся качеством согласования антенны и фидера, должен быть измерен в точке питания антенны, чтобы получить точные результаты. Показания, которые вы получаете на станции у передатчика, являются кажущимся КСВ и всегда меньше фактического КСВ. Иногда разница может быть значительной.
Установить измеритель КСВ в точке питания антенны нелегко. Но есть более простой способ узнать. Если вы знаете потери в линии при идеально согласованных условиях из техническое описание производителя или информации из публикаций, то таблица 11.3 даст вам фактический КСВ как функцию кажущегося КСВ. Как только вы узнаете фактический КСВ, а также потери в линии при идеально согласованных условиях, вы готовы найти потери КСВ, дополнительные потери в фидере, вызванные стоячими волнами.
Таблица 11.3. Фактический КСВ как функция потерь в согласованной линии (вертикальная ось) и кажущегося КСВ (горизонтальная ось). Значения КСВ больше 10 обозначены знаком x. Значения КСВ больше 6 имеют точность около ± 0,5. Например: ваша линия передачи имеет потери в согласованной линии 1,0 дБ, а ваш измеритель КСВ на выходе передатчика показывает 2,0, тогда ваш фактический КСВ будет равен 2,4
Дополнительные потери в линии передачи
Используйте таблицу 11.4, чтобы определить дополнительные потери в линии передачи, вызванные КСВ. Удивляет ли вас результат и как узнать, является ли он значительным?
Таблица 11.4. Дополнительные потери, вызванные стоячими волнами. Найдите потери в линии при идеальном соответствии в вертикальном столбце; прочитайте по горизонтали для фактического КСВ. Найдите цифры, которые ближайшие к вашим, если ваши не совсем точно представлены. Пример: ваша линия передачи имеет согласованные потери в линии 1 дБ, а ваш фактический КСВ = 2,5, тогда ваши дополнительные потери в КСВ составят 0,3 дБ, а ваши общие потери в линии составят 1 + 0,3 = 1,3 дБ. Другой пример: предположим, что согласованные потери в линии составляют 2 дБ при КСВ 3, тогда ваши общие потери составят 2 + 0,8 = 2,8 дБ
В общем, когда потеря КСВ составляет менее 1 дБ, вы тратите время, стремясь к идеальному соответствию. Изменение силы сигнала на 1 дБ признаётся наименьшим обнаруживаемым изменением. Поэтому на практике всё, что меньше, — ничто. Усиление менее 1 дБ не будет обнаружено другой станцией ни при каких условиях. Потеря КСВ менее 1 дБ не означает, что у вас хорошая антенна. Это просто означает, что нет смысла пытаться добиться лучшего соответствия с существующей фидерной линией.
Предположим, что длина коаксиального кабеля приблизительно 25 метров является общепринятой длиной в большинстве антенных систем. Предположим также, что мы используем не более 200 Вт мощности. Каковы различия в потерях линии передачи в диапазоне частот 28 МГц с коаксиальным кабелем RG-58 и RG-213, рисунок 11.5. Из этого графика мы видим потерю около 8,5 дБ/100 м для коаксиального кабеля RG-58 и потерю 3 дБ/100 м для лучшего коаксиального кабеля RG-213. Для длины 25 метров это соответственно потеря 2,125 дБ и 0,75 дБ. Помните, это потери при идеальном согласовании. Какие дополнительные потери у нас будут при таком «гораздо худшем» КСВ 3:1? Из таблицы 11.4 следует, что потеря КСВ для коаксиального кабеля RG-58 составит 0,85 дБ, что даст общие потери в фидерной линии 2,975 дБ, а для коаксиального кабеля RG-213 — 0,75 дБ, что даст общие потери в фидерной линии 1,025 дБ. Для обоих кабелей потеря КСВ составляет менее 1 дБ и, следовательно, незначительна. Соответственно, общие потери составят либо 2,125 дБ для кабеля RG8, либо 0,75 дБ для кабеля RG13, что даст разницу в 1,375 дБ и едва заметна. Этот пример показывает, как использовать эти данные, а также иллюстрирует ещё один момент: потери в фидерной линии не являются простой прямой функцией КСВ.
Вот ещё немного информации о потерях в фидерной линии и их сведении к практическому минимуму. Первым шагом в этом процессе является понимание того, что означает потеря мощности в практическом плане. Рисунок 11.6 может помочь. Этот график сравнивает фактическую потерю мощности (в процентах) с потерей, зарегистрированной в децибелах. Если мы произвольно допустим, что 6 дБ равны 1 S-единице, то вы должны потерять около 75% своей мощности, прежде чем ваш сигнал упадёт на 1 из этих S-единиц. 100 метров RG-58A/U на 14 МГц равны потере 5,75 дБ при КСВ 1. КСВ 2,5 должен добавить 2 дБ, а общие потери составят 7,75 дБ. Таким образом, даже с этим довольно длинным и коаксиальным типом фидерной линии ваш сигнал должен упасть всего лишь немного больше, чем 1 S-единица при использовании его в диапазоне 14 МГц.
Рисунок 11.5. Потери коаксиального кабеля RG-58 или RG-213 длиной 100 метров. Примечание вверху справа: график выбранного характеристического сопротивления линии передачи (Z0) и коэффициента скорости (VF), также можно отобразить, установив соответствующий переключатель
Рисунок 11.6. Процент потери мощности по сравнению с потерями в дБ и соответствующие единицы S
Вывод
Для всех практических целей фактический КСВ, равный 2,5 или выше, равняется идеальному совпадению с точки зрения потерь. Это видно из изучения таблицы 11.4. Итак, в следующий раз, когда вы будете пробовать новую антенну, не опускайте руки в отчаянии и не заявляйте, что она плохая, только потому, что ваш измеритель КСВ показывает соотношение 2:1. Или, возможно, вам может показаться, что ваша антенна имеет слишком малую полосу пропускания, потому что вы видите КСВ 3:1 на краях диапазона. Потому что современные твёрдотельные передатчики не имеют настраиваемого согласования выходная схема ATU практически всегда необходима для согласования любой антенной системы с выходным сопротивлением 50 Ом.
Действительно не понятно, почему большинство любителей не любят ATU. Это потому, что они должны делать что-то дополнительное (настраивать на соответствие)? Как только вы освоитесь с процедурой настройки, это займёт всего несколько секунд, или же, если это всё ещё доставляет вам слишком много хлопот, купите автоматический ATU, для настройки которого требуется всего одно нажатие кнопки.
Автор заявляет, что осознаёт, что его объяснение мифа о КСВ могло ввести в заблуждение некоторых специалистов. Причины, по которым они продолжают придерживаться ошибочного мнения, остаются неясными. Возможно, они недостаточно компетентны в данной области или испытывают недоверие к предоставляемой информации. Также вероятно, что на них оказывает влияние мнение коллег-радиолюбителей. Некоторые из них твёрдо убеждены в своих неверных представлениях о КСВ и, вероятно, не будут готовы изменить свою точку зрения.
Конечно, для низкого КСВ могут быть веские причины. Также важно учитывать, какие параметры вашей антенной системы и её особенности следует подбирать для достижения наилучшего результата.
Насколько важен низкий КСВ
QRO, операторы высокой мощности
Выше мы узнали, что дополнительные потери, вызванные довольно высоким КСВ, были незначительными для КВ-диапазонов. Однако, следует проявлять осторожность при использовании высокой мощности, в частности, мощности от 1 кВт и выше. При использовании этой высокой мощности напряжение в точках линии передачи может достигать довольно высоких уровней. Чем выше КСВ, тем выше максимальное напряжение может быть достигнуто и тем выше риск повреждения коаксиального кабеля. Пробой напряжения между двумя проводниками и повреждение диэлектрика кабеля не является уникальным событием.
Более того, известен факт, как коллега автора заменил свой коаксиальный кабель, потому что в него попала вода. При извлечении неисправного кабеля он обнаружил, что внешняя оболочка кабеля в нескольких местах сильно прогорела. Итак, что же произошло? При использовании мощности в 1,5 кВт и из-за довольно высокого КСВ на некоторых диапазонах напряжение в узловых точках максимального уровня вызвало переброс напряжения на металлическую конструкцию башни в том месте, где был закреплён кабель. Примечание: антенна представляла собой наклонный длинный провод, натянутый на вершине самонесущей мачты.
Операторы QRO должны помнить и проявлять осторожность в отношении очень высокого напряжения, которое иногда может быть задействовано. 5000 вольт и выше не редкость при высоких уровнях мощности и стоячих волнах. Качественный коаксиальный кабель необходим не только для снижения потерь на КСВ, но и для того, чтобы выдерживать высокое напряжение.
QRP, операторы очень малой мощности
Операторы QRP часто работают над различиями между отсутствием регистрации на S-метре и слабым тиканьем стрелки. Это в диапазоне 1 дБ между отсутствием сигнала и чем-то, что можно услышать и разобрать. Несмотря на то, что 1 дБ представляет собой около 20% потери мощности, эти 20% могут состоять из множества небольших потерь, которые суммируются. Следовательно, это окупается в определённых практических пределах, чтобы минимизировать все потенциальные потери мощности, включая минимальную потерю КСВ.
Операторы VHF – UHF
Потери согласованной линии с коаксиальными линиями передачи довольно выше, если сравнивать между частотами диапазона КВ и частотами VHF или UHF. Таблица 11.5a и 11.5b показывает потери для длины кабеля 30 метров:
- Потери согласованной линии
- Дополнительные потери при КСВ 2:1 и 3:1 соответственно
- Общие потери при КСВ 2:1 и 3:1 соответственно
- Мощность, в конечном итоге достигающая антенны в точке питания, которая должна быть излучена при 100 Вт, подаваемых в линию питания на выходе передатчика.
Для диапазонов VHF и UHF согласованные потери и длина кабеля наиболее важны. Дополнительные потери при наличии стоячих волн, конечно, выше по сравнению с диапазонами КВ, но не настолько высоки, как думают большинство радиолюбителей. В любом случае, большинство антенн VHF или UHF уже согласованы максимально возможно в точке питания с импедансом 50 Ом, и, таким образом, будет замечен небольшой КСВ.
Выбор типа коаксиальной линии питания на частотах VHF и UHF, безусловно, важен. Если вам нужны довольно большие длины, то выбирайте, по крайней мере, RG-213 или лучше, например, ECOFLEX-10 или ECOFLEX-15. Чтобы проиллюстрировать эффект, который может оказать длинная линия передачи на VHF, автор был свидетелем следующего случая. У него есть 5/8 вертикал на высоте 25 метров с
коаксиальной линией питания RG-213 длиной 35 метров и ещё один 5/8 вертикал на высоте 4 метра с коаксиальной линией питания RG-58 длиной 4 метра. Замечено, что для локальной связи антенна на низкой высоте, использующая коаксиальный кабель RG-58 с более высокими потерями, работала лучше, чем установленная выше антенна с коаксиальным кабелем RG-213 с меньшими потерями. Каковы показатели потерь в линии питания для обеих антенн? Для более высокой антенны расчётная потеря составляет 2,75 дБ, а для антенны с низкой высотой — всего 0,85 дБ. Эти 1,9 дБ были весьма заметны, как уже упоминалось, для местной связи. Высокая антенна была лучше только для мест дальней связи, которые не были видны с антенной с меньшей высотой.
Таблица 11.5а. Потери на различных диапазонах с коаксиальным кабелем RG-58 длиной 30 м
Таблица 11.5b. Потери на различных диапазонах с коаксиальным кабелем RG-213 длиной 30 м
КСВ с ATU
Чем ниже мощность, которую вы используете, тем важнее, чтобы вся эта драгоценная мощность достигла антенны. Вы хотите, чтобы мощность, которую вырабатывает ваш передатчик, излучалась вашей антенной и не терялась в фидерной линии. Если вы думали, что работа блока настройки антенны (ATU) в вашем трансивере или рядом с ним заключается в том, чтобы гарантировать, что как можно больше мощности попадёт в антенну, вас может ждать неприятный сюрприз. Не очень широко известно, что лучшее место для блока согласования антенны — в точке питания антенны, а не в передатчике.
Большинство радиолюбителей понимают необходимость использования антенного тюнера на КВ, чтобы их трансивер передавал сигнал на нагрузку 50 Ом и видел КСВ, близкий к 1:1. Большинство радиолюбителей сегодня имеют антенный тюнер, расположенный прямо рядом с трансивером или даже встроенный в него. Что часто не известно или не оценено, так это то, что использование ATU на передатчике не решает проблем, вызванных высоким КСВ. Это просто обманывает передатчик, заставляя его думать, что антенна согласована с 50 Ом. Конечно, это важно для большинства твёрдотельных оконечных каскадов, которые не любят работать на высоком КСВ и которые снизят выходную мощность до безопасного уровня, если есть большое несоответствие. ATU действительно помог вашему PA, увидев
согласованную нагрузку, но не устранил стоячие волны в вашей фидерной линии.
Какое бы несоответствие ни существовало между антенной и фидерной линией; какой бы КСВ ни измерялся без ATU в цепи, это несоответствие всё равно существует, независимо от того, «согласовал» ли ваш ATU антенную систему или нет. Большинство радиолюбителей думают, что как только они настроили свою антенную систему на 1:1 или как можно ближе, они удалили стоячую волну на
линии передачи. Это абсолютно не так. Антенный тюнер вообще не настраивает вашу антенну; даже его название говорит об этом. Лучшее название — Transmatch, потому что этот блок согласует одно сопротивление; то, что на конце вашей линии передачи, с выходным сопротивлением трансивера, которое составляет 50 Ом.
Выбор импеданса фидерной линии по сравнению с импедансом точки питания антенны играет, конечно, значительную роль для стоячих волн на фидерной линии, общих потерь и конечной излучаемой мощности. Давайте проведём исследование с помощью программы «Transmission Lines Details» от Дэна Магуайра (см. текст «ReadMe» ниже) и возьмём 40-метровый диполь с импедансом 75 Ом на резонансной частоте. В качестве примера вычисляем соответственно импеданс, КСВ на нагрузке и входе и различные потери с коаксиальным кабелем с импедансом 50 Ом (RG-58) или коаксиальным кабелем с импедансом 75 Ом (RG-59). Результаты показаны в таблицах 11.6a, 11.6b. Окна «TLDetails» различных частот в пределах 40-метрового диапазона можно найти в дополнительном документе [TLDetails.pdf]. См. рисунок 11.7 для такого окна-экрана программы, чтобы узнать, где установить и просмотреть более интересные входы и выходы программы. Из двух таблиц, мы замечаем, что самые низкие потери на отражение у коаксиального кабеля RG-59 (75 Ом). Другими словами, чем ближе соответствие между импедансом фидерной линии и импедансом точки питания антенны, тем ниже потери.
| TLDetails показывает параметры импеданса и коэффициента отражения (КСВ, величина коэффициента отражения Rho или обратные потери RL в дБ) на обоих концах линии передачи и сведения о потерях мощности в линии.
В дополнение к числовым результатам, точки импеданса отображаются на диаграмме Смита, а компоненты потерь отображаются на гистограммах. Включает характеристики примерно для 100 встроенных типов линий. Вы можете изменить эти значения, чтобы увидеть, как небольшие изменения влияют на результаты, или указать пользовательские линии. Все входные данные программы можно изменить напрямую или использовать кнопки прокрутки, чтобы внести изменения. Отдельного файла справки нет, но вы можете увидеть краткие подсказки, наведя указатель мыши на любое из неочевидных текстовых полей. Дополнительную информацию см. на веб-странице TLDetails по адресу http://www.ac6la.com/tldetails.html. |
Текстовый файл ReadMe программы «Подробности линий электропередачи»
Рисунок 11.7. Окно программы TLDetails. В верхней области отображаются диалоговые окна, в нижней области — результаты
Таблица 11.6а. Расчётные значения с коаксиальной линией питания RG58 (50 Ом) для диполя диапазона 40 метров с резонансным сопротивлением точки питания ±75 Ом и входной мощностью 100 Вт
Таблица 11.6b. Расчётные значения с коаксиальной линией питания RG59 (75 Ом) для диполя диапазона 40 метров с резонансным сопротивлением точки питания ±75 Ом и входной мощностью 100 Вт
Полоса пропускания и КСВ
Процент полосы пропускания самый большой в диапазоне 80 метров (13,3%). Использование антенны диапазона 80 метров во всём диапазоне, безусловно, даст высокие значения КСВ на краях диапазона, когда антенна резонирует в середине диапазона.
Например: диполь с импедансом точки питания 60 Ом на резонансной частоте 3,75 МГц. Таблица 11.7a обобщает импеданс, КСВ и потери, когда диполь питается 30-метровым коаксиальным кабелем RG-213. Как можно заметить, довольно высокие значения КСВ возникают по направлению к краям диапазона. Но даже при высоком КСВ на этих краях потеря мощности составляет максимум 26% или 1,35 дБ. С качественным ATU легко согласовать высокий КСВ с выходом передатчика 50 Ом, предпочитая КСВ 1:1. Вам не нужно возиться с диполем, используя какие-либо конструктивные трюки, чтобы сделать полосу пропускания более плоской или пытаться получить более низкий КСВ на краях полосы. Лучшее, чего вы можете добиться, получая более низкие края полосы КСВ, — это усиление примерно на 0,5 дБ.
Если вместо коаксиальной линии взять лестничную линию 450 Ом, КСВ будет гораздо выше, но фактическая мощность, достигающая антенны, будет выше. Причина в меньших потерях такой лестничной линии 450 Ом, рисунок 11.7b.
Таблица 11.7а. Значения по всему 80-метровому диапазону с коаксиальным кабелем RG-213 и резонансной частотой 3,75 МГц
Таблица 11.7b. Значения 80-метрового диапазона с оконной линией 450 Ом и резонансной частотой 3,75 МГц
Длина фидерной линии и КСВ
Другое часто встречающееся заблуждение среди некоторых радиолюбителей: «Вы можете получить более низкий или приемлемый КСВ, обрезав длину фидерной линии». Это неверно! В любом месте фидерной линии КСВ должен быть практически одинаковым. Единственная небольшая разница, которая может возникнуть, зависит от потерь в линии фидерной линии и приводит к «фактическому» и «кажущемуся» КСВ, см. таблицу 11.3.
Если вы можете значительно снизить или повысить КСВ, изменив длину фидерной линии, то определённо что-то не так с вашим КСВ-метром или у вас есть ток, протекающий по внешнему экрану коаксиального кабеля. Чтобы продемонстрировать значение импеданса и изменения КСВ на конце фидерной линии с определённой разницей в длине, эти значения вычислены с помощью вышеупомянутой программы TLDetails. Вычисленные результаты приведены в таблице 11.8. Сопротивление точки питания антенны было взято как 150 jX 0, а длина коаксиального кабеля была соответственно увеличена на 10 градусов длины волны.
Результаты с коаксиальным кабелем RG-213 на частоте 3,5 МГц приведены в левых столбцах. В правых столбцах показаны результаты с гипотетической линией передачи без потерь. Из этой таблицы мы можем заметить, что кажущийся КСВ уменьшается очень незначительно с увеличением длины фидерной линии. Как можно видеть, вы не можете обрезать свой КСВ до значения, подходящего для вашего передатчика. Хуже того, чем длиннее фидерная линия, тем выше потери мощности.
Таблица 11.8. Резонансное R = 150 Ом с RG-213 Zo = 50,634 –jX0,616 на частоте 3,5 МГц
Как мы можем заметить из таблицы 11.8, линия передачи представляет собой непрерывный трансформатор импеданса. Две характеристики привлекают внимание. Значения импеданса повторяют значения точки питания антенны каждые 180 градусов (с небольшой поправкой на потери в линии). Другая магическая отметка вдоль линии — это 1⁄4 длины волны или точка 90 градусов. В этой точке реактивное сопротивление минимально и изменяется в другом направлении. Теперь реактивное сопротивление отклоняется примерно на ту же величину в другом направлении. Это свойство 90 градусов можно использовать как последовательную согласующую систему.
Последовательное согласование
Система последовательного согласования состоит из нескольких элементов: сопротивление нагрузки (ZL), характеристическое сопротивление линии передачи, которая должна быть согласована с нагрузкой (Zo). На рисунке 11.8a показана элементарная четвертьволновая секция трансформатора, подключенная между линией передачи и нагрузкой антенны. Этот трансформатор является своего рода методом последовательного согласования Regier, который иногда называется Q секцией. При правильном проектировании этот трансформатор линии передачи способен согласовать нормальное сопротивление линии питания ZS с сопротивлением точки питания антенны ZL. Ключевым фактором является наличие части линии передачи, которая имеет сопротивление:
Ключевым ограничением для всех систем согласования последовательной секции является то, что они являются частотно-специфичными. Поскольку все они состоят из длины линии передачи, которая будет указана в электрических градусах, физическая длина линий секции Q будет меняться в зависимости от частоты. В большинстве случаев эффективная рабочая полоса пропускания этих систем будет вполне достаточна для покрытия любого из любительских диапазонов. Однако они не являются широкополосными системами, как хорошо спроектированный симметрирующий трансформатор или унисонный трансформатор с преобразованием импеданса.
Рисунок 11.8а. Трансформатор сопротивления Q-секции с длиной волны 1⁄4
Например: антенна с одной рамкой имеет приблизительно сопротивление нагрузки ZL = 120 jX 0 Ом при резонансе, [11-4.EZ]. Это сопротивление идеально подходит для использования системы последовательного согласования, чтобы согласовать это сопротивление нагрузки с ZS 50 Ом выходной нагрузки передатчика и в основном используемой коаксиальной линии передачи. Необходимая секция Q длиной 1⁄4 длины волны может быть легко изготовлена из RG-11 или RG-59 с характеристическим сопротивлением 75 Ом, рисунок 11.8b.
Zo = √ 120 * 50 = √ 6000 = 77 Ом
Расчёт SWR-50 с помощью программы TLDetails дает результат почти 1:1. Даже когда сопротивление нагрузки должно колебаться от 100 до 140 Ом, а реактивная составляющая от 40 мкФ до -40 мкФ, SWR-50 должен быть низким (1:1,5) и управляться выходной схемой передатчика.
Мы также можем смоделировать 75-омную линию питания TL длиной 1⁄4 длины волны между точкой питания антенны и источником на виртуальном сегменте, [11-4-1.EZ] или даже добавить длину коаксиального кабеля 50 Ом от этого виртуального сегмента к установке, [11-4-2]. Найдите графики SWR-50 обеих моделей на рисунке 11.8c.
Рисунок 11.8b. Преобразование сопротивления нагрузки антенны 120 jX0 Ом в коаксиальный кабель 50 Ом (RG-213) и выход передатчика 50 Ом с секцией трансформатора 1⁄4 длины волны (90 градусов) с характеристическим сопротивлением 75 Ом (RG-11). Примечание: сравните данные At Input с данными At Load
Рисунок 11.8c. Оба графика КСВ-50 для одной четверной петли: без или с 75-Ом 1⁄4 wl Q-секцией
ON5AU
