При установке многих антенн не учитывается тот факт, что типичная линия передачи на основе коаксиального кабеля при подключении к антенне из-за своей несимметричной природы может создавать нежелательный ток в общей фазе, который протекает по внешнему слою оплётки коаксиального кабеля.
Это происходит чаще, чем мы думаем. Величина этого тока в общей фазе может варьироваться в зависимости от типа антенны и её общей конфигурации.
В некоторых случаях эта величина может быть неприемлемо высокой и приводить к нежелательному излучению во время передачи, вызывая электромагнитные/радиочастотные помехи в соседних районах. А во время приёма это может привести к ситуации, когда нежелательный шум будет настолько сильным, что окружающая среда станет невыносимо шумной.
Каждый день мы сталкиваемся с радиолюбителями, которые жалуются на ужасный уровень шума в высокочастотных диапазонах. Довольно часто они винят антенну, а иногда — шумную городскую среду. Хотя уровень шума в высокочастотных диапазонах в городских районах действительно довольно высок, с ним можно справиться, используя правильные методы.
Является ли дроссель для коаксиального кабеля одним из таких эффективных методов? К сожалению, ответ отрицательный. Существует несколько других, гораздо более эффективных и надёжных методов решения проблемы радиопомех, вызванных синфазными токами.
Что за чушь? Дроссель на коаксиальном кабеле помог мне справиться с КСВ
Согласны! На этом этапе, как могут сказать некоторые, я обнаружил, что дроссель из коаксиального кабеля очень полезен. У моего трансивера был неуправляемый КСВ, но после того, как я намотал несколько витков коаксиального кабеля рядом с точкой питания антенны, всё стало как надо. КСВ стал хорошим и стабильны. Конечно! так и было. Это потому, что у вас изначально не было проблем с КСВ. Он был хорошим ещё до того, как вы сделали эту катушку.
Следует понимать, что КСВ в коаксиальном кабеле определяется не синфазным радиочастотным током, протекающим по внешней поверхности оплётки коаксиального кабеля, а дифференциальным током, протекающим в пределах внутренней поверхности оплётки коаксиального кабеля и внутреннего центрального проводника. Внутренний дифференциальный ток — это то, что нам нужно, а внешний синфазный ток — это разрушительный фактор. Волшебство заключается в том, что, хотя оплётка физически представляет собой единое целое, два радиочастотных тока, протекающих по оплётке, полностью изолированы и независимы друг от друга.
Серьёзно? Если КСВ действительно был хорошим, то почему измеритель КСВ работал некорректно? Почему я не мог увеличить мощность передачи? Почему мощность моего передатчика уменьшалась? Ответ прост. Чрезмерный синфазный радиочастотный ток, протекавший по коаксиальному кабелю, нарушал работу измерителя КСВ и, как следствие, защиту передатчика от перемодуляции и схему уменьшения мощности. Неправильная индикация КСВ из-за синфазного обратного радиочастотного сигнала приводила к тому, что ваше оборудование считало КСВ плохим. Благодаря незначительному эффекту дросселирования коаксиальной катушки синфазный ток в кабеле упал ниже порога неисправности. Таким образом, КСВ-мост и связанные с ним электронные схемы управления стабилизировались.
Однако, что касается снижения уровня шума, то дроссель на коаксиальном кабеле, возможно, мало чем помог. Да, он немного снизил уровень шума, но этого было недостаточно, чтобы существенно повлиять на ситуацию. Он точно не снизил уровень шума до потенциально возможного.
Справедливо! Так почему же дросселя из коаксиального кабеля недостаточно?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте сначала разберёмся, зачем мы вообще установили катушку? Какова была цель?
Цель состояла в том, чтобы уменьшить (ослабить) нежелательный синфазный ток в кабеле. Хотя существуют различные способы предотвращения возникновения синфазного радиочастотного тока в типичной антенной системе, мы не будем их рассматривать. А пока давайте сосредоточимся на текущей проблеме.
В любой электрической цепи один из простых способов ослабить ток — последовательно с ним включить какое-либо сопротивление (импеданс). В радиочастотном сценарии (цепи переменного тока), например в нашем коаксиальном кабеле, нужно сделать то же самое. Предполагается, что намотка части коаксиального кабеля в несколько витков сделает именно это. Поскольку синфазный радиочастотный ток протекает по внешней поверхности оплётки, катушка коаксиального кабеля на этом пути будет действовать как индуктор, создавая индуктивное реактивное сопротивление, что приведёт к частичному ограничению тока и уменьшению его величины.
Помните, что, поскольку требуемый радиочастотный ток (в дифференциальном режиме) протекает внутри кабеля, на него не влияет намотка кабеля. Индуктивность, создаваемая намоткой, действует только на синфазный ток. Поэтому это называется ограничением синфазного тока
Таким образом, катушка действительно в некоторой степени снижает синфазный ток. Это хорошо, не так ли? Да, это так. Но этого недостаточно. Сейчас мы выясним почему.
Прежде чем мы продолжим, давайте рассмотрим иллюстрацию, на которых изображены типичные секции дросселей из скрученного коаксиального кабеля, которые часто используются вместе со всеми типами антенн. Обычно это 5–10 витков (иногда даже 20) коаксиального кабеля, уложенного в один слой с воздушной сердцевиной, диаметром от 4 до 12 дюймов или около того.
Рядом с точкой питания антенны, на линии передачи, ведущей к антенне, используются несколько типов дросселей на основе коаксиального кабеля. Их цель — свести к минимуму синфазный ток, который может возникать на внешней оплётке обычного коаксиального кабеля. Однако об их эффективности можно только догадываться
Давайте теперь определим и сформулируем наши цели, чтобы синфазный дроссель стал достаточно эффективным для практического применения. Если мы хотим существенно снизить уровень нежелательного синфазного шума, улавливаемого кабелем, то нам нужно ослабить этот ток как минимум на 25–30 дБ или больше. Если меньше 25 дБ, то это не годится, надо стараться добиться показателя выше 30 дБ, а лучше — около 40 дБ. Проблема в том, что для нашего обычного дросселя на коаксиальном кабеле это слишком сложная задача. Дросселирующая способность этих катушек оставляет желать лучшего.
Синфазный радиочастотный шум, улавливаемый коаксиальным кабелем в городской среде, обычно может составлять от 4 до 5 дополнительных единиц S-параметров, особенно в низкочастотных диапазонах. Этот шум становится более заметным при использовании горизонтально поляризованной антенны. Большинство высокочастотных антенн, таких как диполь, антенна с несимметричным вибратором, антенна с несимметричным вибратором и длинной линией питания, антенна Yagi и т.д., обычно имеют горизонтальную поляризацию.
С другой стороны, большинство антенн с квадратурным резонатором имеют преимущественно вертикальную поляризацию. Таким образом, горизонтально поляризованные антенны обладают естественным свойством отклонять большую часть паразитных радиоволн из-за несоответствия поляризации.
Однако коаксиальный кабель, в котором дисбаланс тока достаточен для возникновения синфазного поверхностного тока, обычно ориентирован вертикально на значительном участке своей длины. Следовательно, такой кабель действует как нежелательная секция антенны, идеально совпадающая по поляризации с вертикально поляризованным QRM. Таким образом, из-за дисбаланса в синфазном режиме кабель улавливает большую часть шума и добавляет его к сигналу, поступающему от антенны. Коаксиальный кабель становится настоящим помехой.
Таким образом, идея установки дросселя на коаксиальном кабеле последовательно с линией передачи для подавления (ослабления) синфазного тока является отличной идеей. Однако, к сожалению, эти спиральные кабели не всегда способны обеспечить необходимое ослабление сигнала, которое сделало бы их эффективными. Реактивное сопротивление из-за их индуктивности не соответствует нашим требованиям. Поэтому эти дроссели на коаксиальном кабеле недостаточно хороши.
Почему кабельный дроссель не может обеспечить желаемое ослабление синфазного сигнала на 30 дБ?
Одна из основных причин заключается в том, что для достижения высокого общего затухания реактивное сопротивление коаксиальной катушки должно быть намного выше, чем у этих катушек. Например, для затухания тока на 30 дБ его необходимо ослабить в 31,6 раза. Аналогично, для затухания на 40 дБ ток необходимо ослабить в 100 раз. Другими словами, если сопротивление нагрузки (как в случае с типичным входом приёмника) составляет 50 Ом, то для подавления на 30 дБ (снижение в 31,6 раза) сопротивление подавления (реактивное сопротивление) дросселя должно составлять 50 × 31,6 = 1581 Ом. Аналогично, для подавления на 40 дБ (снижение в 100 раз) сопротивление подавления должно составлять 50 × 100 = 5000 Ом.
Подводя итог тому, что мы обсудили в предыдущем абзаце…
CMatt = 20Log(Zc/Zo)
Где
CMatt — синфазное затухание в дБ.
Zc — волновое сопротивление витого коаксиального кабеля.
Zo — входное сопротивление приёмника (обычно это сопротивление кабеля).
Следующие результаты были получены с помощью приведённого выше уравнения. Можно легко определить приблизительное значение ожидаемого затухания (в дБ) из-за последовательного подключения импеданса к коаксиальному кабелю. Вот два примера:
- Для подавления тока на 30 дБ на входе RX с сопротивлением 50 Ом потребуется сопротивление 1581 Ом.
- Для подавления тока на 40 дБ на входе RX с сопротивлением 50 Ом потребуется сопротивление 5000 Ом.
Может ли обычный коаксиальный кабель с воздушной обмоткой обеспечить такое качество? Вряд ли!
Импеданс, создаваемый дросселем из коаксиального кабеля на открытом воздухе, в силу его индуктивного сопротивления на любой заданной частоте увеличивается с ростом диаметра катушки и количества витков. Он также увеличивается пропорционально частоте сигнала. Другими словами, катушка из коаксиального кабеля большого диаметра с большим количеством витков будет создавать более высокий дросселирующий импеданс. Более того, этот дросселирующий импеданс будет выше на более высоких частотах.
При этом в практичном дросселе для коаксиального кабеля, предназначенном для использования с высокочастотными антеннами, имеется около 5–8 витков для катушек большого диаметра — 8–12 дюймов. Катушки меньшего диаметра, например 4–5 дюймов, можно намотать на оправку из ПВХ, сделав максимум 10–20 витков. Это оптимальные размеры, но они не соответствуют нашим потребностям.
Кто-то может спросить: почему бы не сделать больше витков с большим диаметром, чтобы увеличить индуктивность и, следовательно, сопротивление дросселя? К сожалению, на практике это невозможно. Основная причина в том, что эти коаксиальные катушки не только создают индуктивность, но и обладают ёмкостью. Из-за близости последовательных витков друг к другу возникает так называемая распределённая ёмкость катушки. Распределённая ёмкость подключается параллельно индуктивности катушки и вызывает электрический резонанс.
Частота собственного резонанса (ЧСР) типичного дросселя для коаксиального кабеля, используемого с высокочастотной антенной, находится в диапазоне 8–12 МГц. На частотах выше этой резонансной частоты дроссельная катушка больше не ведёт себя как индуктор. Реактивное сопротивление становится ёмкостным, и эффективный общий импеданс катушки начинает снижаться после резонансной частоты.
Дилемма, связанная с вышеупомянутым эффектом, заключается в том, что если у нас больше витков или больше диаметр, то, хотя сопротивление катушки будет выше на низких частотах, резонансная частота также снизится, что сделает дроссель менее эффективным на высоких частотах. С другой стороны, если мы уменьшим количество витков или диаметр, то резонансная частота увеличится, что, несомненно, повысит порог высоких частот, но сопротивление дросселя уменьшится.
Давайте посмотрим, какое сопротивление можно получить с помощью обычных дросселей из витого коаксиального кабеля в высокочастотных диапазонах. Высокочастотные диапазоны ниже 20 м наиболее подвержены влиянию из-за повышенного как естественного QRN, так и QRM-компонента. Больше всего страдают диапазоны 80 м и 40 м. Вот несколько упрощённых примеров, в которых не учитывается распределённая ёмкость катушек, снижающая их собственную резонансную частоту (СРЧ) и делающая катушки менее эффективными за пределами СРЧ.
При диаметре 8 дюймов и 5 витках RG213 индуктивность составит 9,4 мкГн.
Импеданс в диапазоне 80 м составляет 207 Ом, что приводит к затуханию на 12 дБ.
Импеданс в диапазоне 40 м составляет 413 Ом, что приводит к затуханию на 18 дБ.
Импеданс в диапазоне 20 м составляет 826 Ом, что приводит к затуханию на 24 дБ.
При диаметре 6 дюймов и 6 витках RG213 индуктивность составит 9,2 мкГн.
Импеданс в диапазоне 80 м составляет 202 Ом, что приводит к затуханию на 12 дБ.
Импеданс в диапазоне 40 м составляет 405 Ом, что приводит к затуханию на 18 дБ.
Импеданс в диапазоне 20 м составляет 809 Ом, что приводит к затуханию на 24 дБ.
5-дюймовый диаметр, 10 витков RG213 обеспечат индуктивность 19,8 мкГн.
Импеданс в диапазоне 80 м составляет 435 Ом, что приводит к затуханию на 19 дБ.
Импеданс в диапазоне 40 м составляет 871 Ом, что приводит к затуханию на 25 дБ.
Сопротивление дросселя в диапазоне 20 м составляет 1741 Ом, что соответствует дросселю 31 дБ.
При диаметре 4 дюйма и 20 витках RG213 индуктивность составит 57,8 мкГн.
Сопротивление в диапазоне 80 м составляет 1271 Ом, что приводит к затуханию на 28 дБ.
Импеданс в диапазоне 40 м составляет 2542 Ом, что приводит к подавлению сигнала на 34 дБ.
Импеданс в диапазоне 20 м составляет 5084 Ом, что приводит к подавлению сигнала на 40 дБ.
Приведённые выше расчёты, выделенные КРАСНЫМ, представляют собой сценарии, которые физически неосуществимы из-за того, что собственная резонансная частота (СРЧ) ниже рабочей частоты. Катушка будет вести себя не как индуктор, а скорее как конденсатор с частотой выше СРЧ.
Типичные дроссели на основе скрученного коаксиального кабеля, о которых мы говорили ранее, а также те, которые можно сделать из коаксиального кабеля, имеют указанные выше ограничения. Как следствие, обычно сопротивление таких дросселей находится в диапазоне 200–600 Ом или, в лучшем случае, до 800 Ом. Это приводит к нежелательному ослаблению синфазного тока и шума примерно на 12–20 дБ, или в лучшем случае на 25 дБ. Нам было бы комфортнее, если бы затухание составляло 30–40 дБ.
Приведённое выше максимальное значение затухания в дросселе применимо только к одному высокочастотному диапазону, для которого катушка может быть оптимизирована. В других диапазонах затухание будет гораздо меньше.
Таким образом, эффективность дросселя из скрученного коаксиального кабеля, как правило, намного ниже требуемой. Он не справляется со своей задачей. Несмотря на то, что в любительской радиотехнической литературе можно найти много описаний таких дросселей, лучше использовать более эффективные альтернативные решения, которые дают многообещающие результаты. Рассмотрите возможность использования правильного симметрирующего или несимметрирующего трансформатора для преобразования импеданса, а также синфазного дросселя с ферритовыми тороидами или шариками надлежащего качества.
VU2NSB
