Що таке вхідний опір антени та що з ним робити
Що таке вхідний опір антени і що з ним робити?
Всі знають, що вхідний опір (імпеданс) антени рідко коли буває рівний хвильовому опору фідерної лінії. Тут спробую показати, як узгодити навантаження з фідером ефективними методами. Далі всі приклади будуть дані для коаксіального кабелю з хвильовим опором 50 ом, але принцип розрахунку є дійсним і для інших як несиметричних, так і симетричних ліній передач.
Вхідний опір антени Спочатку з'ясуємо, що таке вхідний опір антени. Вважається, що воно є послідовно з'єднаним реактивним і активним опором. Але в антені або у фідер немає реального резистора, конденсатора або котушки індуктивності. Все це лише результат розрахунку еквівалентних їм опорів антенного ланцюга. Нехай як навантаження буде використаний якийсь «чорний ящик», на вхідний роз'єм якого подається напруга ВЧ. На цьому роз'ємі можна виміряти миттєву напругу u' і струм i', а також різницю фази між ними j . Вхідний опір є розрахований активний і реактивний опір, підключаючи до яких дане ВЧ напруга отримаємо такі самі u', i' і j . Відомо, що такий еквівалент може мати як послідовне (serial, Zs=Rs+jXs), так і паралельне (parallel, Zp=Rp+jXp) з'єднання активних та реактивних опорів. Кожному послідовному з'єднанню активного (Rs) та реактивного (Xs) опорів відповідає паралельне з'єднання активного (Rp) та реактивного (Xp) опорів. У випадку Rs № Rp і Xs № Xp. Наводжу формули, якими можна перерахувати чисельні значення з однієї сполуки в інше.
Наприклад, перерахуємо послідовне з'єднання Zs=40+j30 W паралельне Zp.
Чаще використовують еквівалент послідовного включення, але й еквівалент паралельного включення має таке ж практичне значення. Zs називається імпедансом послідовного включення, R – резистансом, X – реактансом, а Zp – імпедансом паралельного включення. У паралельному включенні часто використовується адмінтанс, але це провідність і наочність при його використанні сильно зменшується. Зазвичай термін „імпеданс“ вказує, що йдеться про послідовне поєднання еквівалентного активного та реактивного опорів. Однак, перерахунок послідовного з'єднання опорів у паралельне з'єднання досить часто потрібний для компенсації реактивної складової. Тільки слід пам'ятати, що з послідовної і паралельної компенсації отримуємо різні активні складові опору. Для перерахунку Zs до Zp і навпаки дуже добре підходить програма NETCALK. Можна порахувати і тут.
Rs = Xs = Zp" onclick="skaiciuok('zszp')"> Rp = Xp = Zs" onclick="skaiciuok('zpzs')" /> SWR =
Постає питання, як виміряти параметри комплексного навантаження. На жаль, простий вимірник КРВ тут мало придатний. Я для цього користуюся векторним аналізатором VA1, який показує на дисплеї всі потрібні цифрові значення.
Компенсація реактивної складової Реактивну складову опору (імпедансу) корисно компенсувати. Це зменшує ПКС. Суть компенсації є вирівнювання фаз напруги та струму. Змінювати кут фази між напругою та струмом можна підключаючи реактивний елемент послідовно або паралельно. Щоб різниця в кутах фаз дорівнювала нулю, треба підключити такий реактивний опір, який є в еквівалентній схемі навантаження, тільки з протилежним знаком. Відомо, що реактивний опір ємностімає негативний знак, індуктивність – позитивна. У разі послідовної компенсації додатковий еквівалентний реактивний елемент із протилежним знаком включається послідовно і виходить послідовний контур, а у разі паралельної компенсації – паралельно виходить паралельний контур. У разі послідовного з'єднання опорів вони просто складаються
А у разі паралельного з'єднання
Якщо навантаження повністю компенсувати, ці контури знаходяться в резонансі, при цьому Xs=0 або Xp= Ґ . Наприклад, маємо навантаження Zs=50+j30 W (Zp=68+j113 W), SWR=2. Якщо послідовно з навантаженням включимо ємність з Xc=-30 W отримаємо Z=50 W і SWR=1. Якщо паралельно навантаженню підключимо ємність з Xc=-113 W отримаємо Z=68 W і SWR=1,36. У разі послідовної компенсації додатковий елемент з еквівалентним відповідає послідовному контуру, у разі паралельного – паралельному.
Узгодження опорів Як я вже писав, по-різному підключаючи компенсуючий елемент, у випадку отримуємо різний Z, цим і КСВ. Подивимося, як можна компенсувати (узгодити) навантаження Zs=22+j25 W (Zp=50,4+j44 W ), SWR=2,94. Послідовно підключивши конденсатор з Xc=-25 W отримаємо Z=22 W (SWR=2,27). Якщо паралельно навантаженню підключимо конденсатор з Xc=-44 W отримаємо Z=50,4 W і SWR=1,01. Як бачимо, у цьому випадку паралельна компенсація безперечно краща. Якщо таке навантаження буде підключено до передавача, який працює на частоті 14 MHz, паралельно навантаженню слід підключити конденсатор ємністю
Якщо передавач має вихідний П-контур, то цю ємність треба додати до вихідного (холодного) конденсатора. Це можна зробити за допомогою вихідного конденсатора, якщо збільшити його на необхідну величину. Утакому разі отримаємо хороше узгодження передавача, розрахованого на 50 W з навантаженням (у точці з'єднання фідера з передавачем, r = 0), хоча КСВ в кабелі залишиться 2,94. Якщо навантаження буде Zp=50,4-j44 W , паралельно конденсатору П-контуру треба підключити індуктивність 0,5mH (Xl=44 W ) або, якщо є така можливість, ємність „холодного“ конденсатора П-контуру зменшити на 258pF (Xs =-44 W). Частково через це, налаштовуючи П-контур на реальне навантаження, ми отримуємо неоднакову ємність „холодного“ конденсатора порівняно з 50 W еквівалентом. Частково тому, що, змінюючи ємність конденсаторів П-контуру, можна в деяких межах налаштувати передавач на навантаження, не рівне розраховується при проектуванні передавача. Якщо передавач не має П-контуру або тюнера, то ця не скомпенсована реактивність засмучує вихідний фільтр передавача, коефіцієнт відображення r & 0; Хочу зазначити, що ні П-контур, ні тюнер у трансівері або біля нього, КСВ у фідері не змінює. Ці пристрої здатні лише узгодити вихідний опір передавача з вхідним опором фідера в точці його підключення до передавача (не плутати з фідера хвильовим опором), тобто. покращити коефіцієнт відображення r. Щоб покращити КСВ у кабелі, треба узгодити навантаження з хвильовим опором фідера у точці їх з'єднання. Можна одночасно застосовувати послідовну та паралельну компенсацію. Це від конкретного випадку. Наведу справжній приклад. Опір антени на 1,9MHz має імпеданс Zs = 26 + j44 W (Zp = 100 + j59 W), SWR = 3,7. Якщо паралельно навантаженню підключити конденсатор з Xc=-59 W отримаємо Z=100 W , SWR=2, якщо послідовно підключимо конденсатор з Xc=-44 W , отримаємо Z=26, SWR=1,92.Останній варіант кращий, але все одно поганий. Тепер, не змінюючи Rs, підберемо Xs таке, щоб Rp стало б 50 W . Цьому варіанту відповідає Zs = 26 + j25 W. Послідовно з навантаженням підключимо реактивність Xs=(26+j25)-(26+j44)=-j19 W (конденсатор 4,4nF). Отриманий Zs=26+j25 W перерахуємо Zp=50+j52 W . Тепер паралельно підключаємо реактивність Xp=-j52 W (конденсатор 1,6nF) та отримуємо Z=50 W та SWR=1. Все, антена з 50 W фідером узгоджена! Все це легко можна порахувати за допомогою програми MMANA. Я все це писав для того, щоб був зрозумілий механізм налаштування і що на що впливає.
Можна погодити і в інший спосіб. Відомо, що якщо до фідер підключити навантаження, опір якої не дорівнює хвильовому опору фідера, то фідер трансформуватиме опір навантаження. Чисельне значення опору на вході фідера залежатиме від опору навантаження, хвильового опору та довжини фідера. За допомогою програми APAK-EL знаходимо, що якщо до навантаження Zs = 26 + j44 W підключити фідер 50 W довжиною 4,76 м., то на частоті 1,9 MHz на його вході отримаємо Zs = 50 + j69 W. Якщо цьому місці включимо послідовно ємність з Xc=-69 W (конденсатор 1,2нФ), то отримаємо Z=50 W і SWR=1. З цього місця можна підключати 50 W фідер будь-якої довжини.
Можливі та інші варіанти узгодження. Це залежить від розуміння суті та фантазії. Тепер спробуємо узгодити антену на 14 MHz, опір якої Zs = 150-j260 W (Zp = 600-j346 W). Як бачимо, одним компенсуючим елементом не обійдемося. Нам потрібно отримати 50 W, а не 150 W чи 600 W. Вводимо дані в APAK-EL і знаходимо найближчу до навантаження точку, де Rtr = 50 W.
Як бачимо, довжина додаткового кабелю буде лише 30см. Тут будемо мати Zs=50-j161 W . Якщо у цьому місці послідовнопідключимо індуктивність з Xl=161 W, то отримаємо повне узгодження (Z=50 W, SWR=1). Все це можна узгодити і в місці підключення навантаження до фідера. Приклад з MMANA
Як бачимо, можна погодити, підключивши індуктивність 1,35 m H паралельно навантаженню, а сигнал навантаження подавати через конденсатор 68,5pF.
Шлейфи Шлейфами називаються закорочені або відкриті відрізки фідера. В ідеальному фідері (фідер без втрат) опір таких відрізків є чисто реактивний, активної частини немає. Такими відрізками фідер можна користуватися при компенсації реактивної складової. Це зручно, якщо застосовується паралельне компенсування. Часто використовують відрізки до чверті довжини хвилі. Вони можуть бути і довшими, але реальні фідери мають втрати і чим довша лінія, тим більше. Замкнений шлейф електричної довжини до 1/4 л має на кінці індуктивний реактивний опір, розімкнений – ємнісний. Такими відрізками фідера можна імітувати як індуктивність, і ємність. Але треба не забути, що індуктивність чи ємність шлейфу залежить від частоти. У наведеному прикладі бачимо, що треба підключити індуктивність 1,352 m H. За допомогою MMANA отримуємо, що таку індуктивність на 14 MHz має закорочений на кінці шлейф з кабелю RG58/U довжиною 2,62м.
На тому ж прикладі спробуємо те саме узгодити за допомогою MMANA іншим способом, використовуючи тільки шлейф.