Журнал Радіо 4 номер 2002 рік
Ігор ГОНЧАРЕНКО (DL2KQ, EU1TT, [email protected])
ПАРАМЕТРИ ЛІНІЙ ПЕРЕДАЧІ
Основними параметрами лінії передачі є питомі або погонні (на одиницю довжини) індуктивність Lуд, ємність Суд і згасання αуд. Значення Lуд та Суд визначаються конструкцією лінії і майже не залежать від частоти. Їх значення легко визначити експериментально — короткий відрізок лінії (менше 0,05 від тієї довжини хвилі λ, де відбувається вимір) замикається на кінці і вимірюється його індуктивність з іншого кінця. Аналогічно, при розімкнутому відрізку, вимірюється ємність.
Втрати (загасання) в лінії складаються з омічних (струмових) втрат у провіднику αi, втрат в ізоляції αu і втрат на випромінювання αізл: α = αi, +αu+ аізл. Всі три доданки залежать від конструкції лінії та робочої частоти. Вони швидко ростуть із збільшенням останньої.
Найважливіший похідний параметр лінії хвильовий опір. Вимірявши Lуд та Суд, його можна обчислити за формулою
Коефіцієнт укорочення Кук показує, у скільки разів довжина хвилі в лінії менша за довжину хвилі у вільному просторі. Або, що те саме, у скільки разів фізична довжина лінії менша за її електричну довжину. Фізична причина укорочення полягає в тому, що швидкість поширення електромагнітної хвилі в діелектриці менша, ніж у вільному просторі. Тому Кук залежить від діелектричної проникності матеріалу ізоляції і від ступеня заповнення ним простору між провідниками лінії. При суцільному заповненні він дорівнює 1/vε. У застосовуваних радіоаматорами ліній Кук лежить у межах від 0,6 (коаксіальні з суцільним діелектриком) до 0,99 (відкриті двопровідні лінії).
Кук невідомої лінії може бути виміряний. Для цього визначається найменша частота fкз min (МГц), наякої розімкнений на кінці відрізок лінії довжиною (метрів поводиться як коротке замикання (КЗ), повністю шунтуючи вихід ГСС. При цьому Кук = ΙfK3 min/75. Якщо результат підрахунку виявиться раптом в районі 2. 3 або 4. 5, то трапилася помилка при визначенні fK3 min і знайдено не мінімальну частоту КЗ, а її непарну гармоніку (замість чвертьхвильового резонансу знайдено резонанс 3λ/4 або 5λ/4).
ОСНОВНІ ТИПИ ЛІНІЙ ПЕРЕДАЧІ
Однопровідна лінія передачі є провід діаметром d, що йде на висоті h над провідною землею. Хвильовий опір такої лінії: Z0 = 138Ιg(4h/d). Швидко оцінити Z0 (в омах) зручно за табл. 1 .
Лінія такого типу використовується на KB для живлення антен LW та Windom (використовуючи ці антени, не забувайте, що другий провід лінії – земля і хороше заземлення необхідно!).
Основний недолік однопровідної лінії - сильне випромінювання (через велику відстань до землі). Строго кажучи, це не втрати, оскільки сигнал не згасає, а випромінюється в ефір, тобто лінія працює частково і як антена. Але саме тому така випромінююча лінія створює та приймає набагато більше перешкод. Крім того, у просторі навколо дроту лінії на відстані, порівнянному з h (тобто значному), є висока напруженість поля. Оскільки лінія йде прямо до передавача, у це поле потрапляють і оператор, і його сусіди, що шкодить здоров'ю, та й у вимоги щодо норм на напруженість поля у житлових приміщеннях не вкладається.
Двопровідна симетрична лінія являє собою два дроти діаметром d, розташованих на відстані один від одного. Лінія може бути повітряною, так і в діелектриці з проникністю ε. Хвильовий опір двопровідної лінії
Для d=1.5 мм і а=1.30 см діапазон Z0 становить 150.700Ом. Z0 двопровідної повітряної лінії можна розрахувати, скориставшись програмою MMANA. Відкрийте файл ". ANT/фідери/feeder.maa" і перегляньте, як це зроблено. Для швидкої оцінки Z0 повітряної лінії (в омах) зручно використовувати табл. 2 . Якщо лінія в діелектриці, то отримане значення треба розділити на квадратний корінь з ефективної діелектричної проникності, яка менше, ніж ε самого діелектрика, і залежить від конструкції лінії. Ефективне значення можна знайти експериментально, через коефіцієнт укорочення Кук.
Електромагнітне поле двопровідної лінії в основному зосереджено між проводами і швидко зменшується в міру віддалення лінії. З достатньою для практики точністю можна вважати, що на відстані від лінії поля вже немає. Звідси ясно, що двопровідну лінію треба розташовувати не ближче від проводящих і поглинаючих середовищ (щогл, стін і т. д.).
Втрати випромінювання αизл двопровідної лінії зневажливо малі, якщо відношення а/λ. 2. 3%. Саме тому такі лінії використовуються для передачі енергії тільки на KB та низькочастотних УКХ діапазонах. Повітряні двопровідні лінії з Z0 = 400. 700 Ом та Кук = 0,97. 0,99, як правило, виготовляються самостійно, лінії у стрічковому діелектрику випускаються промислово (Z0 = 300. 400 Ом, Кук = 0,82. 0,9).
Коаксіальні лінії найпоширеніші. Це екранований провід у зовнішній ізоляції, з точно витриманим по довжині співвідношенням діаметрів внутрішнього і зовнішнього D провідників і якісним ВЧ діелектриком. Хвильовий опір коаксіальної лінії
Поширені коаксіальні кабелі мають Z0 50, 75 та 100 Ом. Як діелектрик використовуються поліетилен, спінений поліетилен і фторопласт. Перший дешевий, механічно та електрично міцний, але має помітні втрати. Удругий втрати нижче, але нижче і міцність. При великій потужності та виділенні тепла можливі деформація та пробій кабелю (особливо на вигинах з малим радіусом). Найкращі параметри має фторопласт, але він дорогий.
Практично вся енергія електромагнітної хвилі, що передається, зосереджена в просторі між внутрішнім і зовнішнім провідниками коаксіальної лінії. Через скін-ефект глибина проникнення струму в метал навіть на частоті 1,8 МГц становить лише близько 0,05 мм, зменшуючись на більш високих частотах. Тому ВЧ струм у коаксіальній лінії тече поверхнею центрального провідника і по внутрішній стороні обплетення. Товщина останньої навіть для найтонших кабелів у кілька разів більша, ніж глибина проникнення струму, тому до зовнішньої поверхні обплетення поверхні ВЧ струм просто не може дійти. Тому втрати на випромінювання коаксіальної лінії мізерні.
Відсутність ВЧ поля навколо коаксіальної лінії дає можливість прокладати її будь-де (на відміну від двопровідної лінії), що дуже зручно на практиці. Ефективність екранування (ставлення переданої всередині лінії енергії до просочилася в зовнішній простір) становить від 30. 40 дБ для ліній з рідким одинарним обплетенням до 80 дБ і більше для ліній, у яких під оплеткою лежить тонка алюмінієва фольга.
ВТРАТИ В ЛІНІЯХ ПЕРЕДАЧІ
У цьому розділі мова йтиме лише про втрати (загасання) у узгодженій лінії передачі, навантаженої на суто активний опір Rн, що дорівнює хвильовому опору Z0 лінії передачі. Вихідний опір передавача Квих. ген також дорівнює Z0. Розглянемо втрати таких ліній у діапазоні KB (до 30 МГц), де їх втрати на випромінювання дуже малі. Для ліній з повітряним діелектриком втрати в ізоляції αu практично відсутні і сумарнівтрати визначаються лише першим доданком - омічними втратами αi.
Для двопровідної лінії струмові втрати дБ/м описуються формулою
де частота f виражена в мегагерцах, а діаметр дротів d – у міліметрах. Втрати прямо пропорційні квадратному кореню з частоти внаслідок зменшення глибини проникнення струму через скін-ефект і назад пропорційні діаметру проводів лінії.
Менш очевидним є зменшення втрат зі зростанням Z0, але і це стає зрозумілим, якщо ми пригадаємо, що йдеться про струмові втрати. Вони пропорційні квадрату струму, який за фіксованої потужності лінійно зменшується зі зростанням Z0. Нехай, наприклад, опір омічних втрат лінії на деякій частоті становить 50 Ом (це дуже довга і погана лінія з великими втратами). Якщо Z0 лінії також дорівнює 50 Ом, то на нагрівання загубиться половина потужності, що проходить, а якщо Z0 = 500 Ом - тільки 10%. Це та сама причина, через яку силові лінії електропередачі робляться високовольтними — енергетики дбають про малі втрати.
Отже, при однаковому діаметрі проводів втрати менше у високоомних ліній. Автор наполегливо просить читача запам'ятати цю просту закономірність.
Коаксіальні лінії мають малі втрати на випромінювання αизл, що дозволяє їх використовувати як на КВ, так і на УКХ. Для таких ліній вже не можна знехтувати втратами в ізоляції αu і вони додаються до струмових втрат αi. Аналіз показує, що якщо ми зафіксуємо зовнішній діаметр D, є мінімум втрат при відношенні D/d = 3,6. Для ліній з повітряним діелектриком це відповідає Z0 = 76 Ом, а ліній з поліетиленовим діелектриком — 50 Ом. Саме тому більшість коаксіальних кабелів випускаються із хвильовим опором 50 Ом.
Однак треба розуміти, що цей мінімум існуєтільки для коаксіальних ліній і лише за умови сталості зовнішнього діаметра кабелю. Якщо ми одночасно збільшуємо і зовнішній і внутрішній діаметр коаксіального кабелю, то ніякого мінімуму там немає — втрати монотонно знижуються зі зростанням діаметра. Тому, наприклад, хоч і неоптимальний, але товстий 150-омний кабель матиме набагато менші втрати, ніж оптимальний, але тонкий 50-омний кабель.
Порівняння з втрат різних ліній наведено в табл. 3 , де зібрані довідкові дані щодо найбільш уживаних кабелів та ліній. Значення загасання наведено для частоти 20 МГц і довжини лінії 50 м. На інші частоти і довжини лінії загасання можна перерахувати виходячи з того, що втрати зростають пропорційно довжині лінії і квадратному кореню з частоти.
• У діапазоні KB двопровідні лінії мають менші втрати, ніж коаксіальні. • У діапазоні УКХ втрати двопровідних ліній на випромінювання можуть бути неприпустимо великі. • Збільшення відстані між провідниками двопровідної лінії при незмінному їх діаметрі знижує втрати. • Збільшення діаметра проводів при збереженні відношення a/d або D/d зменшує втрати.
ТРАНСФОРМАЦІЯ ПОВНИХ ОПОРІВ ЛІНІЯМИ
Візьмемо лінію електричної довжини L із хвильовим опором Z0 і навантажимо її на комплексний опір ZL = RL + jXL. Який вхідний опір лінії Z, = Ri + JXi ми отримаємо на іншому її кінці? Точну відповідь на це питання дають складні формули, які нам, на щастя, не знадобляться, якщо в комп'ютері встановлено програму моделювання антен MMANA. Відкрийте в ній "Сервіс" та "Установки СУ на лініях 1". Верхня частина цього вікна "Узгодження та трансформація одним відрізком лінії", показана на рис. 1 , допоможе легко зробити всі обчислення.
Введіть довжину (електричну, з урахуванням коефіцієнта укорочення), хвильовий опір, втрати лінії та опір її навантаження RL та jXL. У вікнах R і jX отримайте відповідь.