Согласование антенны с фидером: устройства и методы для оптимальной передачи сигнала — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Какие устройства используются для согласования антенны с фидером. Как работают согласующие устройства. Почему важно согласование импедансов антенны и фидера. Какие методы согласования применяются на практике.

Содержание

Важность согласования антенны с фидером

Согласование антенны с фидером играет ключевую роль в обеспечении эффективной работы радиосистемы. Основные причины, по которым необходимо уделять внимание согласованию:

Максимальная передача мощности от передатчика к антенне
Минимизация потерь в фидерной линии
Снижение уровня побочных излучений передатчика
Оптимальная работа выходных каскадов передатчика
Повышение чувствительности приемной системы

При отсутствии согласования часть энергии отражается обратно в передатчик, что снижает КПД всей системы. Поэтому подбор оптимальных методов и устройств согласования является важной инженерной задачей.

Основные типы согласующих устройств

Для согласования антенны с фидером применяются следующие основные типы устройств:

Резонансные LC-контуры
Широкополосные трансформаторы
Коаксиальные трансформаторы
П-контуры
Г-контуры
Автотрансформаторы

Выбор конкретного типа согласующего устройства зависит от требуемого диапазона частот, мощности передатчика, входного сопротивления антенны и других факторов. Рассмотрим принцип работы некоторых популярных схем.

Принцип работы LC-контурных согласующих устройств

LC-контурные согласующие устройства используют резонансные свойства параллельного или последовательного колебательного контура для трансформации сопротивлений. Основные элементы таких устройств:

Катушка индуктивности с отводами
Переменный конденсатор
Переключатель для выбора отводов катушки

Изменяя индуктивность катушки и емкость конденсатора, можно добиться резонанса контура на рабочей частоте. При этом входное сопротивление контура будет трансформироваться, обеспечивая согласование с фидером.

Широкополосные трансформаторы сопротивлений

Широкополосные трансформаторы позволяют согласовывать антенну с фидером в широком диапазоне частот без перестройки. Основные типы:

Ферритовые трансформаторы
Коаксиальные трансформаторы
Линии передачи с распределенными параметрами

Принцип работы основан на трансформации сопротивлений при прохождении волны через отрезок линии определенной длины. Коэффициент трансформации зависит от соотношения волновых сопротивлений трансформатора и согласуемых линий.

Автоматические антенные тюнеры

Автоматические антенные тюнеры позволяют в реальном времени подстраивать параметры согласующей цепи для обеспечения оптимального КСВ. Основные компоненты:

Измеритель КСВ
Микроконтроллер
Электронно-управляемые конденсаторы и катушки
Переключающие реле

Принцип работы: тюнер измеряет КСВ, подбирает оптимальные параметры LC-цепи и коммутирует нужные элементы. Это позволяет быстро согласовывать антенну при смене диапазона или изменении окружающих условий.

Практические методы согласования антенн

На практике для согласования антенн с фидерами применяются следующие основные методы:

Подбор точки питания антенны
Использование четвертьволновых трансформаторов
Гамма-согласование
Применение реактивных шлейфов
Использование симметрирующих устройств

Выбор конкретного метода зависит от типа антенны, диапазона частот, конструктивных особенностей и других факторов. Часто на практике применяется комбинация различных методов для достижения оптимального результата.

Особенности согласования многодиапазонных антенн

Согласование многодиапазонных антенн представляет определенные сложности, так как входное сопротивление антенны меняется при переходе с диапазона на диапазон. Основные подходы к решению этой задачи:

Применение многодиапазонных трапов
Использование параллельных резонансных контуров
Коммутация согласующих цепей при смене диапазона
Широкополосное согласование с допустимым ухудшением КСВ на краях диапазонов

Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Выбор оптимального варианта зависит от конкретных требований к антенной системе.

Измерение параметров согласования антенн

Для оценки качества согласования антенны с фидером используются следующие основные методы измерений:

Измерение КСВ с помощью КСВ-метра или анализатора антенн
Измерение входного сопротивления антенны векторным анализатором цепей

Построение диаграммы Вольперта-Смита
Измерение коэффициента отражения от антенны

Комплексные измерения позволяют оценить качество согласования во всем рабочем диапазоне частот и при необходимости оптимизировать параметры согласующих устройств.

Заключение

Правильное согласование антенны с фидером является важным условием эффективной работы радиосистемы. Современные методы и устройства согласования позволяют решать эту задачу для антенн различных типов и диапазонов частот. При проектировании антенных систем необходимо уделять особое внимание вопросам согласования для достижения максимальной эффективности.

3.3. Устройства согласования антенны с передатчиком и приёмником

Непосредственно к передатчику можно подключить только антенно-фидерное устройство, входное сопротивление которого обеспечивает его нормальную работу. Питание большинства антенн, применяемых в настоящее время радиолюбителями-коротковолновика-ми, осуществляется с помощью коаксиального кабеля с КСВ, близким к 1 (обычно не более 2). Имеющиеся в выходных каскадах ламповых усилителей мощности устройства связи с антенной обеспечивают возможность согласования с такими антенно-фидерными устройствами, т. е. передачу максимальной выходной мощности в антенну. Транзисторные усилители мощности могут не иметь органов регулировки согласования с антенной и требуют подключения к ним фидера с КСВ не более 1,1 … 1,2. Поэтому между антенно-фидерным устройством с большим КСВ и любым передатчиком и между передатчиком, рассчитанным на работу с определенным согласованным фидером (на активную нагрузку 50 или 75 Ом), и любым антенно-фидерным устройством необходимо включить устройство согласования. Для контроля настройки устройства согласования между передатчиком и входом антенны включают измеритель КСВ, как это показано на рис. 3.11. При этом КСВ-метр должен работать при полной выходной мощности передатчика. Схема подключения устройства согласования рис. 3.11 отличается от обычно приводимых схем в учебниках по антенно-фидерным устройствам, где устройство согласования включается между антенной и фидером, обеспечивая минимальный КСВ, а следовательно, и потери в фидере. В практике радиолюбителей-коротковолновиков согласование антенны с фидером достигается включением его в точки питания антенны, сопротивление между которыми близко к волновому сопротивлению фидера или использованием простейших трансформаторов сопротивлений между антенной и фидером. А в некоторых типах KB радиолюбительских антенн применяются фидеры, рассогласованные с антенной, такие сооружения радиолюбители называют антеннами с питанием стоячей волной. При применении в этих антеннах фидерных линий с малыми потерями (например, воздушных двухпроводных симметричных линий) КПД антенно-фидерного устройства, как было показано выше, сохраняется достаточно высоким.

Согласующее устройство, трансформирующее входное сопротивление антенны в активное сопротивление, близкое к 75 Ом, оказывается полезным и при приеме. Оно обеспечивает оптимальное согласование входной цепи приемника (обычно рассчитанной на подключение коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 … 75 Ом) и, следовательно, реализацию полной чувствительности приемника.

Используемые радиолюбителями согласующие устройства (в частности, и описанные ниже) полезны и для улучшения фильтрации побочных излучений передатчика и являются хорошим средством защиты от помех телевизионному приему.

На рис.3.12 приведена схема универсального согласующего устройства, предназначенного для работы с несимметричным антенно-фидерным устройством (антенна, питаемая коаксиальным кабелем, антенна типа «длинный провод» с заземлением и т.п.). Это устройство обеспечивает возможность согласования передатчика, рассчитанного на нагрузку 50 или 75 Ом, с антенной, имеющей активную составляющую входного сопротивления от 10 до 1000 Ом и индуктивную или емкостную реактивную составляющую входного сопротивления до 500 Ом. Диапазон рабочих частот 1,8 … 30 МГц, подводимая мощность до 200 Вт. При необходимости работать с полной мощностью, разрешенной любительским KB радиостанциям, детали устройства (рис. 3.12) должны быть рассчитаны на работу при ВЧ напряжениях, достигающих 3000 В, — зазоры между пластинами С1 должны быть не менее 3 мм, расстояния между контактами переключателей не менее 10 мм. При работе с меньшими мощностями или при согласовании антенн, питаемых коаксиальными кабелями при КСВ не более 3, достаточно использовать С1 с зазором 0,5 мм (сдвоенный конденсатор переменной емкости от старых радиовещательных приемников) и обычные галетные керамические переключатели. Катушка L1 намотана на керамическом каркасе диаметром 50 мм медным проводом диаметром 1,5 мм. Считая от конца, соединенного с XS1, она содержит: два витка с шагом 5 мм, конца, соединенного с XS1, она содержит: два витка с шагом 5 мм, два витка с шагом 5 мм, три витка с шагом 3 мм, три витка с шагом 3 мм, пять витков с шагом 3 мм, пять витков с шагом 3 мм и пять секций по семь витков с шагом 2 мм.

Переключатель SA1 регулирует индуктивность катушки LI. Переключатель SA2 изменяет схему согласования: в показанном на рис. 3.12 положении SA2 конденсатор С1 подключен между выходом передатчика и корпусом, a L1 — между выходом передатчика и антенной.

При этом обеспечивается согласование антенн, имеющих низкое входное сопротивление.

В следующем (по схеме) положении SA2 конденсатор С1 подключается между антенной и корпусом, a L1 остается включенной между выходом передатчика и антенной. В таком положении SA2 обеспечивается согласование антенн, имеющих высокое входное сопротивление. В последнем (по схеме) положении SA2 элементы С1 и L1 включаются последовательно между выходом передатчика и антенной, что позволяет скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления антенны без трансформации его активной составляющей.

Схему рис. 3.12 можно применить и для связи передатчика с несимметричным выходом (под коаксиальный кабель) с симметричной антенной. Для этого между XS2 и антенной необходимо включить симметрирующий трансформатор (рис. 3.13).

Соединитель XS1 подключается к антенному выходу согласующего устройства по схеме рис. 3.12, а к XS2 и XS3 подключаются провода симметричного кабеля, питающего антенну. Трансформатор Т1 можно выполнить на тороидальном ферритовом магнитопроводе с магнитной проницаемостью 70 … 200, диаметром около 100 мм и сечением не менее 2 см2. Обмотка выполняется проводом во фторопластовой изоляции, сечение провода не менее 2 мм2 (можно использовать медный провод, пропущенный в фторопластовую трубку или медный провод с любой другой высокочастотной изоляцией, рассчитанной на напряжение до 3000 В). Обмотку выполняют двумя проводами, скрученными с шагом около 15 мм на одно перекрещивание проводов. Число витков 2×15, начало одного провода соединяют с концом другого, образуя заземляемый отвод трансформатора. Следует учитывать, что в зависимости от входного сопротивления антенны и материала сердечника число витков Т1 возможно придется подобрать. Кроме того, магнитопровод трансформатора может стать источником потерь и нелинейных искажений сигнала, приводящих к появлению побочных составляющих сигнала передатчика в антенне при их отсутствии на его выходе.

Более надежным для работы с симметричной антенной является согласующее устройство, собранное по схеме рис. 3.14. Как и устройство, показанное на рис. 3.12, оно рассчитано на подводимую мощность до 200 Вт в диапазоне 1,8 … 30 МГц. Конденсатор С1 должен иметь зазор между пластинами не меньшее 0,5 мм, а С2 — не меньшее 2 мм. Катушка L1 намотана на керамическом каркасе диаметром 50 мм. От заземляемого отвода в обе стороны ведется намотка медным проводом диаметром 1,2 мм. Первые десять витков в обе стороны от отвода наматываются с шагом 4 мм, далее еще по 20 витков с шагом 3 мм. От каждого витка катушки делается отвод (его удобно выполнить в виде лепестка из медной фольги). Отводы располагаются равномерно по окружности катушки так, что к любому из них легко подключить выводы, соединяющие L1 с устройствами. На каждом диапазоне необходимо подобрать положение подключений соединителей XS2 и SS3 (связь с антенной) и индуктивность L1 закорачивающими перемычками. При этом число положений подключения фидера и число действующих витков с каждой стороны L1 от заземленного отвода должно быть одинаковым. Отвод, подключающий к L1 конденсатор С1 , регулирует связь согласующего устройства с передатчиком. Конденсатор С1 настраивает в резонанс цепь связи с передатчиком, а С2 — цепь связи с антенной. Выполнение регулировки согласующих устройств, сделанных по схемам рис. 3.12 и 3.14 дело трудоемкое. Большое число имеющихся в этих схемах органов настройки позволяет в кабеле, идущем к передатчику, добиться КСВ, близкого к 1. Так как при произвольном положении органов настройки согласующих устройств передатчик может оказаться резко рассогласованным с нагрузкой, регулировку согласования с антенной надо начинать при минимальной мощности передатчика.

Можно использовать на каждом диапазоне (или только на диапазонах, где КСВ в фидере антенны велико) отдельные согласующие устройства, выполненные на основе схем рис. 3.12 и 3.14.

Устройство, собранное по схеме рис. 3.14, позволяет добиться согласования передатчика с антенной при различных установках отводов регулировки связи передатчика и антенны При слабой связи с обоих сторон повышается фильтрующее действие согласующего устройства, но снижается его КПД в процессе эксплуатации радиостанции можно подобрать оптимальные связи в согласующем устройстве, при которых полностью отсутствует проявление побочных излучений при достаточно малых потерях в нем При работе с симметричной антенной целесообразно проверить, выполняется ли в действительности ее симметричное питание Для этого замеряются ВЧ напряжения на проводах фидера по отношению к корпусу передатчика. Их значения должны быть равны с точностью не хуже ±2%.

Согласование антенн и согласующие устройства

В любительской практике крайне редко используются антенны, входное сопротивление которых равно волновому сопротивлению фидера, и в свою очередь, выходному сопротивлению передатчика (идеальный вариант согласования). Чаще всего такого соответствия нет и приходится применять специальные согласующие устройства. Антенну, фидер и выход передатчика следует рассматривать как единую систему, в которой передача энергии должна осуществляться без потерь.

Реализация этой непростой задачи потребует согласования в двух местах: в точке соединения антенны с фидером и фидера с выходом передатчика. Наиболее популярны различного рода трансформирующие устройства: от резонансных колебательных контуров до коаксиальных трансформаторов в виде отрезков коаксиального кабеля требуемой длины. Все они нужны для согласования сопротивлений, что в конечном итоге и приводит к минимизации потерь в линии передачи. И, самое главное, к снижению внеполосных излучений.

Как правило, стандартное выходное сопротивление современных широкополосных передатчиков (трансиверов) 500м. Большинство применяемых в качестве фидера коаксиальных кабелей также имеют стандартную величину волнового сопротивления 50 или 750м. Антенны в зависимости от типа и конструкции могут иметь входное сопротивление в очень широком интервале величин: от нескольких Ом до сотен Ом и больше.
Известно, что входное сопротивление одноэлементных антенн на резонансной частоте носит практически активный характер. И чем больше частота передатчика отличается от резонансной* частоты антенны в ту или другую сторону, тем больше во входном сопротивлении антенны появляется реактивная составляющая емкостного или индуктивного характера. В многоэлементных антеннах входное сопротивление на резонансной частоте имеет комплексный характер, так как свою лепту в образование реактивной составляющей вносят пассивные элементы.

В том случае, когда входное сопротивление антенны имеет чисто активный характер, согласовать его с сопротивлением фидера несложно с помощью любого из подходящих трансформирующих устройств. При этом потери совсем незначительны. Но, как только во входном сопротивлении образуется реактивная составляющая, то согласование усложняется, и требуется более сложное согласующее устройство, способное скомпенсировать нежелательную реактивность. И это устройство должно находиться в точке питания антенны. Не скомпенсированная реактивность ухудшает КСВ в фидере и увеличивает потери.
Попытка полной компенсации реактивности на нижнем конце фидера (у передатчика) безуспешна, так как ограничена параметрами самого фидера. Перестройка частоты передатчика в пределах узких участков любительских диапазонов не приводит к появлению значительной реактивной составляющей, поэтому в большинстве случаев нет необходимости компенсировать реактивность. Правильно спроектированные многоэлементные антенны также не имеют большой реактивной составляющей входного сопротивления, и обычно ее компенсации не требуется.

В эфире часто возникают споры о роли и назначении антенного согласующего устройства (антенного тюнера) при согласовании передатчика с антенной. Одни возлагают на него большие надежды, другие считают его ненужной игрушкой. Чем же на самом деле (на практике) может и чем не может помочь антенный тюнер?

В первую очередь тюнер — это высокочастотный трансформатор сопротивлений, способный при необходимости скомпенсировать реактивность емкостного или индуктивного характера.

Рассмотрим простой пример:
Разрезной вибратор (диполь), имеющий на резонансной частоте входное сопротивление активного характера около 700м, соединен 75-омным коаксиальным кабелем (фидером) с передатчиком, выходное сопротивление которого 500м. Тюнер установлен на выходе передатчика и в данном случае выполняет роль согласующего узла между фидером и передатчиком, с чем он легко справляется.
Если передатчик перестроить на частоту отличную от резонансной частоты антенны, то во входном сопротивлении антенны возникнет реактивность, которая тут же проявится на нижнем конце фидера. Тюнер также способен ее скомпенсировать, и передатчик опять будет согласован с фидером антенны.

Что будет на выходе фидера, в точке его соединения с антенной?
Используя тюнер только на выходе передатчика, полную компенсацию обеспечить не удастся, и в фидере возникнут потери из-за неточного согласования с антенной. В этом случае понадобится еще один тюнер, который придется подключить между фидером и антенной, тогда он исправит положение и скомпенсирует реактивность. В зтом примере фидер выполняет роль согласованной линии передачи произвольной длины.

Еще один пример:
Рамочную антенну, имеющую входное сопротивление активного характера приблизительно 1100м, необходимо согласовать с 50-омной линией передачи. Выход передатчика 500м. Здесь потребуется согласующее устройство, установленное в точке подключения фиДера к антенне. Обычно многие любители используют ВЧ трансформаторы разных типов с ферритовыми сердечниками, но удобнее изготовить четвертьволновый коаксиальный трансформатор из 75-омного кабеля.
Длина отрезка кабеля А/4 х 0. 66, где
Я — длина волны,
0.66 — коэффициент укорочения для большинства известных коаксиальных кабелей.
Коаксиальный трансформатор включается между входом антенны и 50-омным фидером.
Если его свернуть в бухту диаметром 15…20см, то он будет выполнять и функцию симметрирующего устройства. Фидер с передатчиком согласуется автоматически, при равенстве их сопротивлений. В этом случае от услуг антенного тюнера можно вообще отказаться.

Для данного примера возможен еще один способ согласования:
При помощи полуволнового или кратного половине волны коаксиального кабеля вообще с любым волновым сопротивлением (также с учетом коэффициента укорочения). Он включается между антенной и тюнером, находящимся возле передатчика. Входное сопротивление антенны около 110Ом переносится к нижнему концу кабеля и с помощью тюнера трансформируется в сопротивление 500м. В этом случае имеет место полное согласование антенны с передатчиком, а фидер выполняет функцию повторителя.

В более сложных случаях, когда входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению фидера, а сопротивление фидера не соответствует выходному сопротивлению передатчика, необходимы два согласующих устройства. Одно вверху для согласования антенны с фидером, другое внизу — для согласования фидера с передатчиком. И обойтись только одним антенным фидером для согласования всей цепи: антенна — фидер — передатчик не представляется возможным.

Наличие реактивности еще больше осложняет ситуацию. Антенный тюнер в этом случае значительно улучшит согласование передатчика с фидером, облегчив тем самым работу оконечного каскада, но не более того. Из-за рассогласования фидера с антенной будут иметь место потери, и эффективность работы самой антенны будет пониженной. Включенный КСВ-метр между передатчиком и тюнером зафиксирует КСВ=1, а между тюнером и фидером этого не произойдет по причине рассогласоаания фидера с антенной.

Напрашивается вполне справедливый вывод: тюнер полезен тем, что поддерживает нормальный режим передатчика при работе на несогласованную нагрузку, но при этом не способен улучшить эффективность работы антенны при ее рассогласовании с фидером.

П-контур, используемый в выходном каскаде передатчика, также может выполнять роль антенного тюнера, но при условии оперативного изменения индуктивности и обеих емкостей.
Как правило, антенные тюнеры и ручные и автоматические — это резонансные контурные перестраиваемые устройства. Ручные имеют два- три регулирующих элемента и не оперативны в работе. Автоматические — дороги, а для работы на больших мощностях — очень дороги.

Давайте рассмотрим довольно простое широкополосное согласующее устройство (тюнер) на рис 1, удовлетворяющее большинству вариаций при согласовании передатчика с антенной. :

Он очень эффективен при работе с антеннами (рамки, диполи), используемыми на гармониках, когда фидер является полуволновым повторителем. В данном случае входное сопротивление антенны на разных диапазонах различно, но с помощью согласующего устройства легко согласуется с передатчиком. Предлагаемый тюнер может работать при мощностях передатчика до 1,5кВт в полосе частот от 1. 5 до 30МГц.
Основные элементы тюнера — ВЧ автотрансформатор на феррито- вом кольце от отклоняющей системы телевизора УНТ-35 и переключатель на 17 положений. Возможно применение конусных колец от телевизоров УНТ-47/59 или других.

Обмотка содержит 12 витков, намотанных в два провода. Начало одной обмотки соединяется с концом другой. В таблице и на схеме нумерация витков сквозная. Сам провод — многожильный во фторопластовой изоляции. Диаметр провода 2,5мм по изоляции. Отводы сделаны от каждого витка, начиная с восьмого от заземленного конца.

Переключатель — керамический, галетного типа на 17 положений.

Автотрансформатор располагается максимально близко к переключателю, а соединительные проводники между ними должны быть минимальной длины. Возможно применение переключателя на 11 положений при сохранении конструкции трансформатора с меньшим количеством отводов, например, с 10 по 20 виток. Но в этом случае уменьшится и интервал трансформации сопротивлений.

Зная входное сопротивление антенны, можно воспользоваться таким трансформатором для согласовании антенны с фидером 50 или 750м, сделав только необходимые отводы. В этом случае он помещается во влагонепроницаемую коробку, заливается парафином и устанавливается в точке питания антенны.

Также это согласующее устройство может быть выполнено как самостоятельная конструкция или входить в состав антенно-коммутационного блока радиостанции.

Для наглядности метка на ручке переключателя (на лицевой панели) указывает на величину сопротивления, соответствующую данному положению. Для компенсации реактивной составляющей индуктивного характера возможно подключение переменного конденсатора С1, рис.2.

Зависимость сопротивления от количества витков приводится в таблице 1. Расчет производился исходя из соотношения сопротивлений, которое находится в квадратичной зависимости от количества витков.

Таблица 1.

Сопротивление облучателя антенны » Примечания по электронике

Полное сопротивление антенны является ключевым элементом, связанным с ее характеристиками. Для достижения максимального КПД его фидер должен иметь одинаковый импеданс.

Основы антенны Включает:
Основы теории антенн Поляризация Антенна ближнего и дальнего поля Резонанс и пропускная способность Усиление и направленность Полное сопротивление подачи Методы согласования антенн

Одним из аспектов радиоантенн, которому уделяется много внимания, является импеданс их фидеров, поскольку он может оказывать серьезное влияние на характеристики антенны.

Радиоантенна подобна любой другой форме радиочастотной нагрузки или источника сигнала. Он имеет сопротивление нагрузки или источника.

Причина, по которой импеданс антенны так важен, заключается в том, что для получения оптимальных характеристик фидер антенны должен быть согласован с антенной, чтобы обеспечить передачу максимальной мощности.

Соответственно, важно понимать импеданс любой антенны, чтобы получить наилучшие характеристики.

Основные сведения об импедансе облучателя антенны

Этот импеданс известен как импеданс фидера антенны. Это сложный импеданс, который состоит из нескольких составляющих: сопротивления, емкости и индуктивности.

Полное сопротивление антенны зависит от ряда факторов, включая размер и форму РЧ-антенны, рабочую частоту и окружающую среду. Видимый импеданс, как правило, сложный, т. е. состоящий из резистивных и реактивных элементов.

При подаче сигнала от источника сигнала, либо напрямую, либо через фидер, он будет иметь определенный импеданс, и это влияет на то, как сигнал принимается антенной и передается мощность.

То же верно и в обратном направлении для сигналов, которые антенна «получила из эфира» и которые необходимо передать либо напрямую, либо через фидер или линию передачи к приемнику.

Значение импеданса облучателя антенны

Легче представить мощность, поступающую из фидера в антенну, и хотя будет описано это направление передачи мощности, то же самое происходит и в противоположном направлении, когда антенна используется для приема.

Все фидеры и даже источники радиочастотного сигнала имеют волновое сопротивление, и все антенны имеют импеданс фидера.

Для передачи максимальной мощности импедансы должны совпадать.

Возьмем пример фидера 50 Ом, подключенного к антенне 50 Ом. Фидер сможет подавать мощность с напряжением и током с соотношением, эквивалентным 50 Ом

Однако, если фидер 50 Ом подключен к антенне 75 Ом, соотношение напряжения и тока фидера не будет соответствовать соотношению антенны. Поскольку антенна может принимать только мощность, отношение напряжения к току которой соответствует 75 Ом, она не может принимать всю мощность.

Если фидер подает 50 вольт на 1 ампер, то антенна может принять 50 вольт, но только на 0,66667 ампер (что соответствует соотношению 75 Ом).

Мощность отражается, когда импедансы фидера и нагрузки не совпадают.

Оставшаяся мощность отражается обратно вдоль фидера, и принимается только часть мощности. Также вдоль фидера формируются стоячие волны, имеющие впадины и пики напряжения и тока.

Примечание по коэффициенту стоячей волны, КСВ и КСВ:

Стоячие волны часто связаны с радиочастотными фидерами и генерируются при несоответствии импеданса фидера и импеданса нагрузки. При несоответствии мощность отражается, и объединенные напряжения и токи прямой и отраженной мощности образуют вдоль фидера стоячие волны.

Подробнее о Коэффициент стоячей волны по напряжению, КСВН.

Резистивные элементы сопротивления облучателя антенны

Резистивные элементы состоят из двух компонентов. Они складываются вместе, чтобы сформировать сумму общих резистивных элементов.

Сопротивление потерь: Сопротивление потерь возникает из фактического сопротивления элементов ВЧ-антенны, и мощность, рассеиваемая таким образом, теряется в виде тепла. Хотя может показаться, что сопротивление «постоянному току» низкое, на более высоких частотах проявляется скин-эффект, и используются только площади поверхности проводника. В результате эффективное сопротивление выше, чем было бы измерено при постоянном токе. Он пропорционален окружности проводника и квадратному корню из частоты.

Сопротивление может стать особенно значительным в сильноточных участках РЧ-антенны, где эффективное сопротивление низкое. Соответственно, чтобы уменьшить влияние сопротивления потерь, необходимо обеспечить использование проводников с очень низким сопротивлением.
Радиационная стойкость: Другим резистивным элементом импеданса является «радиационная стойкость». Это можно рассматривать как виртуальный резистор. Это происходит из-за того, что мощность «рассеивается», когда она излучается радиочастотной антенной.
Цель состоит в том, чтобы таким образом «рассеять» как можно больше энергии. Фактическое значение сопротивления излучения варьируется от одного типа антенны к другому и от одной конструкции к другой. Это зависит от множества факторов. Однако, чтобы дать представление о том, какие цифры можно ожидать, типичный полуволновой диполь, работающий в свободном пространстве, имеет радиационное сопротивление около 73 Ом.

Другие типы антенн будут иметь другие уровни радиационной стойкости, и даже радиационная стойкость диполя будет значительно различаться в зависимости от наличия поблизости объектов. Например, диполь используется в качестве основного активного или ведомого элемента в антенне Yagi. Паразитные элементы по обе стороны от диполя, которые придают всей антенне ее диаграмму направленности, приводят к значительному падению входного импеданса диполя, часто до 20 Ом или меньше.

Реактивные элементы антенны

Имеются также элементы, реагирующие на полное сопротивление подачи. Они возникают из-за того, что элементы антенны действуют как настроенные цепи, обладающие индуктивностью и емкостью.

При резонансе, когда работает большинство антенн, индуктивность и емкость компенсируют друг друга, оставляя только сопротивление комбинированного сопротивления излучения и сопротивления потерь.

Изменение импеданса антенны

Однако по обе стороны от резонанса импеданс облучателя быстро становится либо индуктивным (если работает выше резонансной частоты), либо емкостным (если работает ниже резонансной частоты).

Факторы, влияющие на импеданс антенны

Сопротивление облучателя различных антенн может сильно различаться. Некоторые могут иметь низкий импеданс, тогда как другие могут иметь гораздо более высокий импеданс.

Понимание того, почему разные антенны имеют разные значения импеданса, позволяет использовать правильные методы подачи и улучшать их характеристики.

Существует множество причин, по которым сопротивление облучателя различных антенн меняется. Мы включили некоторые из основных причин ниже:

Точка подачи: Точка подачи антенны оказывает большое влияние на видимый импеданс подачи.
Формы тока и напряжения на полуволновом диполе
Возьмем пример полуволнового диполя. Видно, что ближе к концу проводника ток минимален, а напряжение максимально. И наоборот, в центре ток максимален, а напряжение минимально. В результате диполь с центральным питанием имеет низкий импеданс питания (фактически 73 Ом в свободном пространстве). Это согласуется с законом Ома, согласно которому низкое напряжение, деленное на ток, дает низкий импеданс.
Если антенна питается с конца, то она питается в точке напряжения, и импеданс питания будет высоким.
Обычно предпочтительны точки питания с низким импедансом, поскольку часто используется коаксиальный кабель, который имеет относительно низкий импеданс. 50 Ом является стандартным для большинства приложений, включая радиосвязь, профессиональное использование и т. п., но для домашнего вещания, т. е. телевидения и радио, стандартный импеданс составляет 75 Ом.
Близость других объектов: Обнаружено, что если другие объекты находятся близко к антенне, это оказывает большое влияние на импеданс облучателя.
Например, диполь используется в более крупной антенне Yagi, тогда паразитные элементы резко снижают импеданс фидера. с отражателем и директорами входное сопротивление диполя может упасть со значения в свободном пространстве 73 Ом до значений 20 Ом или меньше.
Высота над землей: Одной из основных проблем для ВЧ-антенн с точки зрения входного импеданса, а также многих других аспектов их работы является высота над землей. Земля будет иметь большое влияние на импеданс, будь то горизонтальная антенна или вертикальная антенна. Как правило, по мере того, как он становится выше над землей с точки зрения количества длин волн над землей, эффект уменьшается, но вблизи земли он оказывает большое влияние.
Тип антенны: Тип антенны также оказывает большое влияние на импеданс фида. Влияние оказывают не только такие элементы, как положение облучателя вдоль антенны, но и другие аспекты, например, является ли антенна горизонтальным диполем или вертикальной четвертьволновой антенной.

Существует множество факторов, влияющих на импеданс антенны. При установке или проектировании антенны это следует учитывать, чтобы обеспечить оптимальную подачу.

Эффективность

Естественно, важно обеспечить, чтобы доля мощности, рассеиваемой на сопротивлении потерь, была как можно меньше, оставляя наибольшую долю рассеиваемой на сопротивлении излучения в виде излучаемого сигнала. Отношение мощности, рассеиваемой на сопротивлении излучения, к мощности, подводимой к антенне, является эффективностью.

Можно использовать различные средства, чтобы обеспечить максимально возможную эффективность. К ним относятся использование оптимальных материалов для проводников для обеспечения низких значений сопротивления, проводников с большой окружностью для обеспечения большой площади поверхности для преодоления скин-эффекта и отказ от использования конструкций, в которых присутствуют очень высокие токи и низкие значения импеданса питания.

Другие ограничения могут требовать, чтобы не все эти требования могли быть выполнены, но, используя инженерную оценку, обычно можно получить подходящий компромисс.

Можно видеть, что импеданс облучателя антенны особенно важен при рассмотрении любой конструкции радиочастотной антенны. Однако путем максимизации передачи энергии путем согласования фидера с импедансом фидера антенны можно оптимизировать конструкцию антенны и получить наилучшие характеристики.

Дополнительные темы по антеннам и распространению:
ЭМ волны Распространение радио Ионосферное распространение Грунтовая волна Разброс метеоров Тропосферное распространение Основы антенны Кубический четырехугольник Диполь Отключить Ферритовый стержень Логопериодическая антенна Антенна с параболическим отражателем Антенны с фазированной решеткой Вертикальные антенны Яги Заземление антенны телевизионные антенны Коаксиальный кабель Волновод КСВ Антенные балуны MIMO
Вернитесь в меню «Антенны и распространение». . .

Методы согласования антенн » Примечания по электронике

Очень важно, чтобы импеданс антенны был правильно согласован с ее фидером, и есть несколько методов, которые можно использовать: трансформаторы импеданса — балуны и разветвители, антенные тюнеры, согласующие шлейфы и т. д. .

Методы согласования импеданса: Соответствие антенны треугольнику Гамма-соответствие антенны согласование линии передачи λ/4

При проектировании или установке антенной системы очень важно убедиться, что импеданс источника сигнала или фидера соответствует импедансу антенной системы.

Обеспечение точного согласования импеданса обеспечивает оптимальную передачу мощности и, следовательно, оптимальную эффективность. Это может быть важно, когда используются системы радиосвязи или широковещательные передатчики, поскольку в этих ситуациях решающее значение имеют характеристики антенны.

Хотя в некоторых антенных системах используется высокий уровень КСВ в двойном или открытом механизме подачи проволоки, в конечном итоге для обеспечения оптимальной передачи мощности передатчику потребуется хорошее согласование.

Кроме того, если передатчик обнаруживает плохое совпадение, он не будет работать эффективно, а в некоторых случаях может возникнуть вероятность повреждения. Любой радиопередатчик или вещательный передатчик, работающий на разумном уровне мощности, должен иметь хорошее согласование импеданса.

Для приема обеспечение хорошего согласования обеспечит прием наилучшего сигнала, хотя иногда потребность в высокоэффективных антеннах не так важна.

Необходимость согласования антенн

Одной из основных причин, по которой требуется хорошее согласование между антенной и фидером, является обеспечение низкого уровня стоячих волн, КСВ. Также называемый КСВ — коэффициентом стоячей волны по напряжению, низкий уровень КСВ часто требуется для удовлетворительной работы передающей антенны.

Хотя потребность в очень хорошо согласованном сочетании фидера и антенны не столь необходима для приема, для передачи это может иметь решающее значение.

Мощность, передаваемая от передатчика через фидер, достигает антенны. При плохом совпадении мощность будет отражаться обратно вдоль фидера.

Отраженная мощность создаст стоячие волны вдоль фидера. В различных точках фидера будут пики напряжения и тока.

Стоячие волны могут вызвать несколько проблем для передающих систем:

Пики напряжения и тока могут повредить фидер: В некоторых случаях пики напряжения и тока могут повредить фидер, если превышены его пределы. Высокий уровень тока может вызвать местное нагревание и, возможно, расплавить фидер. Высокое напряжение может привести к разрушению изоляции. И то, и другое маловероятно, потому что для возникновения этих проблем фидер должен работать очень близко к своим пределам.
Усилитель мощности передатчика может быть поврежден: Если высокий уровень отраженной мощности достигнет усилителя мощности передатчика, это может привести к выходу из строя устройств вывода. Современные полупроводниковые приборы могут практически мгновенно выйти из строя при превышении максимального уровня напряжения. Кроме того, избыточный ток, вызванный стоячими волнами отраженной мощности, также может привести к выходу из строя устройств вывода.
Ввиду этого многие усилители имеют встроенную схему защиты для снижения уровня мощности передатчика, чтобы не превышались номинальные параметры выходного устройства. Потеря мощности сигнала может привести к более низким уровням сигнала на приемнике и может привести к отказу линии радиосвязи.
Другие выходные усилители имеют достаточный запас по номиналам, чтобы приспособиться к высоким уровням КСВ и отраженной мощности. Однако это увеличивает стоимость и нежелательные возможности усилителя, которые обычно не нужны.
Потеря сигнала из-за высокого КСВ: Тот факт, что мощность отражается от антенны, приводит к потере мощности или сигнала. Это снизит эффективность антенной системы.

Мощность отражается, когда импедансы фидера и нагрузки не совпадают

По целому ряду причин полезно, чтобы вся антенная система работала с низким уровнем отраженной мощности.

Примечание по коэффициенту стоячей волны, КСВ и КСВН:

Стоячие волны часто связаны с ВЧ-фидерами и генерируются при несоответствии импеданса фидера и импеданса нагрузки. При несоответствии мощность отражается, и объединенные напряжения и токи прямой и отраженной мощности образуют вдоль фидера стоячие волны.

Подробнее о Коэффициент стоячей волны по напряжению, КСВН.

Согласование антенны

Чтобы антенная система обеспечивала хорошее согласование с фидером и не отражала мощность обратно к передатчику, часто используется схема согласования антенны в той или иной форме.

Эти схемы согласования могут иметь различные формы: от катушек индуктивности, действующих как автотрансформаторы в основании антенны, трансформаторов, таких как балуны, в точке питания антенны, до блоков настройки или согласования, которые можно использовать для обеспечения переменного согласования по диапазон частот. Соответствующие заглушки также могут использоваться вместе с множеством других методов.

Базовая блок-схема антенной системы

Следует также упомянуть, что в некоторых антеннах, особенно в ВЧ-антеннах, может использоваться открытый механизм подачи проволоки, способный работать с высоким уровнем КСВ. Эта форма фидера будет иметь очень низкий уровень потерь и может выдерживать высокие уровни КСВ. Однако, в конечном счете, перед передатчиком необходима определенная форма согласования, чтобы передатчик мог видеть правильный импеданс для удовлетворительной работы.

Различные методы обеспечения хорошего соответствия будут описаны в следующих разделах, хотя некоторые методы могут рассматриваться как дублирующие друг друга.

Антенные тюнеры / блоки согласования

Одной из широко используемых форм согласования для антенны является использование блока настройки или согласования на основе катушки индуктивности/конденсатора.

Эти схемы настройки или согласования антенны могут иметь различные формы. Они могут быть встроены в печатную плату для небольших передатчиков в электронном оборудовании — от радиоустройств ближнего действия, системы Bluetooth и т. д., где необходимо согласовать небольшие антенны с высоким уровнем импеданса с передатчиком / приемником для обеспечения оптимальной работы.

Их также можно использовать с передающей и приемной ВЧ-антеннами для обеспечения оптимального согласования.

Типичный антенный тюнер любительского диапазона КВ с ручной регулировкой

Эти блоки антенного тюнера КВ, ATU часто размещаются в отдельном корпусе и имеют элементы управления, позволяющие им согласовывать передатчик и антенну в используемых диапазонах частот и диапазонах.

Этими ATU можно управлять вручную, хотя все чаще появляется возможность управлять ими с приемопередатчика ВЧ-диапазона и выполнять автоматическую настройку.

Примечание по блоку настройки антенны:

Блоки настройки антенны можно использовать различными способами для настройки или согласования антенны. Это особенно полезно, когда речь идет о передающих станциях, поскольку позволяет защитить передатчик от высоких уровней стоячих волн и результирующих пиков напряжения и тока, которые могут привести к повреждению выходных устройств.

Подробнее о блоках настройки антенн, ATU.

Согласующий трансформатор в вертикальных антеннах

Часто необходимо обеспечить какую-либо форму преобразования импеданса в самой антенне.

Часто вертикальные антенны необходимо запитывать коаксиальным кабелем сопротивлением 50 Ом, но импеданс вертикальной антенны обычно ниже: часто около 20 Ом.

При таком импедансе и использовании стандартного коаксиального кабеля сопротивлением 50 Ом будет значительное рассогласование.

Чтобы избежать этого, в основание антенны обычно помещают согласующий трансформатор. Часто это может быть простая катушка с отводом, чтобы обеспечить правильное преобразование импеданса.

Балуны

Согласование антенны включает в себя не только согласование импеданса. Это очень важно, но еще одним аспектом согласования антенн является обеспечение перехода от симметричных систем к несимметричным.

Это часто происходит из-за того, что многие антенны, такие как дипольная антенна, имеют симметричный вход, тогда как для питания антенны часто используется коаксиальный кабель. Коаксиальный кабель представляет собой несимметричный фидер, и, хотя это очень удобная форма фидера, необходимо сделать подходящий переход между несимметричным коаксиальным фидером и симметричной дипольной антенной.

Существует множество форм балунов, которые можно использовать, каждая из которых имеет немного разные физические характеристики, но всегда обеспечивает переход от сбалансированного к несбалансированному.

Часто балуны, но не всегда, используют соотношение витков 1:1, потому что импеданс антенны и импеданс фидера достаточно согласованы, и дополнительное преобразование импеданса не требуется.

Примечание по антенным балунам:

Балуны используются со многими антеннами и их системами питания для перехода от симметричной системы к несимметричной или наоборот. Они могут принимать различные формы и использоваться во многих антенных системах.

Подробнее об антенных балунах.

Дельта-совпадение

Часто необходимо иметь антенный элемент, питаемый не от центра, с разрывом проводника в центре. Это особенно полезно для лучевых антенн Yagi, где физическая конструкция, особенно на ВЧ, означает, что антенну можно сделать намного более надежной с помощью непрерывного полуволнового элемента.

Концепция системы согласования импеданса дельты антенны

. Это можно легко согласовать с помощью так называемого дельта-согласования — оно получило свое название из-за формы устройства согласования импеданса.

Соответствие треугольнику работает, потому что оно запитывает антенну в точках, где соотношение напряжения и тока таково, что импеданс намного выше. Это очень полезно для таких антенн, как Yagi, где импеданс фидера намного ниже 50 Ом из-за близости используемых паразитных элементов.

Стоит отметить, что согласование антенны треугольником по-прежнему требует использования симметричного фидера. Это означает, что для любого перехода на несбалансированный фидер, такой как коаксиальный кабель, потребуется балун для преобразования фидера из сбалансированного в несбалансированный.

Подробнее о . . . . Соответствие импеданса антенны треугольником

Гамма соответствует

Во многих отношениях гамма-сопоставление очень похоже на дельта-сопоставление. Опять же, он использует непрерывный проводник для ведомого элемента, но вместо этого он соединяется с центром антенного элемента, который часто соединяется со штангой конструкции антенны, такой как Yagi, которую можно рассматривать как потенциал Земли.

Затем он использует соединение со смещением, питаемое через конденсатор, чтобы удалить реактивные элементы импеданса питания.

Концепция системы согласования импеданса гамма-излучения антенны

Система согласования гамма-излучения или гамма-подача имеет два основных преимущества. Во-первых, это позволяет сконструировать основной элемент антенны из одного цельного проводника, что очень полезно с точки зрения физической конструкции, особенно для больших антенн, где важна механическая прочность.

Однако согласование гаммы также обеспечивает несбалансированный вход, поэтому коаксиальный кабель может быть подключен непосредственно к нему без использования балуна.

Недостатком является наличие конденсатора, который необходимо подрезать для обеспечения оптимальной производительности.

Подробнее о . . . . Соответствие гамма-импеданса антенны

Четвертьволновые фидерные трансформаторы

Из четвертьволнового фидера можно сделать согласующий трансформатор импеданса.

Управляя импедансом четвертьволнового фидера, используемого для трансформатора, можно согласовать практически любые два уровня импеданса, хотя крайние значения импеданса могут быть не совсем приемлемыми с практической точки зрения.

Недостатком этого метода является то, что не всегда легко получить требуемый импеданс фидера для четвертьволнового участка. Однако, если используется открытый механизм подачи проволоки, можно варьировать толщину проволоки и расстояние между ними, чтобы получить желаемое.

Коаксиальный фидер

немного сложнее, потому что он доступен только с относительно ограниченным числом уровней импеданса.

Тем не менее, этот метод находит применение в ряде конструкций антенн, где согласующая фидерная секция может быть встроена в основную антенну.

Подробнее о . . . . Фидерный трансформатор на четверть длины волны

Шлейфы согласования полного сопротивления

Согласующие шлейфы состоят из отрезков линии передачи, обычно либо коаксиальной, либо сбалансированной фидерной линии, которые обрезаются до определенной длины для обеспечения требуемого преобразования импеданса.

Закороченный шлейф может иметь реактивное сопротивление любого значения. Это может действовать как устройство согласования импеданса, которое компенсирует реактивную часть комплексного импеданса.

Недостатком этих шлейфов является то, что они меняют свое значение в зависимости от частоты и поэтому обеспечивают только узкополосное решение. Новый шлейф требуется, если производится какое-либо значительное изменение частоты.

В дополнение к этому, эти шлейфы могут занимать значительную длину в зависимости от используемой частоты.

Четвертьволновые трансформаторы для линий передачи

Другой метод, использующий линии передачи или фидеры для обеспечения согласования, заключается в использовании четверти длины волны линии передачи. Часто используется открытая проводная линия передачи, но также возможен коаксиальный фидер.

Используя четвертьволновую линию передачи или фидер, можно преобразовать импеданс из одного значения в другое, что позволяет обеспечить правильное согласование для антенны.