Симметрирующие устройства
В.Приходько, EW8AU, г. Гомель
Применение симметрирующих устройств необходимо, как в простых, так и в сложных антеннах. При питании симметричных вибраторов коаксиальным кабелем, кроме согласования его входного сопротивления с волновым сопротивлением фидера, необходимо выполнить симметрирование. Непосредственное подключение коаксиальной линии к симметричному вибратору без симметрирующего устройства вызовет появление различий между амплитудами токов в плечах вибратора и приведет к возникновению токов на поверхности внешнего проводника коаксиальной линии. Асимметрия токов в плечах вибратора вызывается тем, что между плечом, подключенным к центральному проводнику коаксиальной линии, и внешним ее проводником образуются токи смещения. Второе плечо вибратора имеет потенциал внешнего проводника коаксиальной линии, разности потенциалов нет и токов смещения здесь не образуется. Асимметрия токов в вибраторе искажает диаграмму направленности, приводит к росту уровней бокового излучения. Более существенное влияние оказывают токи смещения на внешнем проводнике коаксиальной линии. Результатом их действия является антенный эффект фидера. Эти токи при работе горизонтального вибратора на передачу создают паразитное поле излучения с вертикальной поляризацией. В случае горизонтальных приемных антенн асимметрия также вызывает антенный эффект фидера, за счет которого происходит паразитный прием вертикально поляризованного поля. Это сказывается в крупных индустриальных центрах, где уровень помех особенно велик. При настройке антенны асимметрия вызывает погрешности в измерениях. При передаче отраженная волна создает напряжение на корпусе передатчика, даже в том случае, если он заземлен. Большинство любительских радиостанций эксплуатируется в многоэтажных зданиях, где проблема заземления заключается в том, что длина заземляющего провода бывает больше четверти или больше длины волны, на которой работает радиостанция. На проводе заземления образуются стоячие волны. При этом не только радиостанция, но и все совместное с ней оборудование: модемы, компьютеры и т.п. подвержены воздействию высокочастотного сигнала, что может привести к сбою в их работе. В любительской аппаратуре недостаточное экранирование и развязка между каскадами может даже вызывать искажение сигнала при передаче и резко ухудшить качество приема.
Симметрирующие устройства бывают узкополосными и широкополосными, а также могут совмещать в себе функции симметрирования и согласования. Любительские диапазоны очень узкие, поэтому оправдано применение, именно, узкополосных резонансных симметрирующих устройств, которые позволяют не только симметрировать антенну, но и произвести дополнительную селекцию сигнала, заградив приемник от низкочастотных индустриальных помех, работая как фильтр верхних частот. К тому же, резонансным симметрирующим устройством мы можем скомпенсировать входное реактивное сопротивление вибратора, расширив при этом диапазонные свойства самой антенны. В диапазоне коротких и в начале ультракоротких волн лучшим симметрирующим устройством для любительских диапазонов симметрирующая приставка или, как ее еще называют, симметрирующий мостик. Он выполняется в виде двухпроводной симметричной линии из коаксиального кабеля в KB диапазоне или из металлических трубок в УКВ диапазоне длиной 0,25l. С одного конца линия замкнута накоротко, а с другого нагружается симметричной антенной, например, полуволновым симметричным вибратором В точках подключения антенны сопротивление приставки на резонансной частоте очень велико и ее шунтирующим действием можно пренебречь. В приставке устанавливается режим стоячей волны с узлом напряжения и пучностью тока в месте короткого замыкания. Если не нужна трансформация сопротивлений, то симметрирующий мостик делается из коаксиального кабеля, волновое сопротивление которого равно сопротивлению вибратора. Например, полуволновой симметричный вибратор, имеющий волновое сопротивление 73 Ома, возбуждается коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. Симметрирующий мостик изготавливается из коаксиального кабеля 75 Ом (см. поз.5) на рис.1.
Puc.1
Причем, в одной из половинок четвертьволнового мостика центральная жила коаксиального кабеля не используется, что позволяет использовать коаксиальный кабель с любым волновым сопротивлением. Единственное требование которое необходимо выполнить, - тот дополнительный кабель, в котором не используется центральная жила, должен быть такого же диаметра, как и основной питающий кабель. При изготовлении симметрирующего мостика важно сохранять постоянство расстояния между обоими кабелями по всей длине. Образуется двухпроводная линия с каким-то волновым сопротивлением. Чем меньше будет зазор между кабелями, тем выше эффективность симметрирования. Если кабели расположены близко друг от друга, то неизбежны потери в диэлектрике, если же расстояние между кабелями большое, то потери связаны с излучением самой двухпроводной линии. Оптимальное расстояние между центрами двух кабелей - три диаметра используемого кабеля. Коэффициент укорочения кабеля в этом случае 0,92. В симметрирующем мостике ток течет по внешней стороне экранирующей оплетки кабеля (в основном питающем кабеле и по внутренней стороне экрана), поэтому в защитной полиэтиленовой оболочке кабеля неизбежны потери в диэлектрике. Сопротивление потерь определяется свойствами материала, из которого сделана защитная оболочка. Потери в полиэтилене незначительны, но, если в него в качестве красителя добавлена сажа газовая, то потери резко возрастают. В диапазоне коротких волн этим можно пренебречь, но в УКВ диапазоне от 30 МГц и выше для симметрирующего мостика следует применять кабель со светлой оболочкой - белый, серый или светлокоричневый. Особое внимание следует уделять материалу, из которого делаются диэлектрические распорки. Лучшим материалом является фторопласт. Он обладает хорошими диэлектрическими свойствами, легко обрабатывается и позволяет закрепить распорку (поз.1 на рис.1) за счет своей эластичности. Отверстие под кабель сверлится чуть меньше диаметра кабеля, который в свою очередь с натягом входит в это отверстие и перемычки могут хорошо держаться без дополнительного крепления.
Puc.2
Для удобства работы и настройки антенны с симметрирующим мостиком, питающий кабель делается из четырех отрезков. Два отрезка идут на изготовление симметрирующего мостика, третий отрезок, с учетом укорочения, дополняет длину мостика до полуволны. Четвертый - может быть любой длины, но кратной полуволне. Здесь следует понимать, что длина кабеля выбрана кратной полуволне не для того, чтобы запитать антенну резонансным способом, а для проведения ее измерений и настройки. Итак, рассмотрим конкретный пример изготовления и настройки симметрирующего узкополосного устройства, для полуволнового симметричного вибратора на диапазон 14 МГц. Для расчета будем использовать частоту 14150 кГц. Мы знаем, что полуволновой симметричный вибратор имеет входное сопротивление 73 Ома. Для питания применим коаксиальный кабель с полиэтиленовой изоляцией. Если мы намерены работать с мощностью не более 400 Вт, то подойдет "четверка" - РК -75-4-11. .Что про него нам может быть известно? Диаметр внутреннего провода 0,72 мм, внутренний диаметр оплетки 4,6 мм, диметр по оболочке 7,3 мм, диэлектрик - полиэтилен, коэффициент укорочения 0,66. Погонное затухание на частоте 100 МГц - 0,1 дБ/м. Отрезаем два куска по 5 метров. На каждом из отрезков с одной стороны делается разделка для присоединения к антенне, с другой стороны запаивается коаксиальный соединитель СР-75-155П. Применение такого соединителя на конце симметрирующего мостика удобно тем, что позволяет сделать перемычку между двумя оплетками кабеля с хорошим контактом и без его разгерметизации. У этого соединителя имеется наружная резьба, за которую удобно не только гайкой закрепить перемычку (поз.2 на рис. 1), но и подключить измерительный прибор (например, ВЧ-мост). Диэлектрические перемычки закрепляются по всей длине симметрирующего мостика. Со стороны антенны к мостику припаиваем безиндукционный резистор 75 Ом. ВЧ-мостом измеряем сопротивление на частоте 14150 кГц. Подгоняя по длине кабель, добиваемся баланса моста. Конечно, можно отмерить кабель с учетом укорочения - 4876 мм (напомню, коэффициент укорочения 0,92 при расстоянии три диаметра кабеля между центрами). Но лучше провести несколько измерений, подобрав длину кабеля таким образом, чтобы резонанс мостика оказался на частоте 14150 кГц. В дальнейшем будет легче настраивать полуволновой вибратор. Итак, настроив симметрирующий мостик в резонанс, присоединяем к нему при помощи коаксиальных соединителей дополнительный отрезок кабеля. Длина этого отрезка 2114 мм. Длина мостика 4876 мм плюс дополнительный отрезок 2114 мм. Общая длина 6990 мм с учетом коэффициента укорочения. Таким образом мы получили полуволновой повторитель для частоты 14150 кГц. Через него мы и станем настраивать нашу антенну - полуволновой симметричный вибратор. На тот случай, если отсутствуют коаксиальные соединители, то коротко замкнутая перемычка внизу симметрирующего мостика изготавливается из экрана коаксиального кабеля или антенного канатика. Распайку следует делать очень аккуратно, чтобы не деформировать кабель. Место пайки нужно герметизировать водостойким клеем, поверх наложить бандаж полихлорвиниловой изолентой и закрепить капроновой ниткой. Если антенна будет находиться на большой высоте, то длина кабеля должна выбираться кратной полуволне. Следует учитывать, что чем больше полуволн укладывается в кабеле, тем уже полоса пропускания антенны. Достоверность измерений будет только на резонансной частоте и постоянной высоте подвеса антенны. Вибратор настраивается в резонанс с помощью ГИРа или ВЧ-моста, поэтому придется несколько раз опускать и поднимать антенну. Полуволновой диполь при резонансе имеет только активную составляющую входного сопротивления. Небольшое укорочение диполя Приводит к появлению реактивной составляющей емкостного характера. Компенсация этой реактивности производится за счет изменения длины симметрирующего мостика, как правило, его укорочения. На самом деле перепаивать сам мостик несколько раз проблематично. Поэтому компенсация реактивности делается емкостной перемычкой в нижней части симметрирующего мостика. Из тонкой металлической фольги (медь, латунь, алюминий) вырезается узкая прямоугольная пластинка. Внизу мостика она накладывается на оба коаксиальных кабеля, огибая их края по внешней изоляции, таким образом, чтобы свободно перемещаться вверх и вниз. Эта металлическая перемычка работает, как емкость, закорачивающая мостик по высокой частоте. Перемещая перемычку, добиваемся компенсации реактивной составляющей в вибраторе (см.рис.1 и рис.2). Какими еще положительными свойствами обладает четвертьволновый симметрирующий мостик кроме самого симметрирования? Мы настроили мостик в резонанс на частоте 14150 кГц. При увеличении частоты выше резонансной у мостика появляется реактивная составляющая емкостного характера, при уменьшении частоты ниже резонансной появляется реактивность индуктивного характера. А как же себя ведет при этом полуволновой симметричный вибратор? При увеличении частоты выше резонансной в вибраторе появляется реактивная составляющая индуктивного характера, при уменьшении частоты ниже резонансной появляется реактивность емкостного характера. Поскольку реактивные составляющие входных сопротивлений полуволнового симметричного вибратора и мостика вблизи резонанса с изменением частоты имеют разные знаки, то они компенсируются и полоса пропускания антенны расширяется, улучшая КСВ по краям диапазона. Суммируя наши рассуждения, увидим, что применение четвертьволнового узкопо-лосного симметрирующего устройства типа мостик, предоставляет возможность: провести симметрирование антенны; улучшить КСВ в рабочем диапазоне частот и расширить полосу пропускания антенны; компенсацию реактивной составляющей, улучшить помехозащищенность и устранить погрешность при измерении основных параметров. В диапазоне УКВ симметрирующий четвертьволновый мостик изготавливают из медных или алюминиевых трубок, в одну из которых пропускается кабель питания антенны. Перемычка внизу мостика делается подвижной. Если необходимо трансформировать сопротивление, то одна из трубок используется как внешняя оболочка коаксиального тракта. Центральная жила выбирается и изготавливается диаметром, необходимым для получения заданного волнового сопротивления, и рассчитывается также, как обычный четвертьволновый трансформатор. Таким узкополосным симметрирующим устройством, как рассматриваемый мостик, наряду с простыми антеннами, типа полуволновой симметричный диполь, можно симметрировать многоэлементные квадраты и волновые каналы. Например, в многоэлементных "волновых каналах" симметрирующий мостик, при достаточном количестве изоляционных распорок, можно свернуть в рулон или провести вдоль бума поверх трубы к рефлектору и петлей вернуться к мачте по нижней стороне трубы. Расположение и крепление симметрирующего мостика разнообразно и зависит от конструкции антенны. Единственное условие, которое следует выдерживать в данном случае, - мостик должен располагаться симметрично проводящим поверхностям и на одинаковом расстоянии от них по всей своей длине. В диапазоне выше 300 МГц лучше всего работает симметрирующее устройство щелевого возбуждения, рис.3.
Puc.3
Широкополосные апериодические симметрирующие устройства, а также широкополосные на ферритах, не позволяют компенсировать реактивную составляющую антенны и не улучшают основных параметров антенны. Несколько конструкций таких широкополосных симметрирующих устройств описаны в популярных справочниках для радиолюбителей. Если внимательно приглядеться к широкополосному трансформатору, то обнаруживается некоторое сходство с симметрирующим мостиком (см.рис.6).
Puc.6
Отличие в том, что они нерезонансные, и, имея большую индуктивность, работают как дроссель. В домашних условиях трудно изготовить однородную двухпроводную линию с постоянным подлине волновым сопротивлением. Для изготовления широкополосного симметрирующего устройства на ферритовых кольцах необходимо иметь широкий парк измерительных приборов, т.к. формулы для расчета такой двухпроводной линии дают только приблизительные значения, и многое зависит от конструктивного выполнения. Если антенна имеет входное сопротивление 50 или 75 Ом, вместо двухпроводной линии лучше применять коаксиальный кабель, см. рис.7.
Puc.7
Количество витков зависит от магнитной проницаемости применяемого феррита. Индуктивность должна быть примерно О 1 мкГ на метр диапазона. Например, при полосе пропускания от 1 до 10 МГц, расчет производится для частоты 1 МГц. 1 МГц соответствует длине волны 300 метров, индуктивность оболочки должна быть 300 х 0,1 = 30 мкГ (не менее). Рассмотрим интересное решение. При симметрировании антенны "двойной квадрат" в качестве полотна антенны можно использовать коаксиальный кабель, что позволит реализовать симметрирующее устройство в раскрыве антенны (см. рис.4).
Puc.4
Квадрат выполнен из кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом. По левой стороне происходит запитка квадрата, с правой стороны используется только его оплетка. Из левой половины квадрата центральная жила запаивается на оплетку кабеля, правой половины квадрата. Внизу квадрата оплетки спаиваются вместе. Внимательно приглядевшись, обнаруживается, что квадрат напоминает раздвинутый симметрирующий мостик. При таком питании получается хорошая симметрия, но в антенне присутствует большая реактивность 18... 20 Ом и входное сопротивление в точке А составляет 63 Ома. Сам квадрат имеет сопротивление 110 Ом. Трансформация происходит в кабеле в левой стороне квадрата. Но волновое сопротивление кабеля отличается от волнового сопротивления квадрата и, если бы мы запитали его кабелем 110 Ом, то в точке А сопротивление было бы 110 Oм. Теперь следите. Если к квадрату, имеющему входное сопротивление 63 Ома, поднести экран или настроенный рефлектор, то входное сопротивление увеличится до 75 Ом. Точное значение подбирается за счет расстояния между квадратами, как у обычного "двойного квадрата". При использовании фидера из коаксиального кабеля 50 Ом, полотно антенны также делается из 50-омного кабеля. Компенсация реактивности во входном сопротивлении делается в правой половине рамки квадрата. Для этого изменяется ее запитка (см. рис.5).
Puc.5
Отпаиваем центральную жилу кабеля с экрана правой стороны рамки и спаиваем между собой центральные проводники левой и правой половинок рамки. На расстоянии 0,24\ с учетом укорочения в кабеле 0,66 обрываем центральную жилу в правом кабеле. Создаем режим холостого хода (XX). Такая запитка позволит убрать реактивность рамки, но при этом может сдвинуться резонансная частота самой рамки. Если необходимо, чтобы центральная жила в антенне была закорочена, то правую половину рамки подключают с режимом короткого замыкания (КЗ). Для этого в правой стороне рамки центральную жилу замыкают на оплетку через расстояние равное полуволне с учетом укорочения кабеля. Как в первом, так и во втором случае, таким способом мы компенсируем реактивную составляющую во входном сопротивлении антенны. Внизу, в точке нулевого потенциала, удобно поставить коаксиальный тройник СР-75-193Ф. Правая сторона рамки, выполненная из двух отрезков коаксиального кабеля, также собрана на коаксиальных соединителях - двух СР-75-154Ф и одном СР-75-155П. В правой стороне рамки, в месте соединения с тройником, у коаксиального соединителя не ставится центральный штырь с тем, чтобы центральный проводник кабеля не имел контакта с центральным проводником коаксиального тройника - подключена только одна оплетка. В тех местах кабеля, в зависимости от способа запитки, где нужно сделать КЗ или XX, короткое замыкание или обрыв делаются в коаксиальных соединителях. Рассмотренное симметрирование удобно применять в антеннах: одиночный квадрат, при работе на НЧ диапазонах, так как симметрирующий мостик будет иметь большую длину. Входное сопротивление одиночной рамки при таком способе запитки находится в пределах 46 ... 63 Ом, в зависимости от высоты подвеса рамки над землей. Изменяя высоту подвеса рамки над землей можно согласовать антенну с 50-омным трактом. Рамка может быть любой симметричной формы в виде квадрата, ромба, многоугольника, круга или треугольника. Единственное условие - точка нулевого потенциала, иначе, точка подключения фидера питания должна быть симметрична сторонам рамки. Продолжение следует)
Радио Дизайн N 13, c.59-65.