Сумматоры—делители мощности для антенн
Владимир ПРИХОДЬКО (EW8AU), г. Гомель, Беларусь
Для эффективной работы в эфире радиолюбители применяют направленные антенны с большим коэффициентом усиления. Чтобы проводить дальние связи, одной антенны бывает недостаточно, требуются антенные решётки из нескольких однотипных антенн. В связи с этим встаёт вопрос о сумматоре—делителе сигнала и по какой схеме его лучше сделать. Рассмотрим для примера стек из двух антенн, каждая из которых имеет входное сопротивление 50 Ом. Существует несколько основных вариантов конструкции и принципа действия сумматоров-делителей, выполняющих ещё и функцию согласования передатчика (и приёмника) с антеннами [1]. Один из самых распространённых вариантов — применение четвертьволнового трансформатора, который изготавливают из коаксиального кабеля (рис. 1). Физическую длину кабеля выбирают исходя из коэффициента укорочения а, который зависит от его конструкции.
Рис. 1.При параллельном включении двух антенн импедансом по 50 Ом результирующий импеданс будет 25 Ом. Для их согласования потребуется четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением Z0 = 35,3 Ом. Кабеля с таким сопротивлением не существует, поэтому можно использовать два отрезка коаксиального кабеля по 75 Ом, которые включены параллельно и в результате дают сопротивление 37,5 Ом (рис. 2).
Рис. 2.Так как сопротивление трансформатора более 35,3 Ом, КСВ при таком сложении будет больше единицы, в лучшем случае КСВ = 1,12. При этом если мы посмотрим на КСВ со стороны каждой антенны, то оно также не будет равно единице, а это говорит о дополнительных потерях. Ещё хуже то, что при таком соединении двух антенн в стек присутствует непосредственная связь между ними, т. е. отсутствует развязка. Кроме того, между антеннами присутствует связь через электромагнитное поле, поэтому антенны немного расстраивают друг друга, ещё больше ухудшая КСВ и другие параметры. Это хорошо показывает программа MMANA, поэтому требуется оптимизация двух антенн с небольшой корректировкой их размеров.
Схема ещё одного варианта аналогичного сумматора—делителя питания двух антенн показана на рис. 3, но ей присущи те же недостатки.
Рис. 3.Схема сумматора—делителя Уилкинсона показана на рис. 4. Он обеспечивает между антеннами развязку по сигналу не менее 14 дБ, что значительно улучшает характеристику стека, но для этого требуется кабель с волновым сопротивлением 70,7 Ом.
Стандартного кабеля с таким волновым сопротивлением нет, поэтому радиолюбители иногда изготавливают такие линии самостоятельно, например, коаксиал на основе алюминиевых трубок, или изменяя толщину внутренней изоляции коаксиального кабеля. Пример способа изменения волнового сопротивления коаксиального кабеля иллюстрирует рис. 5.
Рис. 4.
Рис. 5.Однако такой вариант изменения волнового сопротивления, во-первых, пригоден для реализации только для УКВ-диапазона, где отрезки кабеля относительно небольшие, во-вторых, он трудоёмок и желаемый результат получить не просто. На рис. 6 показана схема, а на рис. 7 — конструкция сумматора—делителя Уилкинсона на основе кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом. Для уменьшения КСВ здесь добавлены подстроечные конденсаторы С1—СЗ. Эти конденсаторы должны выдерживать мощность сигнала, проходящего через такое устройство.
Рис. 6.
Рис. 7.В диапазоне коротких волн описанные выше делители—сумматоры предполагают большой расход коаксиального кабеля, поэтому предпочтительна их реализация на основе LC-элементов. Такой делитель—сумматор можно рассчитать с помощью различных программ, одна из них — RFSim99. Пример расчёта на частоту 145 МГц показан на рис. 8.
Рис. 8.Лучший вариант делителя—сумматора получается при применении гибридного кольца (рис. 9) [2].
Для УКВ-диапазона его можно изготовить из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом и малыми потерями (рис. 10). Но аналогичный по параметрам делитель—сумматор можно изготовить на LC-элементах. Для его расчёта можно воспользоваться той же программой.
Рис. 9.На рис. 11 показана схема гибридного кольца для диапазона 14 МГц, а на рис. 12 — его конструкция.
Рис. 10.
Рис. 11.
Рис. 12.Гибридное кольцо интересно ещё тем, что с его помощью можно не только делить и суммировать сигналы, но и проводить другие действия. Например, возможны одновременная работа приёмника и передатчика на общую антенну, измерение сопротивлений антенн или других устройств, реализация делителей—сумматоров для синфазного или противофазного питания антенн.
Делители—сумматоры на LC-элементах, в отличие от устройств на отрезках кабеля, имеют возможность налаживания требуемых параметров. Опыт и макетирование таких устройств позволили сделать вывод, что их относительно нетрудно реализовать в домашних условиях до частоты 500 МГц с очень малыми значениями КСВ от 1,006 до 1,01.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. — М.: Высшая школа, 1988.
2. Приходько В. Улучшение основных характеристик антенн с активным рефлектором. — URL: https://www.qrz.ru/schemes/contribute/antenns/ew8au/improve.shtml (25.09.22).
Радио 11-2022
[ На главную ] [ Антенны ]
