Питание нескольких приемников от одной антенны
Джонс GW7BBY/GB2MOP
Многие из нас, имеют несколько приемников, которые нужно подключить к одной приемной антенне. Решением может быть ручной переключатель или набор реле, управляемых переключателем. Основное преимущество этих решений заключается в том, что вносимые потери минимальны на ВЧ, но могут стать проблематичными и дорогостоящими, если вы рискуете работать в диапазонах ОВЧ и УВЧ, и вы должны помнить о переключении! В этой статье мы обсудим пассивные сплиттеры и усилители-распределители.Разветвители
Сплиттеры или сплиттеры/объединители, чтобы дать им их полное название, дают ответ, который не требует переключения, но влечет за собой вносимые потери. Разветвители/объединители являются пассивными двунаправленными устройствами. Трехпортовый разветвитель/объединитель обычно принимает входной сигнал от антенны на одном порту и разделяет его на два, как правило, равных выхода. И наоборот, они могут объединять два входа, возможно, от разных антенн, в один выход. В этой статье я буду называть их сплиттерами, так как это основная функция, которая нас здесь интересует.
Резистивные разветвители просты и их можно сделать очень компактными, а поскольку в них используются только резисторы, они, естественно, широкополосны, работают от постоянного тока до ГГц (если тщательно выполнить). Однако для резистивных устройств некоторые потери неизбежны, но обычно терпимы, если требуется всего несколько портов.
Типичный резистивный разветвитель с тремя портами, одним входом и двумя выходами показан на рис. 1. Порты на рис. 1 помечены в соответствии с двумя соглашениями:
1) Простая маркировка портов 1, 2 и 3, так как любой порт может быть входом. в то время как оставшиеся два являются выходами. И наоборот, в случае объединителя любые два порта могут быть входами, а оставшийся один - выходом.
2) В качестве разветвителя левый порт является входом, а правые являются выходами. Это соглашение, которому я буду следовать в этой статье.
Рис. 1: 3-портовый резистивный разветвитель с двумя выходами.Все три резистора имеют одинаковое значение, рассчитанное следующим образом:
R = Zo x (N-1) / (N+1)
Где Zo = волновое сопротивление, в данном примере 50 Ом, а N = количество выходных портов.
Для трехпортового примера резисторы будут 50 х (2 - 1) / (2 + 1) = 50 х 1 / 3 = 16,667 Ом.
Используя эту формулу, значения резисторов можно рассчитать для любого количества портов.Вносимые потери
Разветвители не являются устройствами без потерь. Мы будем называть их потерями при разделении, и потери, связанные с компонентами, используемыми в его конструкции: резисторы, трансформаторы, конденсаторы и т. п., называемые потерями в тракте.
Вносимые потери представляют собой сумму этих двух потерь.Для показанного трехпортового устройства потери при разделении составят 3 дБ, а потери в тракте также будут 3 дБ, в результате чего общие потери составят 6 дБ (или половину от входного сигнала) между входом и любым выходным портом. Это логично, так как входная мощность делится между двумя выходами. Потери увеличиваются по мере увеличения количества портов.
Общие вносимые потери рассчитываются по формуле:
Вносимые потери = 10Log(1/N) + потери на пути.
или
Вносимые потери = 20Log(1/N)
Эта формула даст общие потери от входа до любого выходного порта. Сюда входят резистивные потери в разветвителе и потери при делении.Вносимые потери можно компенсировать, разместив усилитель перед входным портом, для приведенного выше примера: усилитель на 6 дБ. Для небольшого числа портов приемлем усилитель с низким коэффициентом усиления, но по мере увеличения числа портов потребуется больший коэффициент усиления, а требования к усилителю возрастают, если необходимо избежать нежелательных артефактов.
Изоляция портов
Нам нужно, чтобы сигнал на входе воспроизводился достоверно, с меньшими вносимыми потерями на все выходы. Это может произойти только в том случае, если все порты, входные и выходные, правильно терминированы. Мы не хотим, чтобы недостаток или поведение одного выхода влиял на другие выходы. Степень, в которой это предотвращается, называется изоляцией портов.
Изоляция измеряется между любыми двумя выходными портами, при этом все неиспользуемые порты подключены к характеристическому импедансу. Изоляция портов для резистивных разветвителей плохая. Если вы проработаете несколько примеров, вы увидите, что с увеличением количества портов значения резисторов увеличиваются, поэтому вносимые потери увеличиваются, как и изоляция порта. К тому времени, когда вы доберетесь до разветвителя с 6 выходами, вносимые потери составят около 15,5 дБ, как и изоляция между любыми двумя портами.
Показатели потерь и изоляции остаются верными только до тех пор, пока все порты, включая неиспользуемые, не отличаются в своих характеристиках, импеданс 50 Ом в данном случае. Вероятно, это так и будет, если все ваши приемники родом из «японской эпохи», скажем, с конца 1970-х, начала 1980-х и до наших дней. Проблемы возникают при подключении старых радиостанций, так как их входные импедансы не совпадают: например, HRO: 500 Ом; AR88: 200 Ом; RA17: 75 Ом. Конечно, вы можете спроектировать разветвитель для неравных импедансов. Это предполагает, что вы знаете входной импеданс ваших приемников, но это не всегда так!
В то время как усилитель может компенсировать вносимые потери, ничего нельзя сделать с плохими характеристиками изоляции портов.
В таблице 1 приведены номиналы резисторов и потери для резистивных разветвителей от 2 до 8 контактов.
Другие пассивные сплиттеры
Существуют и другие типы пассивных разветвителей, такие как Уилкинсона (Wilkinson), который зависит от четвертьволновых линий передачи - либо по коаксиальному кабелю, либо на печатной плате, рис. 2.
Разветвители Уилкинсона действительно находят применение только на УВЧ и выше, где четвертьволновые линии передачи могут быть реализованы с короткими отрезками коаксиального кабеля или, чаще, в виде дорожек для печатных плат. Две четвертьволновые линии передачи должны иметь импеданс v2 x Zo = 1,414 x 50 = 70,9 Ом. (Где Zo = 50 Ом для большинства наших приложений).
Рис. 2: Делитель Уилкинсона.Примеры разветвителей Wilkinson, построенных из коаксиального кабеля и печатной платы, показаны на рис. 3 и 4 [1].
Рис. 3: Разветвитель Уилкинсона 50 Ом с использованием коаксиального кабеля.
Рис. 4: Разветвитель Уилкинсона 50 Ом на печатной плате.Гибридные делители мощности
В гибридном разветвителе, показанном на рис. 5, используется трансформатор с 10 витками первичной обмотки и 14 витками вторичной обмотки с отводом от середины. Это соответствует передаточному числу витков 1:1,4. Коэффициент импеданса равен квадрату отношения витков, поэтому 1,42 = 1:2. Таким образом, на порт 1 (вход) подается импеданс 50 Ом, что приводит к 100 Ом между портами 2 и 3. Центральный отвод заземлен через резистор 25 Ом, что дает 50 Ом между каждым выходным портом и землей.
Вносимые потери как для разветвителей Уилкинсона, так и для гибридных разветвителей обычно ограничиваются потерями при разделении с минимальными потерями в тракте. Они также могут демонстрировать хорошую изоляцию портов, но из-за введения индуктивности имеют ограниченную полосу пропускания.
Рис. 5: Гибридный сплиттер.Уилкинсон в основном находит применение в оборудовании с фиксированной или ограниченной частотой, в то время как гибридные конструкции могут удовлетворительно работать на ВЧ, они не будут иметь полосу пропускания чисто резистивных разветвителей.
Введите усилитель-распределитель
Проблема, с которой я боролся во Музее пожарной охраны, заключалась в том, что к одной антенне можно было подключить более 25 рабочих приемников (AR88, RA17, BRT400, Atalanta, Mercury и т. д.) и адаптеры разного возраста: любая из этих радиостанции могла быть активны в любое время, рис. 6. Я также хотел 6-полосную систему для своей домашней станции, где у меня есть Trio R-1000, FRG96000, BC348 и Pye PCR. Это довольно смешанный набор приемников!
Рис. 6: Стойка основного приемника BBC Tatsfield в Музее пожарной охраны.
Эта же антенна также питает три корабельных радиорубки.В случае с музеем было много приемников, а потери через пассивные разветвители и усилительные каскады оказались трудными для обработки, а также различные неточно определенные входные импедансы создают свои проблемы. Дома мои требования более скромные, но входные сопротивления все еще являются потенциальной проблемой.
Усилители-распределители существуют уже много лет. Устройства на основе клапанов использовались на BBC Tatsfield еще до Второй мировой войны для распределения сигналов от одной антенны к множеству приемников. Они часто используются в многоквартирных домах для распределения телевизионных сигналов с одной антенны во все квартиры в доме. Иногда они работают до ВЧ, поэтому могут быть полезны, если вы можете сделать их достаточно дешевыми. Я придумал конструкцию, показанную на рис.7.
Общая компоновка аналогична усилителям-распределителям звука, используемым для отправки сигналов в наушники многим исполнителям, но в них используются операционные усилители ВЧ-сигнала, а не аудио. Остальное взято из примечаний по применению MAX4384. Показанная схема имеет семь выходов от двух MAX4384, дополнительные 4384 могут быть добавлены для дополнительных блоков из четырех выходов. Я использовал три 4384 в своем макете, чтобы получить 11 выходов.
Рис. 7: Схема усилителя-распределителя с семью выходами.MAX4384 — это операционный усилитель с частотой 210 МГц, предназначенный для передачи ВЧ-сигналов по длинным линиям. Каждая микросхема содержит четыре идентичных операционных усилителя с полосой усиления -3 дБ и частотой 210 МГц. Коэффициент усиления практически не меняется до частот выше 100 МГц. MAX4384 предназначен для работы от 4,5 до 11 В.
Антенный вход емкостно соединен через C8 с первым операционным усилителем U2.1, который устанавливает общий коэффициент усиления (R11, 12 и 6) и обеспечивает возбуждение выходных операционных усилителей. Я фактически заменил многооборотный потенциометр на 2 кОм на R11, чтобы я мог установить выход точно равным входу. Каждый выход управляется собственным операционным усилителем, настроенным на единичное усиление. соединены и установлены на 50 Ом резисторами R1, 2, 3, 9, 13, 14 и 15.
Поскольку один выход первого операционного усилителя используется для питания всех входов других операционных усилителей, U1 имеет только три выхода, в то время как остальные 4384 имеют четыре выхода. U2.1 смещен к Vcc/2 резисторами R4 и R8. Остальные микросхемы смещены на резисторы R5 и R10. Возможно, вам будет полезно убрать R7.
Антенны, которые я использую, представляют собой либо длинные провода, либо полуволны с конечным питанием, которые не имеют импеданса 50 Ом.
Эта схема имеет ряд преимуществ, наиболее важным из которых является очень высокая изоляция портов порядка 102 дБ и вносимые потери 0 дБ. Будет очевидно, что все выходные импедансы установлены на 50 Ом, а приемники, с которыми я имею дело, имеют разный диапазон входных импедансов. Хотя на многих выходах будут несоответствия импеданса, потери связанные с этим, являются приемлемыми. Одним из основных преимуществ этой конструкции является то, что очень высокая изоляция портов означает, что, в отличие от пассивных разветвителей, между портами практически нет взаимодействия. Было бы легко настроить выходное сопротивление каждого операционного усилителя, изменив номиналы выходных резисторов. Однако для моего приложения мне требовалась гибкость использования любого выхода для любого приемника. Наконец, MAX4384 — устройства с очень низким уровнем шума.Из схемы видно, что необходимо построить столько секций, сколько требуется для удовлетворения индивидуальных требований. Разработанная мной печатная плата поддерживает 11 выходов от трех MAX4384. На стандартной карте Eurocard (160 x 100 мм) достаточно места, чтобы разместить, возможно, еще два MAX4384 и добавить еще восемь выходов. На рис.8, 9 и 10 показана пустая печатная плата для 11 выходов и два примера заполненных рабочих печатных плат.
Рис. 8: Плата усилителя-распределителя до 11 выходов.
Рис. 9: Первый усилитель-распределитель с разъемами SMA на выходах печатной платы.
Рис. 10: Другая версия с коаксиальным кабелем, припаянным непосредственно к печатной плате.Ряд разъемов SMA, как видно на моей первой печатной плате, выглядит очень красиво, но вы быстро устанете собирать разъемы. Я обнаружил, что гораздо проще и вполне адекватно припаять коаксиальный кабель к выходным разъемам BNC непосредственно на печатной плате.
Если приемная антенна находится в непосредственной близости от передающей антенны, было бы целесообразно добавить два встречно-параллельных диода на входе усилителя-распределителя, чтобы ограничить входное напряжение до ~0,6 В. Это также обеспечит некоторую защиту от накопления статического электричества и близких ударов молнии. (Они были опущены по ошибке в исходной конструкции).
Выводы
Пассивные сплиттеры хороши для приложений, требующих небольшого количества выходов, скажем, от двух до четырех, и где входной импеданс всех приемников хорошо охарактеризован. Для большего количества выходов, где требуется очень хорошая изоляция портов для предотвращения взаимодействия между выходными портами, лучшим выбором будет усилитель-распределитель. Я очень доволен своими усилителями-распределителями. Они сработали именно так, как ожидалось.
"PRACTICAL WIRELESS", August 2023
