ПPOCTO ОБ АНТЕННАХ, ИЛИ ИЗМЕРЯЕМ КСВ (часть 2)
В.БАШКАТОВ, US0IZ, г.Горловка, Донецкой обл.
Прежде чем переходить к рассказу о том, как работают различные КСВ-метры, необходимо упомянуть о допустимых на практике значениях КСВ. Хотя существуют антенны, работающие с высоким значением КСВ в фидерной линии (иногда говорят - с "резонансным фидером"), принято считать, что приемлемым является КСВ, не превышающий двух. Эта рекомендация оправдана по нескольким причинам: - во-первых, отраженная от нагрузки волна уносит часть высокочастотной энергии, что может снизить КПД антенно-фидерного тракта. Используя специальное согласующее устройство (антенный тюнер), эту энергию в конце концов можно "загнать" в нагрузку практически при любом значении КСВ в фидере. Однако в этом случае на радиостанции появляется дополнительное устройство, достаточно сложное в изготовлении и эксплуатации (особенно в многодиапазонном варианте).
Более того, в реальных (с потерями) кабелях всю энергию в этом случае все равно не удается "загнать" в нагрузку. Часть ее, "бегая" по кабелю, будет в нем рассеиваться. И чем больше КСВ, тем большая часть энергии пойдет на "обогрев" кабеля. Сказанное иллюстрирует рис.3, на котором приведена зависимость мощности Р (нормирована на значение в максимуме), поступающей от генератора в нагрузку, при изменении отношения сопротивления нагрузки Rн к выходному сопротивлению генератора Rг.
Рис. 3
- во-вторых, длинные линии работают как трансформаторы импеданса ("исказители" сопротивления), и импеданс, который "видит" передатчик и с которым надо согласовать его выходной каскад для оптимальной передачи мощности в нагрузку, в общем случае не совпадает с импедансом нагрузки на другом конце фидера. Вернее, совпадает он с ним только в одном частном случае - если электрическая длина фидера составляет целое число полуволн на рабочей частоте. Кроме того, даже при чисто активной нагрузке фидера передатчик, при КСВ, отличном от 1, практически всегда работает на нагрузку с реактивной составляющей. Это иллюстрирует рис.4, на котором представлены зависимости активной (R) и реактивной (X) составляющей нагрузки, "приведенные" ко входу передатчика, от длины фидера. Здесь R и Х нормированы (разделены) на волновое сопротивление кабеля. Эта зависимость построена для случая чисто активной нагрузки фидера, обеспечивающей КСВ=2 (в данном случае для сопротивления нагрузки, меньшего чем волновое сопротивление фидера, например, 25 Ом при волновом сопротивлении фидера 50 Ом). Длина фидера 1 дана в долях от длины волны (X). Длина фидерной линии, работающей в режиме бегущей волны, не оказывает влияния на работу АФУ и может быть произвольной.
Рис. 4
Анализируя график R = f(l) или Х=f(l), можно сказать, что при малых длинах фидера (до 0,1/l) фидер практически не изменяет активную составляющую нагрузки, а появляющаяся реактивная составляющая есть не что иное как собственная емкость кабеля, которая линейно растет с увеличением его длины. Когда длина кабеля "переваливает" за 0,1/l, начинают проявляться трансформирующие свойства фидерной линии - изменяется активная составляющая, а ход реактивной составляющей перестает быть линейным. Особая точка графика - длина фидера, соответствующая четверти длины волны (0,25/l). Здесь активная составляющая достигает максимального значения (в данном случае - учетверенное сопротивление нагрузки), а реактивная составляющая отсутствует. Это так называемый четвертьволновой трансформатор, широко применяемый в антенной технике. При еще больших значениях длины фидера, помимо изменения активной составляющей, происходит еще и смена типа реактивности "приведенной" нагрузки - она приобретает индуктивный характер. Далее эта картина повторяется с периодом l/2. Нетрудно видеть, что входное сопротивление линии длиной l/2, не имеющей потерь, равно сопротивлению, включенному на конце. Причем это справедливо не только для случая, когда полуволновой отрезок на конце замкнут или разомкнут, но и для любого сопротивления нагрузки. Вот почему часто употребляется выражение "полуволновой повторитель", для которого Zвх=Zнаг (это условие выполняется при любом значении волнового сопротивления фидера). При этом несложно наблюдать, что четвертьволновой отрезок обладает свойством трансформировать сопротивления. Например, если Zвх>Zл, входное сопротивление на входных зажимах фидера равно Zвх=Z2л/Zн. Отсюда легко находится сопротивление четвертьволнового отрезка кабеля Zл=Sqr(Zвх•Zн), необходимого для согласования заданных сопротивлений Zвх и Zн. Трансформирующим свойством обладают и отрезки, длиной, кратной нечетному числу четвертей волны - 3/4l, 5/4l, 7/4l и т.д. Это можно представить себе как включенные последовательно в цепь четвертьволновой трансформатор и один или несколько полуволновых повторителей. Такими же трансформирующими свойствами обладают и отрезки фидерной линии, в которой укладывается целое число полуволн.
Так вот, практика показывает, что подобные изменения характера "приведенной" нагрузки в большинстве случаев еще можно скомпенсировать подстройкой элементов выходного П-контура передатчика с узкополосными выходными каскадами (обычно это ламповые), и обеспечить оптимальное их согласование с фидером, регулируя связь передатчика с линией (а также скомпенсировав возможную реактивную часть входного сопротивления линии) таким образом, чтобы нагрузка по-прежнему поглощала всю выходную мощность, как при КСВ=1;
- в-третьих, при КСВ не более двух, напряжение в максимуме стоячей волны всего лишь на 30% превышает то, что мы наблюдаем при КСВ=1. Такое превышение, как правило, не опасно для широкополосных транзисторных усилителей мощности, даже если этот максимум напряжения на данной частоте и при данной длине фидера окажется непосредственно в месте подключения фидера. Да и возрастание напряжения на элементах выходного каскада из-за его недогрузки не будет еще катастрофическим. Во всяком случае, для аппаратуры заводского изготовления с транзисторными выходными каскадами КСВ=2 устанавливается предельным, при котором гарантируется ее работоспособность.
И, наконец, в-четвертых. Повышение (по сравнению со случаем, когда КСВ=1) значений напряжения и тока в соответствующих максимумах стоячей волны при определенных выходных мощностях (тех, что реально "прокачивают" некоторые коротковолновики) могут просто повредить кабель.
Для примера приведем такой типичный случай из радиолюбительской практики. Усилитель мощности трансивера был подключен к антенне (диполю или разомкнутому треугольнику на 160 м) коаксиальным кабелем РК-75 длиной 30 м, но возникла проблема - антенна упорно "не строилась" в резонанс, несмотря на всевозможные манипуляции с выходным П-контуром передатчика. Кроме того, возникали помехи приему телевидения, падали выходная мощность и реальная чувствительность приемной части трансивера. Кабель случайной длины трансформировал сопротивление антенны и на своем конце, в точке подключения к трансиверу Входное сопротивление антенны составляло около 12... 15 Ом. С целью проверки и устранения вышеуказанных недостатков был произведен расчет, который показал, что для диапазона 160 м электрическая полуволна кабеля должна быть 52 м (для диапазона 80 м - 27 м). В этом случае указанный кусок кабеля "переносит" сопротивление нагрузки ко входу усилителя мощности без искажений. Однако применение коаксиального кабеля такой длины не совсем удобно из-за высокой стоимости (около 8 USD) и потерь мощности в режиме передачи и чувствительности в режиме приема.
Поэтому было принято решение разбить необходимую длину кабеля на два куска по 26 м, а затем вторую его часть (длиною в четверть волны - 1/4l) заменить его эквивалентом (рис.5). Расчеты элементов П-контура показали, что Хс1=Хс2=Хl=80 Ом, где Хc и Хl - соответственно реактивное сопротивление конденсаторов и катушки индуктивности на рабочей частоте.
Рис. 5
Катушка эквивалента П-контура была намотана посеребренным проводом диаметром 0,8 мм на оправке. Монтаж - навесной на пластине из стеклотекстолита, печатный проводники изготовлены металлическим резцом. Конденсаторы должны быть подобраны на напряжение не менее 250 В. После выполненной замены антенна заработала как следует, и вышеперечисленные недостатки устранились. Как видите, этот случай лишний раз убеждает читателя, что если применяемый фидер имеет случайную длину, он работает как трансформатор импеданса.
В зарубежных изданиях по профессиональной и любительской радиосвязи, а также в отечественной радиолюбительской литературе степень рассогласования фидера и нагрузки характеризует КСВ. Однако так уж исторически сложилось, что в отечественной профессиональной и полупрофессиональной литературе по антенно-фидерным устройствам используют термин "коэффициент бегущей волны" (КБВ), связанный с КСВ простым соотношением:
КСВ=1/КБВ.
Так, например, если КСВ=0,5, то КБВ=1/0,5 = 2.
Часто, имея согласованную антенну, при использовании антенного тюнера или согласующего устройства радиолюбителю удается добиться прибавки силы сигнала в точке приема. Такая прибавка достигается за счет точного согласования выходного каскада трансивера (передатчика с антенной системой), что эквивалентно увеличению мощности устройства. Использование различного рода согласующих устройств оправдано еще тем, что большинство современных трансиверов, а также усилителей мощности предназначено для работы на низкоомную нагрузку 50 (75) Ом. Известно, что любая антенна имеет резонанс на какой-либо одной частоте, например, в середине любительского диапазона. На краях же этого диапазона КСВ отличается от значения в середине диапазона и имеет порой высокие значения, что понижает эффективность работы выходного каскада передающего устройства. Это особенно заметно в транзисторных схемах, где рассогласование выходного каскада с антенной системой и отсутствие эффективной системы ALC (устройства, понижающего мощность передатчика при появлении высокого значения КСВ) может стать причиной выхода из строя транзисторов выходного каскада. С помощью согласующего устройства антенная система становится резонансной на любой частоте любительского диапазона, а выходной каскад постоянно работает на согласованную низкоомную нагрузку. Нередко можно услышать ошибочное мнение, что добившись с помощью согласующего устройства (антенного тюнера) КСВ=1, решаются все задачи, связанные с передачей энергии высокочастотных колебаний в антенну. Однако это мнение ошибочно. Приведем два примера.
Предположим, что имеем полуволновой диполь на 80-метровый диапазон. В зависимости от высоты подвеса антенны над землей и толщины полотна, входное сопротивление такой антенны может быть в пределах 30...75 Ом. Допустим, что в фидере имеем КСВ=2. Дополним антенную систему антенным тюнером, с помощью которого добьемся КСВ=1. Как видно из рис.6, между передатчиком (трансивером) и антенным тюнером КСВ=1, однако в самой антенной системе КСВ по-прежнему остается равным 2. Тем самым с помощью тюнера достигнута главная задача - выходной каскад передатчика работает на согласованную нагрузку и отдает полную мощность, что особенно важно при высоких значениях КСВ в антенной системе. Что касается потерь ВЧ-энергии в антенной системе, то при значении КСВ=2 они незначительны. На 40-метровом любительском диапазоне те же размеры антенны будут соответствовать одной длине волны, а входное сопротивление составит 4 кОм (рис.6, значения в скобках).
Рис. 6
KCB=Zн/Zл=4000/75=53,
что является очень большим значением КСВ. Здесь Zн - волновое сопротивление нагрузки; Zл - волновое сопротивление линии.
С ростом КСВ растут и потери в фидере (тепловые и диэлектрические), поэтому коаксиальная линия с КСВ=53 является линией с очень низким КПД. Аналогичная картина будет наблюдаться и на диапазоне 20 м, где КСВ=57. Увеличение диаметра кабеля частично снижает потери, но все равно это не выход - при высоких значениях КСВ потери в линии очень велики. Компромиссным вариантом является применение открытой линии передачи, т.е. симметричного фидера сопротивлением 200...600 Ом (рис.7). Такой фидер даже при большом КСВ в линии имеет достаточно высокие показатели - минимальные потери, высокий КПД, что особенно важно при использовании одной и той же антенны на различных любительских диапазонах. Наиболее популярен симметричный фидер с волновым сопротивлением 400 Ом, хотя с успехом могут быть применены фидеры и с сопротивлением 200...600 Ом. Для изготовления такой линии требуется два отрезка медного провода диаметром 2 мм.
Рис.7
По всей длине между проводами устанавливаются распорки-изоляторы длиной 50..150 мм, изготовленные из стеклотекстолита, оргстекла, фторопласта или другого диэлектрика. Расстояние между ними должно составлять приблизительно 30...40 см. Более точно волновое сопротивление воздушного симметричного фидера можно определить по формуле:
где Zл - сопротивление фидера; S - расстояние между центрами проводников;
d - внешний диаметр провода, из которого изготовлен фидер.
Омические потери в фидере пропорциональны квадрату амплитуды величины тока, а диэлектрические - квадрату амплитуды напряжения, увеличение потерь в "пучностях" не компенсируется их уменьшением в "узлах", и наличие стоячих волн приводит к снижению КПД фидерной линии.
Из графика зависимости КПД фидеров от их длины (рис.8) видно, что потери в линии уменьшаются с увеличением толщины фидера, его волнового сопротивления и длины волны.
Рис. 8
Это объясняется тем, что на коротких волнах у коаксиальных кабелей и двухпроводной симметричной линии с распорками из диэлектрика (полистирол, фторопласт, стеклотекстолит) практически отсутствуют потери. А омические потери уменьшаются с уменьшением сопротивления проводников (оно снижается с увеличением их толщины из-за уменьшения скин-эффекта) и с ростом волнового сопротивления фидера, что объясняется уменьшением тока, необходимого для передачи определенной мощности. У фидера, условно не имеющего потерь (двухпроводная линия или толстый кабель РК50-44-17 и т.д.) при КСВ = 1, КПД близок к 100% при любом значении КСВ (верхняя кривая на рис.8). Но такой фидер практически невозможно реализовать.
Наиболее доступные коаксиальные кабели диаметром 4...5 мм, часто применяемые радиолюбителями, имеют затухание 0,06 дБ/м на наиболее высокочастотном радиолюбительском диапазоне 28 МГц, на других КВ-диапазонах оно будет, естественно, меньше. Так, на частоте 3,5 МГц потери в 3 раза меньше, чем на частоте 28 МГц. Увеличение диаметра кабеля снижает потери в нем. Для примера приведем величины затухания в коаксиальных кабелях диаметром 4...10 мм, наиболее ходовых в радиолюбительской среде. Кусок такого кабеля длиной 25.. .30 м при КСВ=1 имеет затухание 1.. .2 дБ на частоте 28 МГц. Если КСВ=2, потери в таком кабеле возрастут на 0,2...0,3 дБ; при КСВ=3 они уже возрастут на 0,5...0,8 дБ. Это лишний раз подтверждает приемлемость
КСВ величиной до 2. Воздушные линии передачи или толстые коаксиальные кабели имеют незначительное затухание, которое на порядок меньше, чем в обычных коаксиальных фидерах - 0,03 дБ/м на частоте 28 МГц.
Например, коаксиальный кабель РК-75-4-75 длиной 40 м на диапазоне 15 метров при КСВ =4 имеет КПД 50%, а двухпроводная линия при КСВ=10 - 92% (рис.9).
Рис. 9
Из этого примера видно, что высокое значение КСВ в некоторых случаях не играет определяющей роли при использовании высококачественных кабелей. Для фидеров на основе воздушной линии или "мощных" коаксиальных кабелей типа РК100-33-17, РК50-44-17 и т.д. максимально разрешенная мощность на КВ-диапазонах может быть передана практически при любом реально возможном значении КСВ.
Литература
1. В.Башкатов. Просто об антеннах - Радиомир. KB и УКВ,2001, N8.
2. С.Г.Бунин, Л.П.Яйленко. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. - Киев: Техника, 1984.
3. Я.С.Лаповок. Я строю KB радиостанцию. - М.: Патриот, 1992.
4. Б.Г. Степанов, Я.С.Лаповок, Г.Б. Ляпин. - Любительская радиосвязь на КВ.
5. KB журнал. 1992, NN2-3.
РМ КВ-УКВ. 12/2001, с.32-34.