Коаксиальные резонаторы

Рисунки выполнены с помощью анализатора спектра Agilent E4403
http://www.rftest.co.nz/  

Коаксиальные резонаторы – краеугольные камни хорошей работы репитера. В том, как они работают и как в них достигаются такие параметры, есть что-то от чёрной магии… 

Коаксиальный резонатор больше похож на четвертьволновый шлейф, но не замкнутый. Он может быть также сравнён с четвертьволновой антенной, заключённой в проводящий корпус и представляющей собой резонансный LC контур со всеми признаками каждого из его компонентов (L и С).

В большинстве коаксиальных резонаторов “антенна” возбуждается с помощью петли связи через магнитную составляющую поля и ?Ч энергия, после этого, отводится в нагрузку с помощью другой петли, расположенной за центральным вибратором (у его основания), относительно входа (по другую сторону от резонирующего штыря). Центральный резонатор (штырь) окружён воздушной средой, что даёт оптимальное соотношение внутреннего диаметра корпуса коаксиального резонатора и внешнего диаметра штыря равного 3,25, которое позволяет получить характеристический импеданс примерно 70 Ом.

Факторы, влияющие на параметры коаксиального резонатора

1. Диаметр центрального резонатора (штыря)

   Внешний диаметр штыря выбирается из соотношения с внутренним диаметром внешнего проводника (корпуса) резонатора равного 3,25, как дающего оптимальный характеристический импеданс 70 Ом (как в коаксиальном кабеле соотношение диаметров проводников определяет его характеристическое сопротивление – UA9LAQ) и максимально достижимую добротность.

2. Длина резонатора

   Длина резонатора определяет рабочую частоту получившейся резонансной системы (как и наоборот: рабочая частота определяет длину резонатора). Длина резонатора обратно пропорциональна частоте, то же соотношение мы наблюдаем и применительно к любой антенне.

3. Петли связи

Петли связи (видоизменённые катушки связи) являются средством, с помощью которого ?Ч энергия подводится к резонирующему элементу и отводится от него (поскольку добротность резонатора является очень большой, с ним необходима очень слабая связь, чтобы не ухудшать добротность резонатора, поэтому, в катушках связи – всего один виток (петля), и этот виток расположен у “холодного”, т. е., низкоимпедансного конца линии, что и определяет способ связи - магнитный с помощью замкнутой петли, а не электрический, который можно осуществить с помощью конденсатора малой ёмкости или зонда, расположенного у верхнего конца штыря или ниже, чем ниже, тем больше должна быть ёмкость конденсатора связи, однако, ёмкостная связь применяется редко в силу небольшого кпд, а, главное, в силу невозможности отводить энергию для её передачи на расстояние, с помощью соединительных кабелей, например, которые имеют низкое характеристическое сопротивление, тогда как, ёмкостная связь будет более или менее эффективной при импедансе в несколько мегаОм - UA9LAQ). ?азмер петли определяет степень связи внешнего устройства с резонатором. Следует отметить два главных фактора, воздействующих на степень связи с резонатором: а) – длина участка петли связи, прилегающая к центральному штырю коаксиального резонатора, чем больше эта длина, тем большее количество поля резонатора будет перехватываться, тем большее количество энергии выйдет наружу, но тем больше и будет влияние нагрузки (по входу и выходу коаксиального резонатора) на добротность центрального штыря (а, значит, и на полосу его пропускания – UA9LAQ). Чем длинее провод петли связи, тем выше будет её входной/выходной импеданс

Сильная связь, меньше потери, но   больше расстояние   между точками -3 дБ

б) чем меньше расстояние между центральным штырём и проводом петли связи, тем более мощное поле штыря перехватывается петлёй, тем большее влияние оказывает нагрузка (по входу и выходу) на нагруженную добротность резонатора, обратное утверждение, по отношению к расстоянию “центральный штырь - петля связи” резонатора тоже справедливо.

Вот те два фактора, манипуляция которыми позволяет достичь требуемой добротности и кпд коаксиальных резонаторов и являются основанием для головной боли и впадания в прострацию, конкретно, за это говорят такие факторы, как потери в фильтрах, полоса пропускания и глубина режекции (вырезания) сигнала.

     Слабая связь и меньше расстояние между точками –3 дБ (уже полоса).

Большинство коаксиальных резонаторов промышленного изготовления выполнены из меди, но использование алюминия для изготовления корпуса встречается всё чаще и чаще. Сам резонатор (центральный штырь) да и зачастую внутренняя поверхность корпуса должны быть посеребрёнными, чтобы повысить электрическую проводимость, уменьшить поверхностные потери (скин-эффект) и, таким образом, заранее конструктивно обеспечить высокую величину добротности будущего коаксиального резонатора.

Согласующие петли выполняются из посеребрённой меди (шинка или провод круглого сечения), а центральный резонатор может даже быть покрыт золотом с конца “горячего” по ?Ч, т. е., в области высокого импеданса на ?Ч.

Центральный резонатор обычно припаивается серебряным припоем к верхней крышке, а другой конец корпуса “глушится” медной крышкой-заглушкой. Обе крышки корпуса коаксиального резонатора (верхняя и нижняя) обычно крепятся к корпусу по периметру винтами или пропаиваются по периметру, если в резонаторе всё уже сделано и внутрь “лазить” больше незачем. (Вызывает сомнение тот факт, что резонатор будет работать стабильно на винтах в сложной метеорологической обстановке, даже будучи посеребрённым. Во-первых, крышки, как и внутренность самого корпуса должны быть посеребрёнными, причём, таким серебром, которое бы не окислялось; во-вторых, при закручивании винтов происходит деформация металла как крышек так и корпуса, в промежутках между винтами образуется щель, которая с “горячего” конца резонатора приведёт к излучению в эфир (резонатор будет работать как антенна), с “холодного” конца увеличится сопротивление между крышкой и корпусом, что сведёт на нет и припаивание центрального штыря к крышке серебром. Винты, если таковые применяются, должны быть обязательно из нержавеющего материала с покрытием, препятствующим их окислению, количество винтов по периметрам крышек должно быть максимально возможным. Все щели должны быть загерметизированы и прокрашены, швы должны иметь обтекаемую конструкцию, способствующую стеканию с них влаги, как и со всего резонатора. При применении в изменяющихся температурных условиях следует подбирать нетрескающийся герметик и не заливать его внутрь резонатора, чтобы не ухудшить контакт крышек с корпусом коаксиального резонатора. Лучшим вариантом является полное запаивание крышек по периметру корпуса серебром (особенно, с “холодного конца”- понятия: “верхняя” и “нижняя” крышки - относительны), но при этом доступ внутрь, при необходимости, будет затруднён – UA9LAQ).

Рабочая частота зависит от длины центрального штыря, которая у коаксиального резонатора, обычно, близка к четверти длины волны требуемой частоты. Центральный резонатор, как правило, имеет кроме неподвижной и подвижную часть, телескопически выдвигающуюся и управляемую извне, которая располагается на “горячем” конце неподвижного центрального штыря (здесь, в силу большого импеданса, протекают очень малые токи, чем больше добротность, тем выше импеданс и меньше ток, поэтому, обеспечение хорошего контакта не имеет особо важного значения, хотя для увеличения стабильности работы, желательно обеспечивать трущийся контакт надёжным и долговременным образом - UA9LAQ). Коаксиальный резонатор имеет винтовой механизм изменения механической и электрической длины центрального штыря, а, значит, и изменения рабочей (центральной, резонансной) частоты настройки. Большинство из металлов с хорошей электропроводностью имеют достаточно большой коэффициент температурного расширения, что может привести к изменению длины центрального штыря при изменениях температуры и этим расстроить высокодобротную резонансную систему, относительно установленной частоты её настройки. Чтобы бороться с эффектом температурного расширения, в промышленности был разработан и создан металлический сплав, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения, - инвар, штыри из которого и применяют обычно в резонаторах промышленного изготовления.

В этой статье речь идёт о наборе коаксиальных резонаторов разработки бывшей правительственной (государственной) (а ныне приватизированной (коммерческой)) фирмы ТСА (Австралия), версия для частоты 100MHz тип 1564/101/1NZ. Эти резонаторы были укорочены и снаружи и внутри, чтобы обеспечить работу в диапазоне 146 МГц (частоты работы репитеров у “нас” и у “них” не совпадают, как разнится и ширина двухметрового диапазона и, возможно, постановка по частоте приёмного и передающего каналов относительно друг друга - UA9LAQ). Окончательная длина внешнего проводника (корпуса) составила 610 мм, длина центрального штыря равнялась 510 мм для частоты 144,35 МГц и позволяет изменять её с целью перестройки на другие частоты. Саму конструкцию резонатора и приводной механизм перестройки несколько сложно механически модифицировать, чтобы это осуществить нужно действовать со стороны верхней крышки, удалять резонирующий элемент с той стороны. 

Имеющиеся согласующие петли для частоты 100 МГц следует уменьшить в длине, причём, таким образом, чтобы участок, идущий параллельно центральному штырю был короче в 100/146 раз. (в тексте статьи стоит цифра 50 без определения, что это такое, возможно, длины участков входной и выходной петель параллельных центральному штырю исходного коаксиального резонатора, которые нужно уменьшить или входной/выходной импеданс, под который рассчитаны петли связи – UA9LAQ). Согласующие петли были пересоединены к гнёздам BNC и верхней крышке. Расстояние между петлями связи и центральным резонирующим штырём определяет степень передачи энергии в резонансную цепь - на входе, и отбор энергии - на выходе коаксиального резонатора на его резонансной частоте.

Характеристику коаксиального резонатора для диапазона 2 м можно исследовать с помощью анализатора спектра со встроенным ГКЧ. Частотами повышенного интереса для нас должны быть: частота линейного входа репитера (частота приёмника) и частота выхода репитера (частота передатчика), для которых, собственно, и модифицируются резонаторы. Испытательный стенд содержит генератор с 50-омным выходом, сигнал с которого подаётся на петлю связи резонатора, к петле связи (другой, выходной) подключен анализатор спектра для контроля. (Обычно, эти дела решаются использованием одного прибора измерителя частотных характеристик, сокращённо, ИЧХ, ну, да, ладно-идём далее – UA9LAQ).

Девиация частоты в пределах 5 МГц позволила получить характеристику, представленную на ?ис.1 (см. SIMPLE TUNED CIRCUIT RESPONSE выше). Точки затухания на 3 дБ находятся на расстоянии в 573 кГц друг от друга, определяя, таким образом, полосу пропускания простой резонансной системы (контура) по уровню - 3 дБ, вносимые потери составляют 2, 5 дБ. Если Вы взглянёте на эту АЧХ, то увидите, что затухание на частотах, отстоящих от резонансной на 600 кГц (репитерный разнос частот приёмника и передатчика, принятый в радиолюбительской практике) мало. Эта резонансная система непригодна для использования в разделительных фильтрах (дуплексёрах) репитеров (ретрансляторов), так как не обеспечит достаточного подавления своего передатчика на входе приёмника, что сильно уменьшит реальную чувствительность приёмника до неприемлемых значений, если не позволит спалить вход приёмника вовсе.

Небольшая модификация этой конфигурации полосно - пропускающего фильтра (коим может служить и простой одиночный контур), позволит решить проблему, или, по крайней мере, улучшить ситуацию с подавлением сигнала передатчика на входе приёмника. Добавлением конденсатора переменной ёмкости (2…20 пФ) к петлям связи на входе и выходе резонатора образуем режекторные контуры, которые настраиваются на нежелаемые частоты – ?ис. 2 (в дуплексёре: это - частота приёмника в передающем тракте и частота передатчика в приёмном, теоретически, для частот настройки режекторных контуров импеданс схемы должен быть равен нулю - UA9LAQ). Эффект – ошеломляющий! На ?ис. 3 показана АЧХ ниже полосы пропускания резонансной системы. Глубина режекции (вырезания) нежелательного сигнала зависит от добротности Q режекторного контура.

 Конденсатор, подключенный к петлям связи даёт подавление с нижней стороны полосы пропускания      

Сравните эту АЧХ с АЧХ простой системы (?ис. 1). В первом приближении, похоже, что конденсатор, включенный последовательно с катушкой (петлёй) связи служит коротким замыканием (для одной частоты – UA9LAQ), но окончательное суммирование сдвига фазы на конденсаторах в последовательных контурах и в параллельном контуре в системе резонатора (оба частотозависимы) даёт конечную АЧХ, которая обладает замечательным полезным свойством.

Величина ёмкости влияет на разницу частот выделения и подавления; увеличение ёмкости (при определённом расположении выделяемой и подавляемой частот на частотной оси) сближает эти частоты, а уменьшение – разводит их. Насколько близко можно свести эти частоты (без влияния друг на друга) зависит от добротности как отдельных составляющих, так и всей системы в целом. Добротность системы зависит напрямую от степени связи, так резонатор с сильной связью, с присущищими ему очень малыми вносимыми потерями, не обеспечит малого расстояния между частотами выделения и подавления без достаточного подавления нежелательной частоты (поэтому частоты для ретрансляторов выбираются с максимально возможным на практике разносом, что упрощает изготовление дуплексёров. Лёгкость получения необходимой добротности системных резонаторов зависит и от частоты, поэтому в диапазоне 10 метров репитерный разнос составляет 100 кГц, в диапазоне 2 м – 600 кГц, а на более высокочастотных диапазонах составляет единицы и десятки МГц. Отчасти влияют и частотные рамки, отведённые для организации, в данном случае, любительской радиосвязи, отчасти требования, предъявляемые к любительской аппаратуре ниже, а вот коммерческая связь уже на частотах в полторы сотни мегагерц применяет разнос в мегагерцы. Возможно кардинальное упрощение дуплексёров при создании двухдиапазонных ретрансляторов, например 145/433 МГц, таковые уже применялись в любительской спутниковой радиосвязи, но распространению наземного применения такой конфигурации ретрансляторов пока ставятся палки в колёса - UA9LAQ). Фокус с закорачивающим конденсатором происходит и при использовании резонансных четвертволновых отрезков коаксиального кабеля (?ис. 4 и ?ис. 5). Отметьте, что пик и провал АЧХ в приёмном и передающем тракте противоположны по виду, но имеют одинаковые частоты максимумов (равные средним частотам каналов, выделенных для организации дуплексной репитерной связи). ?асстояние между полосами выделения и подавления определяется также величиной индуктивности в соответствующих контурах, чем больше индуктивность, тем выше добротность контура, тем уже полоса выделения и полоса подавления, тем дальше они будут разведены (АЧХ выделения и подавления будут пересекаться на гораздо более низком уровне). Чем меньше индуктивность, тем ближе будут сведены АЧХ и, в конечном итоге, уменьшится развязка между приёмным и передающим трактом репитера. Величина подавления нежелательных частот также зависит от добротности последовательных контуров связи. Эффект можно наблюдать или увеличить и включением куска коаксиального 50-омного кабеля между входом и выходом резонатора (правильной фазировкой – UA9LAQ).

Индуктивность, подключенная  к петлям связи, подавляет частоты сверху от полосы пропускания

Вот несколько необычное, но весьма действенное средство для разведения пика и провала АЧХ и обеспечения достаточной степени фазового подавления нежелательных сигналов, - вкючение конденсатора между входом и выходом резонатора.. Настройку этого режектора можно осуществить у верхней или нижней частот среза АЧХ полосы пропускания, повысив крутизну ската АЧХ, причём, происходит нейтрализация индуктивности соединительных проводов от конденсатора к BNC соединителям.(Всё хорошо, но вызывает сомнение применение отрытых линий вне резонатора, которые будут способствовать проникновению наводок сигналов от близкорасположенных передатчиков, как и своего собственного на вход приёмника, ухудшающих динамический диапазон RX – UA9LAQ).

Этот контур обладает противоположной АЧХ по отношению к выделяющему и коаксиальный резонатор устанавливается в питающую линию как показано. При подходе к частоте резонанса, резонатор начинает поглощать энергию поступающую на него и уменьшает, таким образом, показания анализатора спектра, образуя амплитудный провал в сканируемом диапазоне частот.

Как Вы и заметили, глубина провала составляет всего 18 дБ. Величина подавления управляется степенью связи, чем сильнее связь, тем глубже и шире провал, чем меньше связь, тем мельче и уже провал.

      Слабая связь             

Коаксиальные резонаторы, разработанные под одинаковые входные и выходные импедансы, например, 50 Ом, могут соединяться в различные полосно-пропускающие системы с помощью соответствующих отрезков кабелей. Последовательное включение резонаторов поглощающего типа добавляет потери, но и увеличивает поглощение, если поглощаемые частоты резонаторов совпадают. Установка выделяющих и режекторных резонаторов последовательно и в должной конфигурации позволяет собирать дуплексёры (устройства для разделения) с характеристиками, позволяющими полностью развязать приёмный и передающий тракты репитера даже при работе на одну антенну. ?азделение каналов (подавление сигналов) измеряется в децибеллах (дБ) и должно составлять не менее 80 дБ.

В составе репитера (приём на частоте 144950 кГц, передача - 144350 кГц) коаксиальные резонаторы должны быть соединены следующим образом: пропускающие резонаторы в приёмном тракте должны быть настроены на частоту 144950 кГц и иметь “конденсаторные короткие замыкания” между входом и выходом, настроенные на частоту передатчика 144350 кГц. Это обеспечивает защиту приёмника от перегрузки, но требует для достижения требуемых параметров подключения нескольких резонаторов последовательно.

 Сильная связь                  

Пропускающие резонаторы в тракте передатчика должны быть настроены на частоту 144350 кГц, а режекторные - на частоту 144950 кГц. Казалось бы глупо настраивать режекторы на частоты, которые передатчик не излучает…Но это не так, при работе передатчик создаёт боковые шумовые полосы выше и ниже по частоте и на расстоянии от несущей в 600 кГц уровень напряжения от рядом работающего передатчика находится в милливольтовом диапазоне. ?ежекторный контур (резонатор), включенный в передающий тракт и настроенный на частоту приёмника, позволяет вырезать шум приёмного канала в сигнале передатчика и создаёт для приёмника условия нормально принимать сигналы в доли микровольт,  которые ранее были погребены в шуме передатчика.

Коаксиальные резонаторы резонируют и на частотах гармоник, так резонатор настроенный на частоту 144350 кГц, с успехом резонирует и на частоте 433050 кГц, представляя собой теперь уже не четвертьволновую конфигурацию, а конфигурацию в ¾ λ.    ак что резонаторы 2-метрового диапазона можно пересогласовать с помощью петель связи на диапазон 70 см. На частоте 288, 7 Мгц резонатор обнаруживает лишь незначительный провал в АЧХ всего в несколько МГц, так как на этой частоте резонатор имеет длину равную полволне. То же случится при реактивной нагрузке резонаторов: ёмкостной или индуктивной.

 Несмотря на очень высокую добротность резонаторов, они выделяют высшие гармоники и передатчику просто необходим фильтр нижних частот, подавляющий эти гармоники. Использование резонаторов в ¾ длины волны    

 Использование фазирующего конденсатора для нейтрализации индуктивности проводников обнаруживает ещё одну проблему - проблему температурной нестабильности. Дело в том, что длина резонатора по отношению к четвертьволновой в три раза больше, в три раза больше будет и изменение физических размеров резонатора при увеличении температуры, такие резонаторы сильно “плавают” по частоте настройки. (Либо обходитесь четвертьволновыми резонаторами или заключайте резонаторы в ¾ длины волны в термостат, который не повредит и четвертьволновым резонаторам – UA9LAQ).

Ну, что, вот и весь упрощённый взгляд на коаксиальные резонаторы как таковые и пользу от их применения. Вообще-то разновидностей резонаторов – великое множество. Взять, например, нагруженные или спиральные их разновидности, все они разные, но объединены в одну “резонаторную” семью.

Для лучшего понимания взгляните на описание резонаторов в литературе, например, в “FM and Repeaters” в справочниках ARRL. Если кому-нибудь решившему создать коаксиальные резонаторы потребуется помощь, буду рад помочь, чем смогу (не пытайтесь выпрашивать готовые резонаторы или материалы для изготовления резонаторов, речь идёт о советах по постройке и настройке - UA9LAQ). На первых порах постройка резонаторов вызывает одни расстройства и является средством для потери волос, которые приходится рвать, испортив что-нибудь дорогое и редкое. Чтобы повысить развязку между приёмником и передатчиком при работе на одну антенну используйте циркулятор в антенной цепи как направленный сплиттер- разделитель. Смотрите информацию о циркуляторах на web-сайтах, в том числе и на этом.

Два включенных последовательно фильтра дают дополнительную фильтрацию

Литература:

RSGB, VHF UHF Manual, 4th Edition

"A Low Cost PC Board Duplexer", QST, April 1979.

ARRL, FM and Repeater Handbook

K.Wiener DJ9HO, The UHF Compendium, Parts 1 and 2.

P. S. Из горького опыта: Фотографии не показывают полную глубину провала АЧХ, обеспечиваемую режекторами, из-за большого диапазона качания частоты ГКЧ и фосфорецирующего отблеска на экране прибора. При меньшем диапазоне качания частоты, конечно же, провал виден полностью, но диапазон пропускаемых частот находится за пределами экрана – не с чем сравнивать.

MIKE PINFOLD, ZL1BTB

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень 7 января 2004 г

Оригинал статьи: www.amalgamate2000.com/radio-hobbies/radio/coaxial_resonators.htm