Симметрирующие устройства
Владимир Приходько (EW8AU), г.Гомель, Беларусь
Применение симметрирующих устройств необходимо как в простых, так и в сложных антеннах. При питании коаксиальным фидером симметричного вибратора 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 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. Особенно 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 радиостанций эксплуатируются 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 совмещенные с ней приборы, такие как модемы, компьютеры и т.д., подвержены воздействию высокочастотного сигнала, что может привести к сбою в их работе. В радиолюбительской аппаратуре при недостаточном экранировании и развязке между каскадами это может вызвать искажение сигнала при передаче, резко ухудшить качество приема.
Симметрирующие устройства могут быть узкополосными и широкополосными, а также совмещать в себе функции симметрирования и согласования. Радиолюбительские 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 можно скомпенсировать входное реактивное сопротивление вибратора, расширив при этом диапазонные свойства антенны.
В диапазоне коротких и в начале ультракоротких волн лучшим симметрирующим устройством для радиолюбительских диапазонов является симметрирующая приставка или, как ее еще называют, симметрирующий мостик. Симметрирующий мостик выполняется в виде симметричной двухпроводной линии из коаксиального кабеля в диапазоне коротких волн или из металлических трубок в диапазоне ультракоротких волн, длиной 0.25l. С одного конца линия замкнута накоротко, а с другого нагружается симметричной антенной, например симметричным полуволновым 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 выполняется из коаксиального кабеля, волновое сопротивление которого равно входному сопротивлению вибратора. Например, симметричный полуволновый вибратор, имеющий входное сопротивление - 73 Ом, возбуждается коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. Симметрирующий мостик изготавливается из коаксиального кабеля 75 Ом, поз.5 на рис.1. Причем, в одной из 2 половинок четвертьволнового мостика центральная жила коаксиального кабеля не используется, что позволяет применять коаксиальный кабель любого волнового сопротивления, единственное требование - дополнительный кабель, в котором не используется центральная жила, должен быть такого же диаметра, как и основной питающий кабель.
Puc.1.
При изготовлении симметрирующего мостика важно сохранить постоянство расстояния между обоими кабелями по всей длине. Образуется двухпроводная линия с каким-то волновым сопротивлением. При этом, чем меньше расстояние 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 двухпроводной линии. Оптимальное расстояние между центрами двух кабелей - три диаметра используемого кабеля, при этом коэффициент укорочения полученной линии кл=0,92. В симметрирующем мостике ток течет по внешней стороне экранирующего чулка 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 изготовлена защитная оболочка кабеля. Потери в полиэтилене незначительны, но если в полиэтилен в качестве красителя добавлена сажа газовая, потери резко возрастают. В диапазоне коротких волн этим можно пренебречь, а вот в диапазоне ультракоротких волн, от 30 МГц и выше, для симметрирующего мостика желательно применять кабель светлых тонов - белый, серый, светло-коричневый. Особое внимание следует уделить материалу, из которого изготовлены диэлектрические распорки. Лучшим материалом является фторопласт, он обладает хорошими диэлектрическими свойствами, легко обрабатывается и позволяет закрепить распорку поз. 1 (рис. 1) за счет своей эластичности. Для этого отверстие под кабель сверлится чуть меньше диаметра кабеля, кабель с натягом входит в отверстие, и перемычки без дополнительного крепления хорошо держатся на кабеле. Для удобства работы, настройки с симметрирующим мостиком и антенной кабель, питающий антенну, делается из четырех отрезков. Два четвертьволновых отрезка идут на изготовление мостика, третий отрезок кабеля дополняет длину мостика с учетом укорочения в кабеле до полуволны. Четвертый отрезок для подключения к передатчику необходимо сделать любой длины кратной полуволне. Сразу оговоримся, что длина кабеля выбрана кратной полуволне не для того, чтобы запитать антенну резонансным способом, а для проведения измерений и настройки антенны.
Итак, рассмотрим конкретный пример изготовления и настройки симметрирующего узкополосного устройства для симметричного полуволнового вибратора в диапазоне 14 МГц. Возьмем центральную частоту, например 14,150 МГц. Как уже отмечалось выше, симметричный полуволновый вибратор имеет входное сопротивление - 73 Ома, для его питания применим кабель РК-75 с полиэтиленовой изоляцией. Если мы намерены работать мощностью не более 400 Вт, подойдет кабель «четверка» - РК-75-4-11: диаметр внутреннего провода - 0,72 мм, внутренний диаметр оплетки - 4,6 мм, диаметр по оболочке - 7,3 мм, диэлектрик - полиэтилен, коэффициент укорочения - кк=0,66, погонное затухание на частоте 100 МГц - 0,1 дБ/м.
Отрезаем два куска длиной по 5 метров. На каждом из отрезков с одной стороны делаем разделку для присоединения к антенне, с другой стороны - запаиваем коаксиальные соединители СР-75-155П. Применение таких соединителей на концах симметрирующего мостика удобно тем, что позволяет сделать перемычку между двумя оплетками кабеля с хорошим контактом и не разгерметизировать кабель. Эти соединители имеют наружную резьбу, за которую удобно гайкой закрепить перемычку поз.2 {рис. 1). При настройке мостика к ним удобно подключать измерительный прибор, например ВЧ-мост. Закрепляем диэлектрические распорки по всей длине симметрирующего мостика, со стороны антенны к мостику припаиваем безындукционный резистор 75 Ом, ВЧ-мостом измеряем сопротивление на частоте 14,150 МГц, подгоняя кабель по длине, добиваемся баланса моста на частоте 14,150 МГцпри сопротивлении 75 Ом. Конечно, можно отмерить кабель с учетом укорочения, 4876 мм (коэффициент укорочения для мостика кл=0,92 при расстоянии между центрами кабелей - три диаметра кабеля). Но лучше сделать несколько измерений, подобрав длину кабеля таким образом, чтобы резонанс мостика оказался на частоте 14,150 МГц. В этом случае легче будет настраивать полуволновый 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 укорочения кабеля кк=0,66 дает нам полуволновый повторитель для частоты 14,150 МГц. Через этот повторитель мы и будем настраивать симметричный полуволновый вибратор.
Если нет коаксиальных соединителей, то короткозамыкающая перемычка внизу симметрирующего мостика изготавливается из экрана коаксиального кабеля или антенного канатика. Паять нужно аккуратно, чтобы не деформировать кабель, место пайки герметизировать водостойким клеем, поверх наложить бандаж изоляционной полихлорвиниловой изолентой, которую дополнительно закрепить капроновой ниткой.
Если предполагается, что антенна будет находиться на большой высоте, нужно сразу отмерить кабель необходимой длины, но кратный полуволне, однако при этом следует учесть, что чем больше полуволн уложится в кабеле, тем уже полоса пропускания системы и достоверность измерений будет высокой только на резонансной частоте. С помощью ГИРа или ВЧ-моста настраиваем вибратор в резонанс. Придется несколько раз поднимать и опускать антенну, потому что настройка должна проводиться на высоте постоянной эксплуатации антенны. Полуволновый диполь при резонансе имеет только активную составляющую входного сопротивления. Небольшое укорочение диполя приводит к появлению реактивной составляющей емкостного характера. Компенсацию этой реактивности можно осуществить симметрирующим мостиком, изменив его длину. Практика показывает, что, скорее всего, длину мостика придется укоротить. Так как перепаивать несколько раз мостик проблематично, в небольших пределах компенсировать реактивность можно емкостной перемычкой в нижней части симметрирующего мостика. Для этого необходимо вырезать из тонкой фольги, меди, латуни или алюминия прямоугольную или квадратную пластину, наложить ее внизу мостика на два кабеля и обогнуть края вокруг каждого кабеля. Пластина будет охватывать каждый кабель по внешней изоляции и свободно перемещаться вверх и вниз по мостику. Эта перемычка (поз.З, рис.2) будет работать как емкость, закорачивая мостик по высокой частоте. Передвигая эту пластину внизу мостика, добиваемся компенсации реактивной составляющей в вибраторе.
Puc.2.
Теперь рассмотрим, какими еще положительными свойствами обладает четвертьволновый симметрирующий мостик кроме симметрирования антенны. Мостик мы настроили в резонанс на частоту 14,150 МГц, при увеличении частоты выше резонансной у мостика появляется реактивная составляющая емкостного характера, при уменьшении частоты ниже резонансной появляется реактивность индуктивного характера. А как же ведет себя симметричный полуволновый 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 симметричного полуволнового вибратора и мостика вблизи резонанса с изменением частоты имеют разные знаки, то они компенсируются, при этом расширяется полоса пропускания антенны, улучшается КСВ по краям диапазона.
Итак, применение четвертьволнового узкополосного симметрирующего устройства типа мостик позволяет:
1. Симметрировать антенны;
2. Улучшить КСВ в диапазоне;
3. Расширить полосу пропускания антенны;
4. Компенсировать реактивную составляющую антенного импеданса;
5. Улучшить помехозащищенность антенны;
6. Устранить погрешность при измерении основных параметров антенны.
В диапазоне УКВ симметрирующий четвертьволновый мостик изготавливают из медных или алюминиевых трубок, в одну из которых пропущен кабель питания антенны. Перемычка внизу мостика делается подвижной. Если необходимо трансформировать сопротивление, то одна из трубок используется как внешняя оболочка коаксиального тракта, а центральная жила выбирается и изготавливается диаметром, необходимым для получения заданного волнового сопротивления, и рассчитывается так же, как и обычный четвертьволновый трансформатор.
Узкополосным симметрирующим устройством типа симметрирующий мостик можно симметрировать такие антенны: полуволновый симметричный диполь, многоэлементный квадрат, волновой канал. В многоэлементных антеннах типа волновой канал 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 бума. Расположение и крепление симметрирующего мостика может быть разнообразным, в зависимости от конструкции антенны. Единственное условие - мостик должен быть расположен симметрично проводящим поверхностям и на одинаковом расстоянии от них по всей своей длине.
В диапазоне выше 300 МГц лучше 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 рассмотреть принципиальные схемы широкополосного трансформатора или симметрирующего коаксиального дросселя, мы увидим сходство с симметрирующим мостиком (рис.4).
Puc.4.
Отличие заключается лишь в том, что эти устройства нерезонансные, имея большую индуктивность работают как дроссель. В домашних условиях трудно изготовить однородную двухпроводную линию с постоянным по длине волновым сопротивлением. Для изготовления широкополосного симметрирующего устройства на феррито-вых кольцах необходимо иметь широкий парк приборов, так как формулы для расчета такой двухпроводной линии дают только приблизительные значения, и многое зависит от конструктивного выполнения данного устройства. Если антенна имеет входное сопротивление 50 или 75 Ом, вместо двухпроводной линии лучше применять коаксиальный кабель (рис.5).
Puc.5.
Количество витков зависит от магнитной проницаемости применяемого феррита, индуктивность должна быть примерно 0,1 мкГн на метр диапазона. Например, если необходима полоса пропускания от 1 до 10 МГц, то расчет производится для частоты 1 МГц (300 метров), индуктивность оболочки должна быть 300x0,1=30 мкГн, не менее.
Интересное решение: при симметрировании антенны типа двойной квадрат в качестве полотна антенны использовать коаксиальный кабель, что позволяет реализовать симметрирующее устройство в раскрыве антенны (рис.6).
Puc.6.
Квадрат выполнен из кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом, по левой стороне происходит запитка квадрата, с правой стороны используется только оплетка кабеля, из левой половины квадрата центральная жила кабеля за-I паивается на оплетку кабеля правой стороны квадрата. Внизу квадрата оплетки спаяны вместе. Мы видим, что квадрат напоминает раздвинутый симметрирующий мостик. При таком питании получается хорошая симметрия, но в антенне присутствует большая реактивность 18-20 Ом, и входное сопротивление рамки в точке А составляет 63 Ом. Сам квадрат имеет сопротивление около 110 Ом. Трансформация происходит в кабеле, в левой стороне квадрата. Так как волновое сопротивления кабеля отличается от входного сопротивления самого квадрата, если бы мы запитали квадрат кабелем 110 Ом, то в точке А сопротивление было бы 110 Ом. Если к квадрату, имеющему входное сопротивление 63 Ом поднести экран или настроенный рефлектор, то входное сопротивление антенны увеличится до 75 Ом. Точно его можно выставить, подобрав расстояние между квадратами, как и у обычной антенны «двойной квадрат». Если предполагается запитка антенны 50-омным кабелем, то и полотно антенны нужно выполнить кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом.
Чтобы убрать реактивность во входном сопротивлении антенны, нужно использовать правую половинку рамки квадрата, для этого изменим запитку правой стороны рамки (рис.7).
Puc.7.
Отпаиваем центральную жилу кабеля с экрана правой стороны рамки и спаиваем между собой центральные проводники левой и правой половинок рамки. На расстоянии 0.25l с учетом укорочения в кабеле (к=0,66) обрываем центральную жилу, в правом кабеле создавая режим XX (холостого хода). Такая запитка позволяет 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 КЗ (короткого замыкания). Для этого в правой стороне рамки центральную жилу кабеля замыкают на оплетку через расстояние, равное полуволне с учетом укорочения в кабеле. 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, два соединителя - СР-75-154Ф и один - СР-75-155П. В правой стороне рамки, в месте соединения с тройником у коаксиального соединителя не ставится центральный штырь, чтобы центральный проводник коаксиального кабеля не имел контакта с центральным проводником коаксиального тройника, к которому подключена только оплетка кабеля. В тех местах кабеля, в зависимости от способа запит-ки, где нужно сделать КЗ или XX, короткое замыкание или обрыв делается в коаксиальных соединителях.
Такое симметрирование удобно применять в антеннах типа одиночный квадрат при работе на низкочастотных диапазонах, так как обычный симметрирующий мостик будет иметь большую длину. Входное сопротивление одиночной рамки при таком способе запитки будет иметь величину порядка 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: квадрат, ромб, многоугольник, круг или треугольник. Единственное условие: точка нулевого потенциала - точка подключения фидера питания должна быть симметрична сторонам рамки.
РадиоХобби 2-2004