Согласование антенн и согласующие устройства

В любительской практике крайне редко используются антенны, входное сопротивление которых равно волновому сопротивлению фидера, и в свою очередь, выходному сопротивлению передатчика (идеальный вариант согласования). Чаще всего такого соответствия нет и приходится применять специальные согласующие устройства. Антенну, фидер и выход передатчика следует рассматривать как единую систему, в которой передача энергии должна осуществляться без потерь.

Реализация этой непростой задачи потребует согласования в двух местах: в точке соединения антенны с фидером и фидера с выходом передатчика. Наиболее популярны различного рода трансформирующие устройства: от резонансных колебательных контуров до коаксиальных трансформаторов в виде отрезков коаксиального кабеля требуемой длины. Все они нужны для согласования сопротивлений, что в конечном итоге и приводит к минимизации потерь в линии передачи. И, самое главное, к снижению внеполосных излучений.

Как правило, стандартное выходное сопротивление современных широкополосных передатчиков (трансиверов) 500м. Большинство применяемых в качестве фидера коаксиальных кабелей также имеют стандартную величину волнового сопротивления 50 или 750м. Антенны в зависимости от типа и конструкции могут иметь входное сопротивление в очень широком интервале величин: от нескольких Ом до сотен Ом и больше. Известно, что входное сопротивление одноэлементных антенн на резонансной частоте носит практически активный характер. И чем больше частота передатчика отличается от резонансной* частоты антенны в ту или другую сторону, тем больше во входном сопротивлении антенны появляется реактивная составляющая емкостного или индуктивного характера. В многоэлементных антеннах входное сопротивление на резонансной частоте имеет комплексный характер, так как свою лепту в образование реактивной составляющей вносят пассивные элементы.

В том случае, когда входное сопротивление антенны имеет чисто активный характер, согласовать его с сопротивлением фидера несложно с помощью любого из подходящих трансформирующих устройств. При этом потери совсем незначительны. Но, как только во входном сопротивлении образуется реактивная составляющая, то согласование усложняется, и требуется более сложное согласующее устройство, способное скомпенсировать нежелательную реактивность. И это устройство должно находиться в точке питания антенны. Не скомпенсированная реактивность ухудшает КСВ в фидере и увеличивает потери. Попытка полной компенсации реактивности на нижнем конце фидера (у передатчика) безуспешна, так как ограничена параметрами самого фидера. Перестройка частоты передатчика в пределах узких участков любительских диапазонов не приводит к появлению значительной реактивной составляющей, поэтому в большинстве случаев нет необходимости компенсировать реактивность. Правильно спроектированные многоэлементные антенны также не имеют большой реактивной составляющей входного сопротивления, и обычно ее компенсации не требуется.

В эфире часто возникают споры о роли и назначении антенного согласующего устройства (антенного тюнера) при согласовании передатчика с антенной. Одни возлагают на него большие надежды, другие считают его ненужной игрушкой. Чем же на самом деле (на практике) может и чем не может помочь антенный тюнер?

В первую очередь тюнер — это высокочастотный трансформатор сопротивлений, способный при необходимости скомпенсировать реактивность емкостного или индуктивного характера.

Рассмотрим простой пример: Разрезной вибратор (диполь), имеющий на резонансной частоте входное сопротивление активного характера около 700м, соединен 75-омным коаксиальным кабелем (фидером) с передатчиком, выходное сопротивление которого 500м. Тюнер установлен на выходе передатчика и в данном случае выполняет роль согласующего узла между фидером и передатчиком, с чем он легко справляется. Если передатчик перестроить на частоту отличную от резонансной частоты антенны, то во входном сопротивлении антенны возникнет реактивность, которая тут же проявится на нижнем конце фидера. Тюнер также способен ее скомпенсировать, и передатчик опять будет согласован с фидером антенны.

Что будет на выходе фидера, в точке его соединения с антенной? Используя тюнер только на выходе передатчика, полную компенсацию обеспечить не удастся, и в фидере возникнут потери из-за неточного согласования с антенной. В этом случае понадобится еще один тюнер, который придется подключить между фидером и антенной, тогда он исправит положение и скомпенсирует реактивность. В зтом примере фидер выполняет роль согласованной линии передачи произвольной длины.

Еще один пример: Рамочную антенну, имеющую входное сопротивление активного характера приблизительно 1100м, необходимо согласовать с 50-омной линией передачи. Выход передатчика 500м. Здесь потребуется согласующее устройство, установленное в точке подключения фиДера к антенне. Обычно многие любители используют ВЧ трансформаторы разных типов с ферритовыми сердечниками, но удобнее изготовить четвертьволновый коаксиальный трансформатор из 75-омного кабеля. Длина отрезка кабеля А/4 х 0.66, где Я — длина волны, 0.66 — коэффициент укорочения для большинства известных коаксиальных кабелей. Коаксиальный трансформатор включается между входом антенны и 50-омным фидером. Если его свернуть в бухту диаметром 15…20см, то он будет выполнять и функцию симметрирующего устройства. Фидер с передатчиком согласуется автоматически, при равенстве их сопротивлений. В этом случае от услуг антенного тюнера можно вообще отказаться.

Для данного примера возможен еще один способ согласования: При помощи полуволнового или кратного половине волны коаксиального кабеля вообще с любым волновым сопротивлением (также с учетом коэффициента укорочения). Он включается между антенной и тюнером, находящимся возле передатчика. Входное сопротивление антенны около 110Ом переносится к нижнему концу кабеля и с помощью тюнера трансформируется в сопротивление 500м. В этом случае имеет место полное согласование антенны с передатчиком, а фидер выполняет функцию повторителя.

В более сложных случаях, когда входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению фидера, а сопротивление фидера не соответствует выходному сопротивлению передатчика, необходимы два согласующих устройства. Одно вверху для согласования антенны с фидером, другое внизу — для согласования фидера с передатчиком. И обойтись только одним антенным фидером для согласования всей цепи: антенна — фидер — передатчик не представляется возможным.

Наличие реактивности еще больше осложняет ситуацию. Антенный тюнер в этом случае значительно улучшит согласование передатчика с фидером, облегчив тем самым работу оконечного каскада, но не более того. Из-за рассогласования фидера с антенной будут иметь место потери, и эффективность работы самой антенны будет пониженной. Включенный КСВ-метр между передатчиком и тюнером зафиксирует КСВ=1, а между тюнером и фидером этого не произойдет по причине рассогласоаания фидера с антенной.

Напрашивается вполне справедливый вывод: тюнер полезен тем, что поддерживает нормальный режим передатчика при работе на несогласованную нагрузку, но при этом не способен улучшить эффективность работы антенны при ее рассогласовании с фидером.

П-контур, используемый в выходном каскаде передатчика, также может выполнять роль антенного тюнера, но при условии оперативного изменения индуктивности и обеих емкостей. Как правило, антенные тюнеры и ручные и автоматические — это резонансные контурные перестраиваемые устройства. Ручные имеют два- три регулирующих элемента и не оперативны в работе. Автоматические — дороги, а для работы на больших мощностях — очень дороги.

Давайте рассмотрим довольно простое широкополосное согласующее устройство (тюнер) на рис 1, удовлетворяющее большинству вариаций при согласовании передатчика с антенной. :

Он очень эффективен при работе с антеннами (рамки, диполи), используемыми на гармониках, когда фидер является полуволновым повторителем. В данном случае входное сопротивление антенны на разных диапазонах различно, но с помощью согласующего устройства легко согласуется с передатчиком. Предлагаемый тюнер может работать при мощностях передатчика до 1,5кВт в полосе частот от 1.5 до 30МГц. Основные элементы тюнера — ВЧ автотрансформатор на феррито- вом кольце от отклоняющей системы телевизора УНТ-35 и переключатель на 17 положений. Возможно применение конусных колец от телевизоров УНТ-47/59 или других.

Обмотка содержит 12 витков, намотанных в два провода. Начало одной обмотки соединяется с концом другой. В таблице и на схеме нумерация витков сквозная. Сам провод — многожильный во фторопластовой изоляции. Диаметр провода 2,5мм по изоляции. Отводы сделаны от каждого витка, начиная с восьмого от заземленного конца.

Переключатель — керамический, галетного типа на 17 положений.

Автотрансформатор располагается максимально близко к переключателю, а соединительные проводники между ними должны быть минимальной длины. Возможно применение переключателя на 11 положений при сохранении конструкции трансформатора с меньшим количеством отводов, например, с 10 по 20 виток. Но в этом случае уменьшится и интервал трансформации сопротивлений.

Зная входное сопротивление антенны, можно воспользоваться таким трансформатором для согласовании антенны с фидером 50 или 750м, сделав только необходимые отводы. В этом случае он помещается во влагонепроницаемую коробку, заливается парафином и устанавливается в точке питания антенны.

Также это согласующее устройство может быть выполнено как самостоятельная конструкция или входить в состав антенно-коммутационного блока радиостанции.

Для наглядности метка на ручке переключателя (на лицевой панели) указывает на величину сопротивления, соответствующую данному положению. Для компенсации реактивной составляющей индуктивного характера возможно подключение переменного конденсатора С1, рис.2.

Зависимость сопротивления от количества витков приводится в таблице 1. Расчет производился исходя из соотношения сопротивлений, которое находится в квадратичной зависимости от количества витков.

Таблица 1.

Коэффициент отражения

Учитывая, насколько важно согласование импеданса в радиочастотном проектировании, мы не должны удивляться, обнаружив, что существует определенный параметр, используемый для выражения качества этого согласования. Он называется коэффициентом отражения и обозначается буквой Γ (греческая заглавная буква гамма). Это отношение комплексной амплитуды отраженной волны к комплексной амплитуде падающей волны. Однако связь между падающей и отраженной волнами определяется импедансами источника (Zи) и нагрузки (Zн), и, таким образом, можно определить коэффициент отражения, используя эти импедансы:

\[\Gamma = {Z_н — Z_и \over Z_н + Z_и}\]

Если «источником» является линия передачи, мы можем заменить Zи на Z0.

\[\Gamma = {Z_н — Z_0 \over Z_н + Z_0}\]

В типовой системе величина коэффициента отражения равна числу от нуля до единицы. Давайте рассмотрим три математически простых ситуации, которые помогут нам понять, как коэффициент отражения соответствует фактическому поведению схемы:

Если согласование идеально (Zн = Z0), числитель равен нулю, и, следовательно, коэффициент отражения равен нулю. Это имеет смысл, потому что при идеальном согласовании отражений нет.
Если импеданс нагрузки бесконечен (т.е. разомкнутая цепь), коэффициент отражения становится равной бесконечности, деленной на бесконечность, что равно единице. Коэффициент отражения, равный единице, соответствует полному отражению, т.е. вся энергия волны будет отражена. Это имеет смысл, потому что линия передачи, подключенная к разомкнутой цепи, соответствует полной неоднородности (смотрите предыдущую статью) – нагрузка не может поглощать какую-либо энергию, поэтому она должна быть отражена.
Если импеданс нагрузки равен нулю (т.е. короткое замыкание), величина коэффициента отражения становится равной Z0, деленному на Z0. Таким образом, мы снова имеем |Γ| = 1, что имеет смысл, так как короткое замыкание также соответствует полной неоднородности, которая не может поглощать энергию падающей волны.

Резюме

Использование стандартизированного импеданса делает радиочастотное проектирование гораздо более практичным и эффективным.
Большинство радиочастотных систем построено вокруг импеданса 50 Ом. Некоторые системы использую 75 Ом, это значение больше подходит для высокоскоростных цифровых сигналов.
Качество согласования импеданса может быть выражено математически с помощью коэффициента отражения (Γ). Идеальное согласование соответствует Γ = 0, а полная неоднородность (при которой вся энергия отражается) соответствует Γ = 1.
Другим способом количественного определения согласования импеданса является коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН).

Оригинал статьи:

The 50 Ω Question: Impedance Matching in RF Design

КСВН

Другой параметр, используемый для описания согласования импеданса, – это коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН или просто КСВ, или VSWR). Он определяется по следующей формуле:

\[КСВН = { 1 + |\Gamma| \over 1 — |\Gamma|}\]

КСВН подходит к согласованию импеданса с точки зрения возникающей стоящей волны. Он выражает отношение наибольшей амплитуды стоячей волны к наименьшей амплитуде стоячей волны. Следующая диаграмма показывает амплитудные характеристики стоячей волны для трех разных коэффициентов отражения.

Большее рассогласование импеданса приводит к большей разнице между местами наибольшей и наименьшей амплитуды вдоль стоячей волны

КСВН иногда выражается как отношение. Идеальное согласование соответствует 1:1, что означает, что пиковая амплитуда сигнала всегда одинакова (т.е. стоячей волны нет). Отношение 2:1 указывает на то, что отражения привели к возникновению стоячей волны с максимальной амплитудой, вдвое превышающей ее минимальную амплитуду.

Настройка и согласование антенно-фидерных устройств