Журнал Радио 4 номер 2002 год.

Журнал Радио 4 номер 2002 год. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ Игорь ГОНЧАРЕНКО (DL2KQ, EU1TT, Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript )   Линия передачи соединяет антенну с приемопередатчиком. При всей внешней простоте (один или два провода) физические процессы в линиях передачи весьма сложны. У радиолюбителей возникает немало проблем при согласовании трансивера с линией и линии с антенной. Решить их помогает ясное представление о свойствах линии, которые зависят не только от ее конструкции, но и от частоты, и от нагрузки с обеих сторон. Этим вопросам и посвящена предлагаемая статья.

ПАРАМЕТРЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Основными параметрами линии передачи являются удельные или погонные (на единицу длины) индуктивность LуД, емкость Суд и затухание αуд. Значения LуД и Суд определяются конструкцией линии и почти не зависят от частоты. Их значения легко определить экспериментально — короткий отрезок линии (менее 0,05 от той длины волны λ, на которой происходит измерение) замыкается на конце и измеряется его индуктивность с другого конца. Аналогично, при разомкнутом отрезке, измеряется емкость.

Потери (затухание) в линии складываются из омических (токовых) потерь в проводнике αi, потерь в изоляции αu, и потерь на излучение αизл: α = αi, +αu+ аизл. Все три слагаемых зависят от конструкции линии и рабочей частоты. Они быстро растут с увеличением последней.

Важнейший производный параметр линии — волновое сопротивление. Измерив Lуд и Суд, его можно вычислить по формуле

Коэффициент укорочения Кук показывает, во сколько раз длина волны в линии меньше длины волны в свободном пространстве. Или, что то же самое, во сколько раз физическая длина линии меньше ее электрической длины. Физическая причина укорочения лежит в том, что скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрике меньше, чем в свободном пространстве. Поэтому Кук зависит от диэлектрической проницаемости б материала изоляции и от степени заполнения им пространства между проводниками линии. При сплошном заполнении он равен 1/vε. У применяемых радиолюбителями линий Кук лежит в пределах от 0,6 (коаксиальные со сплошным диэлектриком) до 0,99 (открытые двухпроводные линии).

Кук неизвестной линии может быть измерен. Для этого определяется наименьшая частота fкз min (в МГц), на которой разомкнутый на конце отрезок линии длиной ( метров ведет себя как короткое замыкание (КЗ), полностью шунтируя выход ГСС. При этом Кук = ΙfK3 min/75. Если результат подсчета окажется вдруг в районе 2...3 или 4...5, то случилась ошибка при определении fK3 min и найдена не минимальная частота КЗ, а ее нечетная гармоника (вместо четвертьволнового резонанса найден резонанс 3λ/4 или 5λ/4).

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ

Однопроводная линия передачи представляет собой провод диаметром d, идущий на высоте h над проводящей землей. Волновое сопротивление такой линии: Z0 = 138Ιg(4h/d). Быстро оценить Z0 (в омах) удобно по табл. 1.

Линия такого типа используется на KB для питания антенн LW и Windom (используя эти антенны, не забывайте, что второй провод линии — земля и хорошее заземление необходимо!).

Основной недостаток однопроводной линии — сильное излучение (из-за большого расстояния до земли). Строго говоря, это не потери, поскольку сигнал не затухает, а излучается в эфир, т. е. линия работает отчасти и как антенна. Но именно поэтому такая излучающая линия создает и принимает гораздо больше помех. Кроме того, в пространстве вокруг провода линии на расстоянии, сравнимом с h (т. е. значительном), имеется высокая напряженность поля. Поскольку линия идет прямо к передатчику, в это поле попадают и оператор, и его соседи, что вредит здоровью, да и в требования по нормам на напряженность поля в жилых помещениях не укладывается.

Двухпроводная симметричная линия представляет собой два провода диаметром d, расположенных на расстоянии а друг от друга. Линия может быть как воздушной, так и в диэлектрике с проницаемостью ε. Волновое сопротивление двухпроводной линии

Для d = 1...5 мм и а = 1...30 см диапазон Z0 составляет 150...700 Ом. Z0 двухпроводной воздушной линии можно рассчитать, воспользовавшись программой MMANA. Откройте файл "...ANT/фидеры/feeder.maa" и посмотрите, как это сделано. Для быстрой оценки Z0 воздушной линии (в омах) удобно использовать табл. 2. Если линия в диэлектрике, то полученное значение надо разделить на корень квадратный из эффективной диэлектрической проницаемости, которая меньше, чем ε самого диэлектрика, и зависит от конструкции линии. Эффективное значение ε можно найти экспериментально, через коэффициент укорочения Кук.

Электромагнитное поле двухпроводной линии в основном сосредоточено между проводами и быстро убывает по мере удаления от линии. С достаточной для практики точностью можно считать, что на расстоянии За от линии поля уже нет. Отсюда ясно, что двухпроводную линию надо располагать не ближе За от проводящих и поглощающих сред (мачт, стен и т. д.).

Потери на излучение αизл двухпроводной линии пренебрежимо малы, если отношение а/λ.2...3%. Именно поэтому такие линии используются для передачи энергии только на KB и низкочастотных УКВ диапазонах. Воздушные двухпроводные линии с Z0 = 400...700 Ом и Кук = 0,97...0,99, как правило, изготавливаются самостоятельно, линии в ленточном диэлектрике выпускаются промышленно (Z0 = 300...400 Ом, Кук = 0,82...0,9).

Коаксиальные линии наиболее распространены. Это экранированный провод во внешней изоляции, с точно выдержанным по длине соотношением диаметров внутреннего d и внешнего D проводников и качественным ВЧ диэлектриком. Волновое сопротивление коаксиальной линии

Распространенные коаксиальные кабели имеют Z0 50, 75 и 100 Ом. В качестве диэлектрика используются полиэтилен, вспененный полиэтилен и фторопласт. Первый дешев, механически и электрически прочен, но имеет заметные потери. У второго потери ниже, но ниже и прочность. При большой мощности и выделении тепла возможны деформация и пробой кабеля (особенно на изгибах с малым радиусом). Наилучшие параметры имеет фторопласт, но он дорог.

Практически вся энергия передаваемой электромагнитной волны сосредоточена в пространстве между внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии. Из-за скин-эффекта глубина проникновения тока в металл даже на частоте 1,8 МГц составляет всего лишь около 0,05 мм, уменьшаясь на более высоких частотах. Поэтому ВЧ ток в коаксиальной линии течет по поверхности центрального проводника и по внутренней стороне оплетки. Толщина последней даже для самых тонких кабелей в несколько раз больше, чем глубина проникновения тока, поэтому до наружной поверхности оплетки поверхности ВЧ ток просто не может дойти. По этой причине потери на излучение коаксиальной линии ничтожны.

Отсутствие ВЧ поля вокруг коаксиальной линии дает возможность прокладывать ее где угодно (в отличие от двухпроводной линии), что очень удобно на практике. Эффективность экранирования (отношение передаваемой внутри линии энергии к просочившейся во внешнее пространство) составляет от 30...40 дБ для линий с редкой одинарной оплеткой до 80 дБ и более для линий, у которых под оплеткой лежит тонкая алюминиевая фольга.

ПОТЕРИ В ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

В этом разделе речь пойдет только о потерях (затухании) в согласованной линии передачи, нагруженной на чисто активное сопротивление Rн, равное волновому сопротивлению Z0 линии передачи. Выходное сопротивление передатчика Квых. ген также равно Z0. Рассмотрим потери таких линий в диапазоне KB (до 30 МГц), где их потери на излучение пренебрежимо малы. Для линий с воздушным диэлектриком потери в изоляции αu практически отсутствуют и суммарные потери определяются только первым слагаемым — омическими потерями αi.

Для двухпроводной линии токовые потери в дБ/м описываются формулой

где частота f выражена в мегагерцах, а диаметр проводов d — в миллиметрах. Потери прямо пропорциональны корню квадратному из частоты вследствие уменьшения глубины проникновения тока из-за скин-эффекта и обратно пропорциональны диаметру проводов линии.

Менее очевидно уменьшение потерь с ростом Z0, но и это становится ясным, если мы вспомним, что речь идет о токовых потерях. Они пропорциональны квадрату тока, который при фиксированной мощности линейно уменьшается с ростом Z0. Пусть, например, сопротивление омических потерь линии на некоторой частоте составляет 50 Ом (это очень длинная и плохая линия с большими потерями). Если Z0 линии также равно 50 Ом, то на нагрев потеряется половина проходящей мощности, а если Z0 = 500 Ом — только 10%. Это та же самая причина, по которой силовые линии электропередачи делаются высоковольтными — энергетики заботятся о малых потерях.

Итак, при одинаковом диаметре проводов потери меньше у высокоомных линий. Автор настоятельно просит читателя запомнить эту простую закономерность.

Коаксиальные линии имеют малые потери на излучение αизл, что позволяет их использовать как на KB, так и на УКВ. Для таких линий уже нельзя пренебречь потерями в изоляции αu, и они добавляются к токовым потерям αi. Анализ показывает, что если мы зафиксируем внешний диаметр D, то имеется минимум потерь при отношении D/d = 3,6. Для линий с воздушным диэлектриком это соответствует Z0 = 76 Ом, а для линий с полиэтиленовым диэлектриком — 50 Ом. Именно поэтому большинство коаксиальных кабелей выпускаются с волновым сопротивлением 50 Ом.

Однако надо понимать, что этот минимум существует только для коаксиальных линий и только при условии постоянства внешнего диаметра кабеля. Если же мы одновременно увеличиваем и внешний и внутренний диаметр коаксиального кабеля, то никакого минимума там нет — потери монотонно снижаются с ростом диаметра. Поэтому, например, хотя и неоптимальный, но толстый 150-омный кабель будет иметь намного меньшие потери, чем оптимальный, но тонкий 50-омный кабель.

Сравнение по потерям разных линий приведено в табл. 3, где собраны справочные данные по наиболее употребительным кабелям и линиям. Значение затухания приведено для частоты 20 МГц и длины линии 50 м. На другие частоты и длины линии затухание можно пересчитать исходя из того, что потери возрастают пропорционально длине линии и корню квадратному из частоты.

Выводы

• В диапазоне KB двухпроводные линии имеют меньшие потери, чем коаксиальные.
• В диапазоне УКВ потери двухпроводных линий на излучение могут оказаться недопустимо велики.
• Увеличение расстояния между проводниками двухпроводной линии при неизменном их диаметре снижает потери.
• Увеличение диаметра проводов при сохранении отношения a/d или D/d уменьшает потери.

ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЛНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЛИНИЯМИ

Возьмем линию электрической длины L с волновым сопротивлением Z0 и нагрузим ее на комплексное сопротивление ZL = RL + jXL. Какое же входное сопротивление линии Z, = Ri + JXi мы получим на другом ее конце? Точный ответ на это вопрос дают сложные формулы, которые нам, к счастью, не понадобятся, если в компьютере установлена программа моделирования антенн MMANA. Откройте в ней "Сервис" и "Установки СУ на линиях 1". Верхняя часть этого окна "Согласование и трансформация одним отрезком линии", показанная на рис. 1, поможет легко сделать все вычисления.

Введите длину (электрическую, с учетом коэффициента укорочения), волновое сопротивление, потери линии и сопротивление ее нагрузки RL и jXL. В окнах R, и jX, получите ответ.

Входное сопротивление линии Z, повторяется через 0,5 длины волны, поэтому ниже мы рассмотрим Z, только для линий короче 0,5λ. Короткозамкнутая (или нагруженная на активное сопротивление значительно ниже волнового) линия при длине 0






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2018 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.