Журнал Радио 12 номер 2000 год. СВЯЗЬ: KB, УКВ и Си-Би

Журнал Радио 12 номер 2000 год. СВЯЗЬ: KB, УКВ и Си-Би АНТЕННЫЙ ЭФФЕКТ ФИДЕРА Анатолий ГРЕЧИХИН (UA3TZ),
Дмитрий ПРОСКУРЯКОВ,
Нижний Новгород   Нормальная работа антенно-фидерного тракта во многом определяет эффективность любительской радиостанции в целом. Эффект, о котором идет речь в этой статье, может ее заметно снизить, поскольку он проявляется в большинстве практических конструкций антенн (в том числе и заводского изготовления). В первой части статьи раскрываются причины возникновения антенного эффекта фидера и его влияние на работу антенно-фи-дерного тракта. Во второй части будут даны практические рекомендации по устранению этого влияния.

Почти каждому коротковолновику хорошо известна ситуация, когда работа на передачу создавала помехи электронной аппаратуре в доме — неоновая лампочка светится при поднесении к корпусу включенного передатчика, а прием сопровождается сильными помехами местного происхождения. Это наиболее яркие из проявлений давно знакомого, но сравнительно мало изученного антенного эффекта фидера, сущность и особенности которого изложены в статье.

Сущность и причины антенного эффекта фидера

Антенным эффектом принято называть явление излучения или приема радиоволн не предназначенными для этого предметами. Фидерная линия должна служить только для передачи высокочастотной энергии от передатчика к антенне или от антенны к приемнику. Рассмотрение причин антенного эффекта фидера (АЭФ) начнем с режима передачи.

Как известно, электромагнитное поле, излучаемое антенной, создается переменными токами, протекающими по составляющим ее проводникам. Почти всегда антенна находится не в свободном пространстве. В непосредственной близости от нее (например, в пределах длины волны а) могут находиться многие объекты. Это — провода линий электроснабжения, радиовещания и связи, проводящие мачты, опоры и оттяжки, трубы, такелаж, арматура, кузова и фюзеляжи транспортных средств, крыши и стены зданий, тело оператора и поверхность земли. Если в предметах окружения каким-то образом возникают токи (наведенные, например, ближним полем антенны), то поле излучения, создаваемое этими токами, будет складываться с полем от токов антенны. Антенну вместе с окружением будем называть антенной системой (АС). В указанных условиях характеристики АС могут сильно отличаться от расчетных характеристик собственно антенны. Чтобы характеристики АС меньше зависели от окружения, стараются поднимать антенну выше, устанавливать ее дальше от проводящих конструкций, делать неметаллические мачты, оттяжки.

Одним из ближайших и принципиально неудаляемых предметов окружения антенны является питающий ее фидер. Простейший фидер — открытая двухпроводная линия. В идеальном случае мгновенные значения токов в проводах линии в любом сечении фидера и в любой момент времени одинаковы по величине и противоположны по направлению, т. е. сумма токов обоих проводов фидера в любом сечении равна нулю. Будем называть такие токи противофазными. Открытая двухпроводная линия даже при этом условии будет излучать, причиной этого является конечное расстояние d между проводами линии. Вертикальная линия излучает в горизонтальной плоскости вертикально поляризованные волны с максимумами в плоскости линии и горизонтально поляризованные волны с максимумами перпендикулярно этой плоскости. Поле излучения пропорционально отношению d/X. Излучение двухпроводной линии минимально при согласованной нагрузке линии и заметно возрастает при рассогласовании, когда появляются стоячие волны тока.

Описанное явление (при условии строго противофазных токов в системе проводов фидера) называют антенным эффектом фидера 2-го рода (АЭФ-2) [1). На практике он проявляется весьма слабо. Например, при частоте 145 МГц линия из телевизионного кабеля KATB (или КАТП) длиной а/2 при d=10 мм излучает за счет этого эффекта поле примерно в 50 раз слабее, чем подключенный к этой линии полуволновый петлевой вибратор.

Существует много причин, по которым сумма токов всех проводов в сечении фидерной линии может отличаться от нуля. На векторной диаграмме (рис. 1) показано, что при произвольной разности фаз и амплитуд токов I1 и I2 в отдельных проводах эти токи можно представить в виде суммы противофазных I1n = I2n и синфазных I1c =l2c составляющих (последние иногда называют однотактными). Поля, создаваемые синфазными токами разных проводов, не компенсируются (как противофазных), а суммируются. Если длина фидера сравнима с X, то их сумма может создать большое дополнительное излучение. Это явление называют антенным эффектом фидера 1-го рода (АЭФ-1) [1]. Оно заметно серьезнее, чем АЭФ-2. о чем будет сказано ниже.

Поскольку АЭФ 1 -го рода (далее просто АЭФ) связан с синфазными токами, задачу определения его причин можно свести к нахождению причин появления синфазных токов фидерной линии в режиме передачи (в режиме приема такие токи всегда возникают под действием внешних электромагнитных полей).

Рассмотрим горизонтальную дипольную антенну с двухпроводным фидером без учета "земли". Будем считать, что АС состоит только из антенны и фидера.

Поле излучения АС в каждой точке пространства есть векторная сумма полей, создаваемых токами всех проводников АС. Суммарное поле в каждой точке зависит от распределения токов по проводникам системы. Это распределение при данной частоте однозначно определяется формой, размерами и размещением проводов АС. а также способом возбуждения. Достаточно очевидные соображения приводят к выводу (подтверждаемому расчетом и практикой), что при геометрической симметрии АС и симметричном (строго противофазном) возбуждении распределение токов будет также симметричным как по проводам антенны, так и по проводам фидера. При этом сумма синфазных токов всех проводов фидера будет равна нулю.

Пример такого случая приведен на модели рис. 2,а. Токи проводов симметричного фидера одинаковы по амплитуде и противофазны, это определяется симметрией плеч вибраторной антенны и симметричным расположением симметричного фидера относительно этих плеч, а также симметричным подключением генератора к началу фидерной линии.

К появлению синфазных токов фидера может привести любая из следующих причин: асимметрия антенны (геометрическая асимметрия плеч, питание не в середине, рис. 2,б): асимметрия фидера (разные диаметры или длины проводов, рис. 2,в); асимметрия АС в целом (несимметричное взаимное расположение антенны и фидера, рис. 2,г). При учете "земли" сюда добавятся еще геометрическая асимметрия АС относительно "земли" (рис. 2,д) и электрическая асимметрия источника относительно "земли" (Z1-Z2. рис. 2,е)

Если в предыдущей ситуации полная симметрия в принципе возможна, то при питании симметричной антенны коаксиальным (принципиально несимметричным) фидером без принятия специальных мер АЭФ-1 просто неизбежен, хотя такой фидер свободен от АЭФ-2. Особенностью коаксиальной линии является то. что на высоких радиочастотах ее можно рассматривать не как двухпроводную, а как трехпроводную линию. Токи по внутренней и наружной поверхностям оплетки кабеля могут различаться из-за скин-эффекта. Для анализа синфазных токов на модели можно представить внешнюю поверхность оплетки кабеля одним проводом, а генератор подключить непосредственно к антенне.

В случае же. когда центральный проводник кабеля будет подключен к одному плечу симметричной антенны, а оплетка к другому (модель — рис. 3,а), то даже при геометрически симметричном расположении кабеля относительно антенны в АС возникнет АЭФ. Причина — электрическая асимметрия подключения эквивалентного источника к геометрически симметричной АС (источник предполагается точечным и включен точно в центре антенны, но слева — одно плечо антенны, а справа — другое плюс наружная поверхность оплетки кабеля!).

Распределение тока при этом сильно зависит от электрической длины наружной поверхности оплетки кабеля (за счет внешней изоляции она примерно на 1% больше геометрической), при резонансной длине (целое число полуволн с учетом длины заземления для заземленного нижнего конца или целое число полуволн плюс а/4 для незаземленного конца кабеля, как в нашем случае) максимальная амплитуда синфазного тока lc кабеля максимальна и может достигать 43% от максимальной амплитуды тока I левого плеча антенны (рис. 3,6).

На этом примере удобно показать упрощенный "механизм" наведения токов по наружной поверхности оплетки, который поможет яснее представить физические процессы, приводящие к АЭФ. Одна из причин синфазного тока очевидна: это эквивалентный источник возбуждения, к одному из зажимов которого подключен наружный проводник. Однако этот проводник находится еще и в ближнем поле плеч антенны, токи в которых неодинаковы. В результате — еще одна причина синфазных токов: несимметричное, а следовательно, нескомпенсированное в месте расположения фидера ближнее поле самой антенны. Такое представление, конечно, очень примитивно, но иногда в практике борьбы с АЭФ эта вторая причина почему-то не учитывается вообще.

Существенно несимметричными относительно "земли" (или крыши) являются антенны вертикальной поляризации, находящиеся на небольшой высоте. Если даже обеспечить формальную относительную симметрию антенны и фидера (вертикальный диполь при питании сбоку). АЭФ неизбежен.

Таким образом, при работе на передачу синфазные токи фидера могут возникать по любой из следующих главных причин:

— электрическая асимметрия источника возбуждения АС или эквивалентного источника возбуждения антенны:
— геометрическая асимметрия антенной системы в целом: самой по себе и относительно земли.

В режиме приема под действием внешних электромагнитных полей на фидерную линию в ее проводах могут возникать как противофазные, так и синфазные токи. Первые возникают в открытых двухпроводных линиях и непосредственно воздействуют на вход приемника (АЭФ 2-го рода). Синфазные токи возникают в любой фидерной линии. В силу принципа взаимности влияние этих токов на вход приемника (АЭФ 1 -го рода) тем сильнее, чем больше относительная интенсивность синфазных токов фидера данной АС в режиме передачи. На правильно выполненный вход приемника непосредственно могут действовать только противофазные токи фидера. "Механизм" преобразования синфазных токов в режиме приема в противофазные подобен описанному выше для коаксиального фидера в режиме передачи. Один из путей — соединение наружной поверхности оплетки с внутренней в точке подключения антенны, а второй — через антенну, посредством несимметричного для разных плеч антенны ближнего поля синфазных токов при несимметричной АС.

Характеристики АС с учетом фидера как ее части отличаются от расчетных характеристик антенны без учета влияния фидера. Таким образом. АЭФ — это не только прием или передача непосредственно фидером, поэтому можно расширить понятие. АЭФ в широком смысле — это влияние фидера на характеристики антенной системы (как при приеме, так и при передаче). Рассмотрим это влияние подробнее.

Проявления антенного эффекта фидера

Наиболее яркие проявления АЭФ были отмечены выше. Рассмотрим более подробно эти и возможные другие существенные проявления АЭФ. В качестве примеров возьмем горизонтальный полуволновый вибратор и широко известную вертикальную антенну GP высотой λ/4 с тремя противовесами такой же длины, установленными под углом 135° к излучателю. Входное сопротивление такой антенны в свободном пространстве и без учета влияния фидера чисто активное и составляет около 50 Ом. На рис. 4 показаны диаграмма направленности (ДН) в вертикальной плоскости и распределение токов по проводам штыря (I1) и противовесов (I2 — I4) для этого случая. Все приводимые здесь характеристики получены с помощью компьютерного моделирования без учета потерь.

При передаче могут быть следующие проявления АЗФ.

1. Появление излучения АС с неосновной поляризацией. Если основная поляризация антенны вертикальная, а фидер расположен невертикально, появится излучение фидера с горизонтальной составляющей. Если основная поляризация антенны горизонтальная, а фидер расположен негоризонтально, появится излучение фидера с вертикальной составляющей. Пример — ДН в вертикальной плоскости рис. 5 для горизонтального диполя. Вертикальная компонента поля Ен за счет АЭФ составляет около 30% от полезной горизонтальной Еп. А это весьма нежелательный эффект, например, для приема телевидения

2. Изменение ДН с основной поляризацией. Излучение фидера с основной поляризацией может привести к значительному изменению основной ДН (например, у вертикальных антенн в вертикальной плоскости): изменяется КНД в главном направлении (может быть как уменьшение, так и увеличение), появляются нежелательные лепестки в других направлениях. Пример — рис. 6 для антенны GP при длине незаземленного кабеля 9λ/4. Если кабель с основной поляризацией не излучает, то ДН может измениться в результате нарушения симметрии возбуждения (рис. 7 для Ер, горизонтального диполя)

3 Изменение комплексного входного сопротивления. Для антенны GP в зависимости от длины коаксиального фидера активная составляющая R комплексного сопротивления в точках возбуждения Z = R + jX может изменяться в пределах от 42 до 100 Ом. а реактивная составляющая X — от -40 до +17 Ом.

4. С изменением входного сопротивления связано изменение коэффициента стоячей волны (КСВ) в фидерной линии.

На рис. 8 приведены зависимости КСВ для антенны GP при λ=10.9 м: 1 — с "обычным" подключением кабеля к антенне; 2 — с идеальной "изоляцией" внешней поверхности оплетки в месте подключения к антенне. Как видно из графиков, КСВ в обоих случаях зависит от длины фидера, чего при отсутствии синфазных токов (АЭФ) и потерь в фидере быть не должно [2]. Отметим здесь, что именно синфазные токи ведут к изменению КСВ (через Z). но не наоборот! Зависимость АЭФ-2 от КСВ имеет другой "механизм".

5. Плохой КСВ означает наличие в токах фидера значительной доли стоячих волн, не участвующих в переносе ВЧ энергии. В реальном кабеле при этом возрастают потери, в результате снижается КПД антенно-фидерной системы. Синфазные токи сами по себе также приводят к дополнительным потерям подводимой к АС энергии.

6. Ухудшение ДН и КСВ. снижение КПД понижают энергетический потенциал радиолинии. Уменьшается дальность уверенного приема, и для достижения расчетного качества связи требуется увеличивать мощность. А это дополнительные затраты энергии. При этом обостряются проблемы по пунктам 7—9.

7. Изменение ДН приводит к появлению излучения в непредусмотренных направлениях, что может создать интенсивные помехи или недопустимые по санитарным нормам уровни поля.

8. Если фидер расположен вблизи других линий, например, силовых или телефонных, наличие индукционной связи с ними при наличии АЭФ может привести к серьезным затруднениям в обеспечении совместной работы радиостанции с другими радиоэлектронными средствами (сильные взаимные помехи при передачр и приеме).

9. Около фидера передающего устройства может возникнуть заметное электромагнитное поле, сравнимое с полями вблизи активных частей АС.

Все. что касается изменений общих характеристик передающих АС. в равной мере относится и к приемным АС (ДН. входной импеданс. КСВ. КПД) Внешние источники помех с неосновной поляризацией или в зоне дополнительных лепестков ДН. или вблизи фидера создадут при наличии АЭФ дополнительный помеховый фон при приеме.

Отметим нехоторые общие особенности проявления АЭФ:

1. АЭФ проявляется сильнее при резонансных размерах фидера и слабее — при нерезонансных размерах.

2. Характер изменения ДН при наличии АЭФ зависит от длины фидера. Чем длиннее вертикальный фидер, тем более изрезанной становится ДН в вертикальной плоскости.

3. Усиление АС в главном направлении при наличии АЭФ может быть и больше, и меньше, чем без учета АЭФ.

4. АЭФ проявляется тем сильнее, чем в более сильном ближнем поле антенны находится фидер. В этом смысле рассмотренная антенна GP — одна из самых уязвимых.

5. У вибраторных (дипольных) антенн АЭФ проявляется сильнее, чем у рамочных.

6. У антенн вер скальной поляризации АЭФ проявляется чаще и сильнее, чем у антенн горизонтальной поляризации.

7. Влияние фидера на характеристики АС тем сильнее, чем меньше размеры антенны и ниже ее КПД Следовательно. АЗФ очень опасен для электрически малых антенн.

8. АЭФ особенно опасен для остронаправленных и. в частности, пеленгационных антенн.

9. Проявление АЭФ в приемных АС не менее, а даже более серьезно, чем в передающих. Именно для приемных АС впервые возникла эта проблема

ЛИТЕРАТУРА
1. Пистолькорс А. А. Приемные антенны. — М.: Связьтехиздат. 1937.
2. Степанов Б. Так но бывает! — Радио. 1999. ╧6. с. 65.

(Окончание следует)

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 12 номер 2000 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.