АНТЕННЫ С АКТИВНЫМ ПИТАНИЕМ ВИБРАТОРОВ
Приведенные в этой статье схемы, являются универсальными и предназначены для использования в антенной технике в качестве ряда устройств таких как: согласующие и симметрирующие устройства, сумматоры, делители, для возбуждения антенн с круговой поляризацией, для запитки антенных решеток, для измерения КБВ, фазы. Применение этих схем позволяет защитить выходной каскад передатчика от перегрузки при изменении КСВ в антенне. Например в синфазной решетке, при выходе из строя одной из антенн или вообще при обрыве кабеля питания антенны выходной каскад передатчика все равно будет работать на согласованную нагрузку, так как подводимая мощность рассеется в поглощающем резисторе схемы запитки. Все эти схемы применимы к антеннам любого вида, будь-то два активно запитанных диполя, квадрата или GP.
При настройке антенн с двумя активными вибраторами основное внимание, как правило, уделяется фазировке и согласованию, с целью получения приемлемого КСВ и наибольшего подавления заднего лепестка в диаграмме направленности антенны. При традиционных методах согласования система из двух противофазных вибраторов имеет низкое входное сопротивление, из-за чего увеличиваются потери, и снижается КПД антенны. Непосредственное соединение двух кабелей снижения на не развязанный тройник приводит к дополнительной связи по питанию и затрудняет настройку каждого из элементов антенны. дополнительный трансформатор сопротивлений, имеющий большой коэффициент трансформации, сужает полосу пропускания антенны. Решение этой проблемы сводится к развязке по питанию, те. изменению схемы питания двух вибраторов. Существует несколько балансных устройств общими свойствами которых является развязка и согласование. К устройствам такого типа относятся: направленный ответвитель, квадратный мост и гибридное кольцо. Одно из главных свойств подобных устройств состоит в том, что оно согласовано со стороны любого из входов, если остальные входы нагружены на согласованные сопротивления. Свойство развязки означает, что входы попарно развязаны.
Направленный ответвитель на связанных линиях передачи
Простейший пример такого направленного ответвителя хорошо знакомый КСВ-метр, широко используемый для измерения КСВ. Например, для коротковолнового диапазона частот его часто делают из коаксиального кабеля, под оплетку которого протягивается проводник вторичной линии. В диапазоне УКВ направленный ответвитель можно сделать на полосковых линиях или другим способом - с размещением двух про водников длиной 0,25? над экраном с воздушным зазором, предусмотрев заранее универсальный узел крепления одного из элементов линии передачи для регулировки связи между линиями. Основная особенность согласованного направленного ответвителя обеспечение постоянного фазового сдвига 90° между ответвленным и прошедшим напряжениями па- дающей волны.
Направленный ответвитель, рис. 9 на связанных линиях передачи является достаточно широкополосным устройством, развязка и согласование в нем вообще не зависят от частоты, и при выборе длины отрезка связанных линий 0,25? (на средней частоте диапазона), отношение крайних частот рабочей полосы составляет 1,5…2. Другой особенностью направленного ответвителя является обеспечение заданного коэффициента деления мощности для каждой антенны, независимо о их согласования с фидерами в широком диапазоне волн. С целью уменьшения габаритов ответвителя, двухпроводную линию, иногда, наматывают на заранее подготовленный каркас. Например, конструкция направленного ответвителя, приводимая в книге З. Беньковского и Э. Липинского “Любительские антенны коротких и ультракоротких волн”, стр. 403.
Рис. 9
С сожалением приходится констатировать, что без соответствующей приборной базы, настроить такой ответвитель в домашних условиях практически невозможно. Это сопрягается с проведением большого объема разнообразных измерений индуктивности, волнового сопротивления, степени связи между катушками, а при этом меняется и волновое сопротивление каждой линии. Поэтому, приведенный пример больше подходит для теоретического ознакомления, или для суммирования антенн при конструировании телевизионных антенных решеток, работающих на прием, с предъявлением значительно меньших требований к степени согласования и настройки.
Квадратный мост
Квадратный мост, рис. 10 - это замкнутое кольцо из четырех четвертьволновых отрезков линий передачи. В точках соединения этих отрезков подключаются входные линии.
Волновые сопротивления отрезков линий, образующих квадратный мост, неодинаковы: два параллельных отрезка имеют волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению линии Wо, два других - Wо / O2 (или WоO2 если подводящие линии включены в кольцо последовательно). Взаимно развязанными входами в квадратном мосте являются смежно расположенные входы 1—2 и 3—4. При возбуждении моста со стороны входа 1 напряжение на выходе 2 равно 0. Мощность делится поровну между входами 3 и 4 с сдвигом 90°.
В общем случае квадратный мост может обеспечить и неравное деление мощности на своих выходах, но суммарная мощность на них останется прежней. Неравное деление реализуется выбором волновых сопротивлений отрезков линий в продольных и поперечных плечах моста. Основной недостаток квадратного моста заключается в малой полосе пропускания 5%. Увеличение широкополосности достигается включением нескольких, последовательно соединенных, мостов.
Рис. 10
Гибридное кольцо
С точки зрения практического применения, наибольший интерес для любительского применения, представляет балансная схема, получившая название гибридное кольцо. Схема гибридного кольца, сделанного из отрезков коаксиального кабеля, приводится на рис. 11.
Гибридное кольцо представляет собой отрезок коаксиальной линии длиной 1,5?, замкнутый в кольцо. Четыре, параллельно включенных в кольцо отвода, являются входами гибридного кольца. Расстояние между отводами 1 и 3, З и 2, 3 и 4 равно ?/4, а расстояние между отводами 1 и 4 составляет 3?/4. Волновое сопротивление линии в кольце Wк отличается от волнового сопротивления отводов Wо . Гибридное кольцо имеет одну плоскость симметрии и по своему типу относится к балансному восьмиполюснику. В согласованном гибридном кольце входы 1 - 2 и 3 - 4 взаимно развязаны, Каждое плечо схемы является четвертьволновым трансформатором (дополнительный отрезок линии длиной ?/2, включенный между входами 1 и 4, не оказывает влияния на трансформацию сопротивлений). Волновое сопротивление этих трансформаторов, иначе, волновое сопротивление линии в кольце, должно быть таким, чтобы обеспечивалось согласование
Wк = 2 O Wо ; Wо / 2 = Wо O 2
Рис. 11
Например, если входы/выходы Wо предназначены под нагрузку 50 Ом, гибридное кольцо следует делать из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 70,7 Ом. Такого кабеля в природе не существует, по этому придется применять коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, смирившись с небольшим ухудшением КСВ. Значение КСВ будет 1,06.
При возбуждении гибридного кольца с входа 1 мощность на входах 3 и 4 поделится поровну, а фазы по отношению к входному сигналу будут сдвинуты (с отставанием), соответственно, на 90° и 270° или противофазны. При возбуждении гибридного кольца с входа 2 мощность на входах З и 4 поделится поровну, а фазы по отношению к входному сигналу отстают на 90° или окажутся в фазе. Отсюда следует, что только лишь изменением входов можно запитывать элементы антенны (вибраторы) в фазе или противофазе.
Наличие в гибридном кольце отрезков линии определенной электрической длины, особенно, отрезка 3?/4, приводит к тому, что полное согласование, развязка и равное деление мощности имеют место на одной частоте. Рабочая полоса частот, в которой параметры гибридного кольца находятся в допустимых пределах, составляет 10%. Это в два раза больше по сравнению с квадратным мостом.
Перед тем, как подойти к рассмотрению практического применения гибридного кольца для питания антенн с активным вибратором, еще раз подчеркнем его функциональные возможности.
Гибридное кольцо обеспечивает:
1. деление мощности на равные части или в заданном соотношении без нарушения согласования.
2. Получение двух сигналов с заданной разностью фаз.
Сигналы на его входах либо синфазны, либо сдвинуты по отношению друг к другу на 180°. В последнем случае гибридное кольцо обладает симметрирующими свойствами при переходе от несимметричного коаксиального кабеля к симметричной двухпроводной линии или симметричному вибратору, рис. 12. Такой переход будет согласованным, если волновое сопротивление двухпроводной линии будет равным 2Wо (Wо - волновое сопротивление входов/выходов гибридного кольца).
Если двухпроводная линия или другая симметричная нагрузка не имеет асимметрии, то мощность на балластном резисторе не выделяется. Таким образом можно определить асимметрию, измеряя переменное ВЧ напряжение на балластном резисторе. Выполняя роль симметрирующего устройства, гибридное кольцо является еще прибором для измерения асимметрии.
Рис. 12
З. Работа двух генераторов на общую нагрузку.
Однако, решение подобной задачи без потери части мощности обоих сигналов невозможно. В этом случае развязка достигается за счет потери половины мощности на балластном резисторе каждого из сигналов, рис. 13.
4. Одновременная работа приемника и передатчика на общую антенну, рис. 14.
Рис. 13 Рис. 14
5. Переменный аттенюатор с изменением затухания от очень малых до больших величин, рис. 15.
Аттенюатор состоит из двух гибридных колец и переменного фазовращателя. Переменный фазовращатель может быть заменен отрезками коаксиального кабеля разной длины, коммутируемые контактами реле или галетным переключателем. В этом случае реализуется дискретный переключатель.
Рис. 15
Разность фаз сигналов, поступающих на входы З и 4 второго гибридного кольца, реализуется при помощи фазовращателя, включенного в один из каналов и в зависимости от этой разности фаз, изменяется соотношение между мощностью входного сигнала и мощностью, рассеиваемой на поглощающем сопротивлении. Если эти сигналы синфазны, то вся мощность поступает на выход аттенюатора и его затухание имеет минимальную величину, определяемую потерями в соединительных отрезках линий и в линиях гибридных колец. Если же разность фаз сигналов составляет 180°, то, наоборот, вся мощность выделяется в поглощающем сопротивлении, и сигнал на выходе аттенюатора равен нулю
6. Сравнение фаз двух сигналов.
Сравниваемые сигналы подаются на развязанные входы З и 4 гибридного кольца. Равенство фаз этих сигналов отмечается по минимуму показаний индикатора, подключенного к входу 2, рис. 16.
7. Измерение сопротивлений антенн или других устройств в качестве схемы сравнения.
Эталонное сопротивление может быть переменным с отградуированной шкалой. Равенство эталонного и измеряемого (Rх) сопротивлений отмечается по нулевым показаниям индикатора, рис. 17.
8. Запитка антенн для создания синфазных решеток.
Тракты запитки антенн Л1 и
Л2 имеют одинаковую длину. Если необходим фазовый сдвиг между антеннами по
питанию, его можно осуществить изменением длины одного из трактов Л1 или Л2, рис. 18.
Рис. 16 Рис. 17
Рис. 18
9. На диапазонах УКВ и СВЧ.
В УКВ и СВЧ диапазонах гибридные кольца делаются в полосковом исполнении и находят широкое применение не только в антенной технике, но и в создании балансных смесителей, фазовых детекторов, делителей и сумматоров высокочастотных сигналов. Общим для этого класса устройств является то, что преобразуемый сигнал и сигнал гетеродина(или опорный сигнал) подаются на два, взаимно развязанных входа трехдецибельного моста, а два других входа моста подключены к детекторам, после которых сигналы суммируются.
Развязка между цепями сигнала и гетеродина обеспечиваются за счет моста, в связи, с чем допускается сильная связь гетеродина с детекторами, и может реализоваться оптимальный режим преобразования. В балансных смесителях на основе гибридного кольца подавляются шумы сигнала гетеродина. Рассмотренные выше балансные устройства выполняются из отрез ков линии передачи и их размеры сравнимы с длиной волны. Один из путей уменьшения габаритных размеров конструкций заключается в применении в схемах сосредоточенных реактивных сопротивлений, т.е. в замене отрезков линии передачи эквивалентными четырехполюсниками из реактивных со противлений.
На рис. 19а приводится четырехполюсник для за мены отрезка линии передачи длиной З/4? а на рис. 19б четырехполюсник для замены отрезка линии передачи длиной 0,25?.
O L / C = Wк 1 / O LC = Wо
где Wк - волновое сопротивление линии в гибрид ном кольце; Wо - круговая частота.
Рис. 19 а Рис. 19 б
Таким образом заменяя отрезки линии в гибридном кольце эквивалентными четырехгюлюсниками получаем схему, рис. 20.
Расчет частотных характеристик, произведенный по методу симметрии показал, что все элементы матрицы рассеивания схемы частотозависимы, но тем не менее, по широкополосности эта схема мало уступает схемам на связанных линиях передачи.
Рис. 20
Конструирование балансных восьмиполюсников на сосредоточенных реактивных элементах дает большие возможности, как с точки зрения получения большого разнообразия схем, так и для управления их частотными характеристиками. Кроме того, это дополнительная возможность применения восьмиполюсных схем в диапазонах метровых и коротких волн.
Познакомившись с функциями гибридного кольца, видим, что это не только устройство сложения или деления мощности, но и прибор, с помощью которого можно измерить основные параметры антенны, особенно, актуально для радиолюбителей, не имеющих специальной измерительной аппаратуры.
В качестве примера, рассмотрим практическую схему
гибридного кольца для двадцатиметрового диапазона - трехдецибельное гибридное
кольцо с равным делением мощности для сложения двух сигналов или запитки
двухэлементной антенны с активным питанием, рис. 21.
Рис. 21
Данные элементов для волнового сопротивления 50 Ом:
L1, L.2 = 0,8 мкГ,
С1, С2 = 159 пФ,
Абалл. = 50 Ом.
Данные элементов для волнового сопротивления 75 Ом:
L1, L.2 = 1,19 мкГ,
С1, С2 = 106 пФ,
Абалл. = 75 Ом.
Бескаркасные катушки 11 и 1.2 содержат по 15 витков,
намотаны виток к витку проводом ПЭЛ 2,3 мм на оправке диаметром 12 мм. В
процессе настройки, возможно, придется подбирать индуктивность катушек,
раздвигая нитки или, снижая их количество (в том случае, если нет возможности
заранее измерить их индуктивность).
Рис. 22
Конденсаторы С1, С2 - слюдяные (КСО) на напряжение 500 В. Схема гибридного кольца собирается в экранированной коробке, рис. 14 из 2-х стороннего фольгированного стеклотекстолита. В ней устанавливаются коаксиальные разъемы СР-50-I65ФВ и элементы схемы, а также экраны А из белой жести или из того же фольгированного стеклотекстолита. На этом же рисунке приводится эскизный вариант размещения элементов гибридного кольца в корпусе.
Балластный резистор
Rбалл - согласованная 50 (75)-омная нагрузка. В УКВ диапазоне желательно в коаксиальном исполнении, в диапазоне КВ, в зависимости от подводимой мощности, это может быть набор нескольких резисторов. Рассеиваемая на Rбалл мощность зависит от степени согласования и настройки гибридного кольца и антенн. Чем лучше настройка, всего антенно-фидерного тракта и гибридного кольца, тем меньшая мощность рассеивается.
В проведенном эксперименте, при запитке двух вибраторов, рассеиваемая мощность на балластном резисторе составила 240 мВт при 100 Вт подводимой мощности. Десяти ваттный резистор необходим только в процессе настройки, т.к. снижение подводимой Мощности менее 10 - 15 Вт не обеспечивает достоверных показаний самодельных КСВ-метров (нехватка чувствительности и точности показаний), в которых линейные размеры из мерительной линии малы по сравнению с длиной волны.
На самом деле при настройке гибридного кольца необходимо иметь, как минимум, три согласованных резистора. В крайнем случае, нужный резистор можно собрать из нескольких безиндукционных резисторов С2 - 10 - 2, включив их параллельно и разместив внутри коробки гибридного кольца.
Для настройки гибридного кольца
необходим высокочастотный генератор, можно воспользоваться и трансивером в
режиме передачи. Настройка на 20-метровом
диапазоне проводится на частоте 14150 кГц. Подключив выход генератора
или трансивера через КСВ-метр, следует подсоединиться к согласованной нагрузке
и убедиться, что КСВ = 1, далее можно приступить к настройке самого гибридного
кольца. Схема подключения приводится на рис. 23.
Рис. 23
К входам 1, 2 и 4 гибридного кольца подключаются резисторы 50 Ом, к входу З подключается КСВ-метр. Независимо от показаний КСВ-метра, ВЧ-вольтметром или осциллографом измеряется напряжение на всех резисторах, полученные данные заносятся в таблицу. Чтобы не вносить дополнительной емкости при измерении, необходимо использовать стандартный делитель 1:10. Если индуктивность катушек заранее измерена, то правильно собранная схема гибридного кольца практически не требует настройки, но может потребоваться небольшая коррекция индуктивностей. Мощность, поданная на вход 3, должна поровну распределиться между входами 1 и 2. ВЧ напряжение на входе 4 должно быть минимальным или вообще отсутствовать. Отсутствие напряжения свидетельствует о настроенности гибридного кольца.
Вся антенная система в сборе учитывает все вышеописанные обстоятельства, и ее полная схема приводится на рис. 24.
Рис. 24
Дальнейшая настройка должна производится в следующем порядке:
1. Оба вибратора, снабженные узкополосными симметрирующими устройствами (обязательное условие), настраиваются в резонанс. Кабели питания первого и второго вибраторов должны быть одинаковой длины;
2. Если входное сопротивление вибратора отличается от волнового сопротивления применяемого кабеля, следует поставить в каждый фидер снижения трансформатор сопротивлений (ТС), например, ФНЧ;
3. Следом устанавливается высокочастотное реле направлений;
4. При расстоянии между вибраторами, например, 0,25? после реле вставляется отрезок кабеля длиной 0,25? в качестве линии задержки Л5;
5. Вибраторы запитываются в противофазе (см. начало статьи);
б. Для удобства настройки, на каждый кабель снижения делается вставка одинаковой длины (КСВ-метр).
Длина линии задержки Л5 (вставка 0,25?К) берется немного больше требуемой длины, для более точной настройки при максимальном подавлении заднего лепестка в диаграмме направленности. Трансформаторы сопротивлений (ТС) желательно размещать как можно ближе к вибраторам, но не далее 0,5? Линии питания должны быть одинаковой длины и удовлетворять условию: Л1 = Л2 и ЛЭ = Л4.
Антенные вибраторы настраиваются в резонанс ГИР’ом, а входное сопротивление каждого из них можно измерить гибридным кольцом (см. свойства гибридного кольца). Настройка противофазной системы из двух вибраторов производится с помощью внешнего генератора (маяка), расположенного на расстоянии 2...5? от настраиваемой антенны, и его антенна располагается на той же высоте (в той же плоскости).
Настроив вибраторы антенны в резонанс, трансформировав их входные сопротивления, и проверив КСВ, изменением длины ЛЭ в тракте питания надо добиться максимального подавления заднего лепестка в диаграмме направленности. Если ЛЭ сделать их двух кабелей разной длины, коммутируемых контактами реле с обоих концов, то длина одного из кабелей подбирается на максимальное подавление заднего лепестка, а другой - на максимальное усиление вперед. Таким образом, оптимизируется настройка всей антенной системы.
Каков же вывод?
Итак, применяя гибридное кольцо, мы улучшаем условия согласования и настройки активной антенны, развязав ее элементы по питанию. Основная настройка сводится к согласованию и фазированию. дальнейшее улучшение характеристик антенны связано с выравниванием амплитуд токов в вибраторах. Выровняв амплитуды, можно до нуля пода вить задний лепесток в диаграмме направленности (теоретически). Практически, из-за влияния земли и переотражений, при разной высоте под веса антенны над поверхностью земли и влиянии окружающих предметов, в каждом конкретном случае, получаются разные значения подавления, но они всегда будут значительно лучше, чем в случае использования простой традиционной схемы питания.
Следует дополнительно отметить некоторые особенности настройки описанной активной антенны. для балансировки амплитуд предварительно проводится их измерение в каждом канале. Измерение производится приемником или трансивером по показания 5-метра. Точные значения не обязательны, измерения проводятся в относительных единицах. Здесь важно знать во сколько раз амплитуда в первом вибраторе больше, чем во втором. для проведения измерения отсоединим кабель, идущий к трансиверу от входа З гибридного кольца, а к освободившемуся входу подключим согласованную 50-омную нагрузку. К фидеру питания, идущему к трансиверу, подключается делитель или аттенюатор и измеряется уровень сигнала от маяка на первом и втором входах гибридного кольца. два активно запитанных вибратора подключены к входам 1 и 2.
Проведя эти измерения, оценим получившееся ослабление в разах или децибелах, становится понятным, что применение гибридного кольца с неравным делением мощности предпочтительнее. Неравное деление мощности реализуется подбором волновых сопротивлений в отрезках линий гибридного кольца, сделанного, именно, на дискретных элементах, т.к. очень удобно управлять его характеристиками.
Нам известно, что расчет трехдецибельного гибридного кольца с равным делением мощности довольно прост, чего не скажешь о гибридном кольце с неравным делением мощности, расчет которого затруднителен.
Проще привести конкретные значения для разных значений амплитуд неравного деления в диапазоне возможных отклонений и свести их в таблицу 3.
Таблица 3
|
Входы 50 Ом |
Входы 75 Ом |
||||||||
|
Осл. дБ |
L1, мкГ |
L2, мкГ |
С1, пФ |
С2, пФ |
Осл. дБ |
L1, мкГ |
L2, мкГ |
С1, пФ |
С2, пФ |
|
0,00 |
0,80 |
0,80 |
159 |
159 |
0,00 |
1,20 |
1,20 |
105 |
105 |
|
0,85 |
0,76 |
0,84 |
166 |
151 |
0,88 |
1,10 |
1,32 |
115 |
96 |
|
1,60 |
0,73 |
0,88 |
173 |
144 |
1,40 |
1,05 |
1,40 |
120 |
90 |
|
2,50 |
0,70 |
0,94 |
180 |
135 |
2,10 |
1,01 |
1,50 |
125 |
83 |
|
3,50 |
0,67 |
1,02 |
188 |
124 |
3,10 |
0,97 |
1,70 |
130 |
74 |
0,00 дБ - случай равного деления мощности.
Допустим, определенная разница между каналами 1,7 дБ. Следовательно, следует применить гибридное кольцо с неравным делением мощности, соответствующим этому значению. В таблице находим ближайшее значение 1,6 дБ и выбираем требуемые номиналы 1. и С для волнового сопротивления 50 или 75 Ом. Точность этих величин вполне достаточна, все равно потребуется некоторая коррекция в процессе настройки.
Сложность настройки всей антенной системы окупается полученными результатами. Выходные параметры простой активной двухэлементной антенны намного превосходят параметры пассивных антенн типа “вибратор-рефлектор” или “вибратор-директор”.
Антенна настраивается по маяку, а работает в реальном эфире, в котором наблюдается дальнее или ближнее прохождение, меняется угол прихода радиоволн, поляризация и т.п. Радиоволны, пересекая области повышенного и пониженного давления, подвержены рефракции, поэтому возможны неадекватные оценки силы сигнала. Иногда, может возникнуть такая ситуация, когда при переключении направления “вперед-назад’ но ощущаешь разницу в принимаемом сигнале, а корреспондент, наоборот, отмечает большое подавление заднего лепестка. Иногда, это проявляется как при приеме, так и при передаче. Желательно иметь более гиб кую систему управления антенной, позволяющую адаптировать ее пара метры в разных условиях прохождения и для разных трасс.
Немногое, что еще можно сделать в домашних условиях - применить дискретную линию задержки с шагом 10°. Изменение длины линии задержки на ±30° от расчетного или, выявленного значения в процессе на стройки, позволит провести небольшую адаптацию антенны под конкретные условия прохождения. Подобная схема питания применима к любым вибраторам: диполям, квадратам и треугольникам. дальнейшее улучшение параметров в антеннах с электронным сканированием возможно только при создании антенных решеток. Минимальное количество антенн в решетке, при котором заметно явное улучшение параметров, - две двухэлементные антенны, разнесенные по вертикали. Максимальное количество антенн в решетке, реализуемое в домашних условиях, четыре двухэлементные антенны, две из них располагаются в нижнем этаже, две - в верхнем.
При выборе количества антенн в решетке следует руководствоваться следующим правилом: “Лучше иметь одну или две хорошо настроенные антенны, чем большое количество ненастроенных антенн.” То же самое относится и к многоэлементным антеннам “волновой канал” Не всегда большое количество элементов приводит к ожидаемым результатам.
EW8AU
