Универсальное согласующее устройство для УКВ антенн

 

            Предлагаемое универсальное согласующее устройство по­зволяет согласовывать любые типы вертикальных антенн, име­ющих круговую диаграмму направленности, а именно: четверть­волновые GР, петлевые четвертьволновые GР, полуволновый вибратор, вибратор 5/8λ, многоэлементные коллинеарные ан­тенны. При этом антенны могут иметь различное входное со­противление. Обычно, в зависимости от типа антенны и её вход­ного сопротивления, выбирают приемлемую схему согласова­ния с кабелем питания. Согласование производят с помощью LС элементов, шлейфов или применяют согласующие транс­форматоры. Согласование с помощью LC элементов требует их расчета под конкретное входное сопротивление антенны, измерения индуктивности, что не всегда доступно многим ра­диолюбителям, возникают проблемы, связанные с герметиза­цией элементов, электрической прочностью, грозозащитой. При согласовании с помощью трансформаторов, выполненных из отрезков коаксиального кабеля - проблемы, связанные с отсут­ствием кабеля нужного волнового сопротивления и т.д.

            В диапазоне УКВ наиболее приемлем способ согласования антенн при помощи короткозамкнутых шлейфов. Известны три схемы согласования: одним, двумя и тремя шлейфами.

            Согласование одним шлейфом удобно только в открытых двухпроводных линиях передачи, где имеется легкий доступ к проводникам линии. Для настройки в режиме бегущей волны определяется практически или рассчитывается место включе­ния шлейфа и его длина. Волновое сопротивление шлейфа выбирается чисто из конструктивных соображений и, чаще все­го, оно совпадает с волновым сопротивлением линии переда­чи. Так как шлейф имеет чисто реактивную входную проводи­мость, то в месте его включения активная проводимость линии питания на расчетной частоте не изменится, а сумма нормиро­ванных реактивных проводимостей шлейфа и фидера должна обращаться в нуль.

            В экранированных линиях передачи применяются двухшлейфовые и трехшлейфовые согласующие схемы. В этих схемах не нужно рассчитывать положение шлейфов, оно строго фик­сировано, волновое сопротивление шлейфов также выбирает­ся чисто из конструктивных соображений, регулируется только длина шлейфа. В принципе, расстояние между шлейфами мо­жет быть любым, кроме значений близких к λ/2 или nλ /2, где n - количество полуволн. На практике, следует стремиться к наи­более близкому расположению шлейфа к нагрузке и к наимень­шей длине шлейфа, так как в этом случае в несогласованном участке фидера от нагрузки до шлейфа и в самом шлейфе за­пасается наименьшее количество электромагнитной энергии и эквивалентная добротность нагрузки вместе с согласующим устройством получается наименьшей, а полоса согласования наибольшей.

            Наиболее оптимальным и универсальным является трехшлейфовое согласование, которое позволяет согласовывать фидер с произвольной нагрузкой (рис.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1
            Если сопротивление нагрузки (антенны) меньше сопротив­ления линии питания, согласование осуществляется первым и вторым шлейфом. Например: входное сопротивление антенны 30 Ом, кабель питания 50 или 75 Ом. Подбирая длину первого короткозамкнутого шлейфа, мы трансформируем 30 Ом в 50 или 75 Ом в точке включения второго шлейфа, то есть входное сопротивление антенны становится равным волновому сопро­тивлению кабеля питания.

            Во время настройки кабель, идущий к генератору, подключа­ется к высокочастотному мосту, которым и контролируется со­противление. Если нет высокочастотного моста, то степень со­гласования можно контролировать по КСВ-метру, подав сигнал от передатчика или генератора. Если при измерении ВЧ-мостом, подбирая длину первого шлейфа, мы увидим, что стрелка не ложится на нуль, это говорит о том, что в нагрузке (антенне) присутствует реактивная составляющая емкостного или индук­тивного характера, которую необходимо компенсировать. При контроле по КСВ-метру КСВ не равен единице, что также ука­зывает на присутствие реактивности. Компенсация оставшей­ся реактивности осуществляется изменением длины второго шлейфа, при этом для оптимального согласования после регу­лировки длины второго шлейфа возможна небольшая коррек­ция длины первого шлейфа. В данном конкретном случае, ког­да сопротивление нагрузки меньше сопротивления питающего кабеля, третий шлейф остается незадействованным и его ис­ключают из схемы, установив его длину равной 0.25λк (где к -коэффициент укорочения), при такой длине он никоим образом не воздействует на схему.

            Если сопротив­ление антенны больше волново­го сопротивления линии передачи, регулировка про­водится вторым и третьим шлейфа­ми, а длину пер­вого шлейфа так­же выставляют 0,25λк, как бы ис­ключая его из схе­мы. Такое прави­ло настройки яв­ляется необяза­тельным, и возможен порядок согласования, при котором используется регули­ровка всех трех шлейфов. Начальную длину шлейфов и рассто­яние между шлейфами берут 0.25λ, с учетом укорочения в ка­беле.

            Все вертикальные антенны имеют как минимум по три проти­вовеса, поэтому целесообразно расположить три короткозамкнутых шлейфа в противовесах. На высоких частотах в качестве короткозамкнутых шлейфов удобно применять не коаксиальный кабель, а самодельные полосковые линий, выполненные на диэлектрике, или жест­кие проводники, рас­положенные над экра­ном. Шлейфы с под­вижными короткозамыкателями могут иметь любую доступ­ную для изготовления форму: в виде круглой трубы, квадратной, прямоугольной, П-образной  или  в виде треугольного желоба (рис.2).

 

 

 

 

Рисунок 2

 

            В полосковом варианте линия изготавливается, например, из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита (рис.3).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3

 
            На рис.4 показан эскиз полосковой линии с короткозамыкателем. Ее длина зависит от диэлектрической проницаемости под­ложки материала, из которого она изго­товлена. Коэффициент укорочения к = √ξ. Для стеклотекстолита коэффициент укорочения равен 0,5; для флана - от 0,3 до 0,25. Например, если для диапазона 145 МГц (четверть длины волны равна 0,5 м) полосковую линию изготовить из фольгированного стеклотекстолита, то длина её будет равна 250 мм, из флана она будет еще короче. Устанавливать та­кие линии надо в противовесах. От ши­рины верхней дорожки, материала под­ложки и его толщины зависит волновое сопротивление линии, но в нашем слу­чае это не важно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4

 

            Один из вариантов шлейфа из метал­лической трубки с прорезью примерно на 2/3 длины показан на рис.5. Так как вол­новое сопротивление не имеет значения, то диаметры трубы и центральной жилы выбираются произвольного размера, обеспечивающие конструктивную жест­кость. Поскольку это коаксиальная линия с воздушным диэлектриком, то ее физи­ческая длина равна 0,25λ и она может выполнять также функцию противовеса. При установке таких шлейфов-противо­весов к узлу крепления антенны, щель или открытая сторона короба (экрана) должна быть обращена вниз, чтобы в противовес не попадала дождевая вода или снег. При регулировке длины линии винт и гайка отжаты, короткозамыкатель свободно передвигается внутри трубы. Для фиксации, сначала зажимаем винт, обеспечив хороший контакт с централь­ным проводником, потом - гайку, чтобы обеспечить контакт с внешним провод­ником (экраном).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5

 

            Универсальное согласующее уст­ройство (рис.6) состоит из стакана, к ко­торому прикреплены три коаксиальных шлейфа-противовеса, аналогичные рис.5. Внутри стакана находятся отрез­ки кабеля L1,L2, аналогичные по функ­ции изображенным на рис. 1. Сверху ста­кана установлен изолятор с вертикаль­ным вибратором антенны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6

 

            Установив любой вертикальный излуча­тель на такое устройство, мы всегда смо­жем обеспечить режим наилучшего согла­сования антенны с кабелем питания. Такое устройство удобно при замене антенн и для сравнения различных ан­тенн по их характеристикам. Кроме того, так как все три шлейфа и вибратор име­ют гальваническую связь с землей, обес­печивается хорошая грозозащита.

            В случае использования только одной антенны с известным входным сопротив­лением, шлейфы выполняются из коак­сиального кабеля и могут быть размеще­ны не в противовесах, а в стакане, так же как и отрезки L1, L2. Откусывая ку­сочки кабеля и закорачивая их на конце, добиваются режима наилучшего согла­сования. При этом используют только два нужных по схеме шлейфа, третий шлейф в этом случае можно вообще не ставить. Однако это будет уже устройство согла­сования под конкретную антенну, а не универсальное устройство. Предлагаемая схема позволяет согла­совать антенну и в коротковолновом ди­апазоне, единственный недостаток при этом - большой расход коаксиального ка­беля.

 

EW8AU