Поляризация электромагнитных волн

Поляризация электромагнитных волн (франц. polarisation; первоисточник: греч. polos ось, полюс) - нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов s и v смещения и скорости в случае упругих волн или векторов Е и Н напряжённостей электрических и магнитного полей в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным. Поперечную волну назовут поляризованной, если в каждой точке пространства направление колебаний сохраняется неизменным или изменяется с течением времени по определённому закону. Плоскополяризованной (линейно-поляризованной) назовут волну с неизменным направлением колебаний, соответственно векторов s или Е. Если концы этих векторов описывают с течением времени окружности или эллипсы, то волну назовут циркулярно или эллиптически - поляризованной. Поляризованная волна может возникнуть: вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе; при отражении и преломлении волн на границе раздела двух сред (см. Брюстера закон); при распространении волны в анизотропной среде (см. Двойное лучепреломление).
(см. Большой энциклопедический политехнический словарь)
На практике: если сигнал с телецентра идёт в горизонтальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены параллельно плоскости земли, если сигнал передаётся в вертикальной поляризации, то вибраторы антенны должны быть расположены перпендикулярно плоскости земли, если сигналы передаются в двух поляризациях, то нужно использовать две антенны и сигналы с них суммировать. В зоне уверенного приёма можно поставить одну антенну под углом 45 градусов к плоскости земли.
Спутниковый телевизионный сигнал передаётся на Землю в линейной и в круговой поляризации. Для приёма таких сигналов используют разные конверторы: например, для Континент ТВ- линейный конвертор, а для Триколор ТВ - циркулярный конвертор. Форма и размер тарелки не оказывает на поляризацию никакого влияния.

Важным параметром антенн является входное сопротивление: (входной импеданс антенны), характеризующее её как нагрузку для передающего устройства или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точкой подключения (точкой возбуждения) антенны к фидеру, к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. Входное сопротивление антенны состоит из суммы сопротивления излучения антенны и сопротивления потерь: Z = R(изл) + R (пот). R(изл) - в общем случае величина комплексная. В резонансе реактивная составляющего входного импеданса должна быть равна нулю. На частотах выше резонансной импеданс имеет - индуктивный характер, а на частотах ниже резонансной - емкостной характер, что вызывает потерю мощности на границах рабочей полосы антенны. R (пот) - сопротивление потерь антенны зависит от многих факторов, например, от близости ее к поверхности Земли или проводящим поверхностям, омических потерь в элементах и проводах антенны, потерь в изоляции. Входной импеданс антенны должен быть согласован с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением передатчика) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.
У телевизионных антенн входной импеданс: логопериодической антенны - 75 Ом, у волнового канала - 300 Ом. Для антенн волнового канала при использовании телевизионного кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом требуется согласующее устройство, ВЧ трансформатор.

Коэффициент стоячей волны (KСВ)

Коэффициент стоячей волны характеризует степень согласования антенны с фидером, а также согласование выхода передатчика и фидера. На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отраженная энергия вызывает перегрев передатчика и может его повредить.

КСВ рассчитывается следующим образом:
KСВ = 1 / KБВ = (U пад + U отр) / (U пад - U отр), где U пад и U отр - амплитуды падающей и отраженной электромагнитных волн.
С амплитудами падающей (U пад) и отраженной (U отр) волн в линии КБВ связано соотношением: KБВ = (U пад + U отр) / (U пад - U отр)
В идеале КСВ=1, значения до 1,5 считаются приемлемым.

Диаграмма направленности (ДН)

Диаграмма направленности является одной из самых наглядных характеристик приёмных свойств антенны. Построение диаграмм направленности производится в полярных или в прямоугольных (декартовых) координатах. Рассмотрим для примера построенную в полярных координатах диаграмму направленности антенны типа «волновой канал» в горизонтальной плоскости (рис. 1). Координатная сетка состоит из двух систем линий. Одна система линий представляет собой концентрические окружности с центром в начале координат. Окружности наибольшего радиуса соответствует максимальной ЭДС, значение которой условно принято равным единице, а остальные окружности - промежуточные значения ЭДС от единицы до нуля. Другая система линий, образующих координатную сетку, представляет собой пучок прямых, которые делят центральный угол в 360° на равные части. В нашем примере этот угол разделен на 36 частей по 10° в каждой.

Положим, что радиоволна приходит с направления, показанного на рис. 1 стрелкой (угол 10°). Из диаграммы направленности видно, что этому направлению прихода радиоволны соответствует максимальная ЭДС на клеммах антенны. При приеме радиоволн, приходящих с любого другого направления, ЭДС на клеммах антенны будет меньше. Например, если радиоволны приходят под углами 30 и 330° (т. е. под углом 30° к оси антенны со стороны директоров), то значение ЭДС будет равно 0,7 максимальной, под углами 40 и 320° - 0,5 максимальной и т. д.

На диаграмме направленности (рис. 1) видны три характерные области - 1, 2 и 3. Область 1, которой соответствует наибольший уровень принятого сигнала, называют основным, или главным лепестком диаграммы направленности. Области 2 и 3, находящиеся со стороны рефлектора антенны, носят название задних и боковых лепестков диаграммы направленности. Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна принимает радиоволны не только спереди (со стороны директоров), но и сзади (со стороны рефлектора), что снижает помехоустойчивость приема. В связи с этим при настройке антенны стремятся уменьшить число и уровень задних и боковых лепестков.
Описанную диаграмму направленности, характеризующую зависимость ЭДС на клеммах антенны от направления прихода радиоволны, часто называют диаграммой направленности по «полю», так как ЭДС пропорциональна напряженности электромагнитного поля в точке приема. Возведя в квадрат ЭДС, соответствующую каждому направлению прихода радиоволны, можно получить диаграмму направленности по мощности (пунктирная линия на рис. 2).
Для численной оценки направленных свойств антенны пользуются понятиями угла раствора основного лепестка диаграммы направленности и уровня задних и боковых лепестков. Углом раствора основного лепестка диаграммы направленности называют угол, в пределах которого ЭДС на клеммах антенны спадает до уровня 0,7 от максимальной. Угол раствора можно также определить, пользуясь диаграммой направленности по мощности, по ее спаду до уровня 0,5 от максимальной (угол раствора по «половинной» мощности). В обоих «случаях численное значение угла раствора получается, естественно, одним и тем же.
Уровень задних и боковых лепестков диаграммы направленности по напряжениюопределяется как отношение ЭДС на клеммах антенны при приеме со стороны максимума заднего или бокового лепестка к ЭДС со стороны максимума основного лепестка. Когда антенна имеет несколько задних и боковых лепестков различной величины, то указывается уровень наибольшего лепестка.

Коэффициент направленного действия (КНД)

Коэффициент направленного действия: (КНД) передающей антенны - отношение квадрата напряженности поля, создаваемой антенной в направлении главного лепестка, к квадрату напряженности поля создаваемой ненаправленной или направленной эталонной антенной (полуволновый вибратор - диполь, коэффициент направленного действия которого по отношению к гипотетической ненаправленной антенне равен 1,64 или 2,15 дБ) при одинаковой подводимой мощности. (КНД) является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд). Чем уже главный лепесток (ДН) и меньше уровень боковых лепестков, тем больше КНД.
Реальный выигрыш антенны по мощности относительно гипотетического изотропного излучателя или полуволнового вибратора характеризуется коэффициентом усиления по мощности КУ(Мощ.), который связан с (КНД) соотношением:
КУ(Мощ.) = КНД - КПД (коэффициент полезного действия антенны)

Коэффициент усиления (КУ)

Коэффициент усиления (КУ) антенны - отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой к входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля при излучении мощности, а при приёме - отношение мощностей, выделяемых на согласованных нагрузках антенн.
КУ является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд).
Усиление антенны характеризуется выигрышем по мощности (напряжению), которая выделяется в согласованной нагрузке, подключенной к выходным зажимам рассматриваемой антенны, по сравнению с "изотропной" (то есть имеющей круговую ДН) антенной или, например, полуволновым вибратором. При этом надо учитывать направленные свойства антенны и потери в ней (КПД). У телевизионных приёмных антенн (КУ) равен, примерно, коэффициенту направленного действия (КНД) антенны, т.к. коэффициент полезного действия таких антенн находится в пределах 0,93…0,96. Коэффициент усиления широкополосных антенн зависит от частоты и неравномерен во всей полосе частот. В паспорте на антенну нередко указывают максимальное значение (КУ).

Коэффициент полезного действия (КПД)

В режиме передачи, (КПД) - это отношение мощности излучаемой антенной к мощности, подведённой к ней, так как существуют потери в выходном каскаде передатчика, в фидере и самой антенне, КПД антенны всегда меньше 1. В приёмных телевизионных антеннах КПД находится в пределах 0,93…0,96.

После ряда экспериментов со спиральными антеннами был построен график

входного сопротивления дипольной и вертикальной спиральной антенн в зависимости от коэффициента укорочения (рис. 6.9) в диапазоне 7…28 МГц. Антенны были выполнены на диэлектрическом каркасе диаметром от 10 мм до 10 см, намотка спирали была равномерной, использовался провод диаметром более 0,5 мм.

Как показали опыты, для укороченных спиральных антенн, имеющих К = 2…10, изменение диаметра их каркаса в пределах 1…10 см не влияет в значительной степени на входное сопротивление. Однако для сильно укороченных спиральных антенн с К > 10 полученные мной результаты показали, что входное сопротивление в значительной мере зависит от диаметра их диэлектрического каркаса и от частоты, на которой спиральная антенна имеет резонанс, поэтому для них такого простого графика, как на рис. 6.9 получить не удалось.

Как видно из этого графика, для питания дипольных и вертикальных спиральных антенн с К > 3 подходит коаксиальный кабель волновым сопротивлением 50 Ом, электрической длиной кратной половине длины волны работы антенны. В некоторых случаях вертикальные антенны первоначально имели входное сопротивление значительно большее, чем на рис. 6.9, но настройка «земли» антенны в резонанс позволяла его понизить. Подключение коаксиального кабеля к вертикальной антенне обычно незначительно изменяет ее входное сопротивление на конце подключения кабеля к трансиверу, в этом случае изменение входного сопротивления

происходит в сторону уменьшения. Дипольная спиральная антенна по

сравнению с вертикальной обычно имеет входное сопротивление более приближенное к показанному на графике. Однако, подключение коаксиального кабеля к дипольной спиральной антенне может привести к тому, что сопротивление антенны будет значительно отличаться от указанного на графике, причем, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Ферритовые кольца в количестве не менее 10 шт., установленные на концах коаксиального кабеля, уменьшают его влияние

на входное сопротивление, но не устраняют полностью. Если коэффициент удлинения спиральной антенны превышает 5, на конце коаксиального кабеля, питающего антенну, целесообразно устанавливать высокочастотный дроссель не из ферритовых колец, а в виде 5–20 витков коаксиального кабеля диаметром 10…20 см.

Изменение диаметра спирали и диаметра провода, используемого для намотки реальной укороченной антенны, не оказывает значительного влияния на входное сопротивление антенны. Происходит это потому, что при увеличении диаметра спирали антенна излучает более эффективно, следовательно, возрастает сопротивление излучения антенны, и возрастает ее входное сопротивление. При уменьшении диаметра спирали, эффективность излучения антенной электромагнитных волн уменьшается, поэтому падает сопротивление излучения, но возрастают диэлектрические потери в каркасе спирали. Рост диэлектрических потерь приводит к росту входного сопротивления спиральной антенны. Очевидно, что для увеличения эффективности работы спиральной антенны необходимо использовать для изготовления ее спирали провод как можно большего диаметра и диаметр витков спирали должен быть максимально возможным для практического выполнения антенны. Каркас, на котором выполнена спираль антенны, должен иметь малые диэлектрические потери. В конструкции спиральной антенны желательно использовать равномерную намотку спирали.

Вопросы проектирования, изготовления и использования антенн для диапазонов длинных (ДВ), средних (СВ), и коротких (KB) волн содержат значительно меньше проблем, чем антенн для диапазона УКВ, особенно телевизионных. Дело в том, что в диапазонах ДВ, СВ, KB передатчики, как правило, обладают большой мощностью, распространение радиоволн этих диапазонов связано с большими значениями дифракции и рефракции в атмосфере, и приемные устройства обладают высокой чувствительностью.

При передаче и приеме сигнала в диапазоне УКВ и в частности телевизионного сигнала обеспечение необходимых значений этих параметров вызывает ряд трудностей, а именно: достижение мощностей телевизионных передатчиков, таких как радиовещательных, оказалось пока невозможным; явления дифракции и рефракции в диапазоне УКВ незначительны; чувствительность телевизионного приемника ограничена уровнем его собственных шумов и составляет из-за необходимости приема широкополосного сигнале примерно 5 мкВ. Поэтому для получения на экране телевизора высокого уровня изображения уровень входного сигнала должен быть не менее 100 мкВ. Однако из-за небольшой мощности передатчика и худших условий распространения радиоволн напряженность электромагнитного поля в точке приема оказывается невысокой. Отсюда возникает одно из главных требований, предъявляемых к телевизионной антенне: при данной напряженности поля в точке приема антенна должна обеспечить необходимое напряжение сигнала для нормальной работы телевизионного приемника.

Приемная антенна представляет собой одиночный провод или систему проводов, предназначенных для преобразования энергии электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты. Параметры антенн при работе на прием и на передачу идентичны, поэтому можно применять принцип взаимности антенных устройств, дающих возможность некоторые характеристики и параметры антенн определять в режиме передачи, а другие в режиме приема.

Радиоволны, попадая на окружающие предметы, наводят в них электрические токи высокой частоты. Последние создают электромагнитное поле, и происходит отражение электромагнитной волны. Антенна принимает как прямые, так и отраженные радиоволны, которые приводят к искажению изображения на экране телевизора.

Экспериментальные исследования показали, что при использовании вертикальной поляризации к месту приема приходит значительно больше отраженных волн, чем при использовании горизонтальной поляризации. Это объясняется тем, что в окружающем пространстве, особенно в городах, имеется множество вертикальных, хорошо отражающих препятствий (здания, столбы, трубы, магниты). При выборе вида поляризации учитываются и свойства антенн. Конструктивно горизонтальные антенны проще вертикальных. Почти все они обладают направленностью в горизонтальной плоскости, что ослабевает прием помех и отраженных волн за счет пространственной избирательности.

Приемные телевизионные антенны должны удовлетворять следующим основным требованиям:

Иметь простую и удобную в эксплуатации конструкцию;

Высокую пространственную избирательность;

Пропускать широкую полосу частот;

Обеспечивать высокое отношение уровня сигнала к уровню помех при приеме;

Обладать слабой зависимостью входного сопротивления и коэффициента усиления от частоты.

Входное сопротивление антенны

Антенна является источником сигнала, который характеризуется электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением, которое называется входным сопротивлением антенны. Входное сопротивление определяется отношением направления на зажимах антенны к току на входе фидера. Величину входного сопротивления антенны необходимо знать для того, чтобы правильно согласовать антенну с кабелем и телевизором: только при этом условии на вход телевизора поступает наибольшая мощность. При правильном согласовании входное сопротивление антенны должно равняться входному сопротивлению кабеля, которое, в свою очередь, должно быть равно входному сопротивлению телевизора.

Входное сопротивление антенны имеет активную и реактивную составляющие. Входное сопротивление настроенной в резонанс антенны чисто активно. Оно зависит от типа антенны и ее конструктивных особенностей. Например, входное сопротивление линейного полуволнового вибратора составляет 75 Ом, а петлевого вибратора - около 300 Ом.

Согласование антенны с кабелем-фидером

Согласование антенны с кабелем характеризуется коэффициентом бегущей волны (КБВ). При отсутствии идеального согласования антенны и кабеля имеет место отражение падающей волны (входного напряжения), например, от конца кабеля или другой точки, где его свойство резко меняется. В этом случае вдоль кабеля распространяются в противоположных направлениях падающая и отраженная волны. В тех точках, где фазы обеих волн совпадают, суммарное напряжение максимально (пучность), а в точках, где фазы противоположны, оно минимально (узел).

Коэффициент бегущей волны определяется соотношением:

В идеальном случае КБВ= 1 (когда имеет место режим бегущей волны, т. е. ко входу телевизора передается сигнал максимально возможной мощности, т. к. в кабеле нет отраженных волн). Это возможно при согласовании входных сопротивлений антенны, кабеля и телевизора. В худшем случае (когда U min =0 ) КБВ=0 (имеет место режим стоячей волны, то есть амплитуды падающей и отраженной волн равны, и энергия вдоль кабеля не передается).

Коэффициент стоячей волны определяется соотношением:

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны

Приемная ненаправленная антенна принимает сигналы со всех направлений. Направленная приемная антенна обладает пространственной избирательностью. Это имеет важное значение, т. к. при малом уровне направленности поля в месте приема такая антенна увеличивает уровень принимаемого сигнала и ослабляет внешние помехи, приходящие с других направлений.

Коэффициент направленного действия приемной антенны представляет собой число, показывающее, во сколько раз мощность, поступающая на вход телевизора при приеме на направленную антенну, больше мощности, которую можно получить при приеме на ненаправленную антенну (при той же напряженности поля).

Свойства направленности антенны характеризуются диаграммой направленности. Диаграмма направленности приемной антенны представляет собой графическое изображение зависимости напряжения сигнала на входе телевизора от угла поворота антенны в соответствующей плоскости. Эта диаграмма характеризует зависимость ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем, от направления прихода сигнала. Строится она в полярной или прямоугольной системе координат. На рис. 1, 2 представлены диаграммы направленности антенны типа «волновой канал».

Рис. 1. Диаграмма направленности антенны в полярной системе координат

Диаграммы направленности антенн чаще всего являются многолепестковыми. Лепесток, соответствующий направлению прихода волны при котором в антенне наводится максимальная ЭДС, называется главным. В большинстве случаев диаграмма направленности имеет еще обратный (задний) и боковые лепестки. Для удобства сравнения между собой различных антенн их диаграммы направленности нормируют, т. е. строят в относительных величинах, принимая наибольшую ЭДС за единицу (или за сто процентов).

Основными параметрами диаграммы направленности являются ширина (угол раствора) главного лепестка в горизонтальной и вертикальной плоскостях. По ширине главного лепестка судят о направленных свойствах антенны. Чем эта ширина меньше, тем больше направленность.

Рис. 2. Диаграмма направленности антенны в прямоугольной системе координат

Уровень боковых и задних лепестков характеризует помехозащищенность антенны. Она определяется с помощью коэффициента защитного действия (КЗД) антенны, под которым понимают отношение мощности, выделяемой антенной на согласованной нагрузке при приеме с заднего или бокового направления, к мощности на той же нагрузке при приеме с главного направления.

Часто коэффициент защитного действия выражают в логарифмических единицах - децибелах:

Направленные свойства антенны характеризуются также коэффициентом направленного действия (КНД) - числом, показывающим, во сколько раз мощность сигнала, поступающего на вход телевизора при приеме на данную направленную антенну, больше мощности, которую можно было бы получить при приеме на ненаправленную или направленную эталонную антенну. В качестве эталонной антенны чаще всего используют полуволновый вибратор (диполь), коэффициент направленного действия которого по отношению к гипотетической ненаправленной антенне равен 1,64 (или 2,15 дБ). КНД характеризует предельно возможный выигрыш по мощности, который может дать антенна благодаря своим направленным свойствам в предположении, что в ней полностью отсутствуют потери. В действительности любая антенна обладает потерями и даваемый ею выигрыш по мощности всегда меньше предельно возможного. Реальный выигрыш антенны по мощности относительно гипотетического изотропного излучателя или полуволнового вибратора характеризуется коэффициентом усиления по мощности К р , который связан с КНД соотношением:

где η - коэффициент полезного действия (КПД) антенн.

КПД антенны характеризует потери мощности в антенне и представляет собой отношение мощности излучения к сумме мощностей излучения и потерь, то есть к полной мощности, которая подводится к антенне от передатчика:

где P u - мощность излучения, P n - мощность потерь.

Ширина полосы пропускания антенны

Полоса пропускания приемной телевизионной антенны представляет собой спектр частот, в пределах которого выдержаны все основные значения ее электрических характеристик. Частотная характеристика настроенной антенны подобна резонансной кривой колебательного контура. Поэтому по аналогии с полосой пропускания контура может быть определена и полоса пропускания антенны.

На резонансной (фиксированной) частоте антенна имеет определенную величину входного сопротивления, которое согласуется с сопротивлением нагрузки. За такую частоту обычно принимается средняя частота телевизионного канала, на которой реактивное сопротивление антенны равно нулю. На частотах ниже резонансной она носит емкостной характер, а на частотах выше резонансной - индуктивный.

Таким образом, изменение частоты приводит как к изменению активной составляющей, так и к появлению реактивной составляющей входного сопротивления. Вследствие этого мощность, подводимая к нагрузке, уменьшается.

Особенно это заметно на крайних частотах, наиболее удаленных от резонансной частоты. Допустимо уменьшение мощности не более чем в два раза. Исходя из этого шириной полосы пропускания 2Af считается такой спектр частот вблизи резонансной частоты в пределах которого подводимая к нагрузке мощность уменьшится не более чем в два раза.

Для обеспечения хорошего качества приема антенна должна пропускать весь спектр частот телевизионного сигнала, который для одного канала равен 8 МГц. Качество изображения остается еще достаточно хорошим, если антенна пропускает полосу частот не менее 6 МГц. Дальнейшее сужение полосы частот приводит к ухудшению качества изображения и к потере его четкости. Самый эффективный метод расширения полосы пропускания - уменьшение эквивалентного волнового сопротивления вибратора за счет увеличения его поперечных размеров. Таким путем увеличивается погонная емкость и уменьшается погонная индуктивность вибратора. Кроме всего прочего полоса пропускания антенны ограничивается и полосой пропускания фидера снижения.

Что такое входное сопротивление антенны?

Все знают, что входное сопротивление (импеданс) антенны редко когда бывает равный волновому сопротивлению фидерной линии. Здесь постараюсь показать, как согласовать нагрузку с фидером эффективными методами.
Далее все примеры будут даны для коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 ом, но принцип расчёта действителен и для других как несимметричных, так и симметричных линий передач.

Входное сопротивление антенны

Сначала выясним, что такое входное сопротивление антенны. Считается, что оно представляет собой последовательно соединённые реактивное и активное сопротивления. Но в антенне или в фидере нет реального резистора, конденсатора или катушки индуктивности. Всё это только результат расчёта эквивалентных им сопротивлений антенной цепи.

Пусть в качестве нагрузки будет использован некий «чёрный ящик», на входной разъём которого подаётся ВЧ напряжение. На этом разъёме реально можно измерить мгновенное напряжение u’ и ток i’, а также разницу фазы между ними j . Входное сопротивление есть рассчитанное активное и реактивное сопротивления, подключая к которым данное ВЧ напряжение получим точно такие же u’, i’ и j .

Известно, что такой эквивалент может иметь как последовательное (serial, Zs=Rs+jXs), так и параллельное (parallel, Zp=Rp||+jXp) соединение активных и реактивных сопротивлений. Каждому последовательному соединению активного (Rs) и реактивного (Xs) сопротивлений соответствует параллельное соединение активного (Rp) и реактивного (Xp) сопротивлений. В общем случае Rs № Rp и Xs № Xp. Привожу формулы, по которым можно пересчитать численные значения с одного соединения на другое.

Например, пересчитаем последовательное соединение Zs=40+j30 W в параллельное Zp.

Чаще используют эквивалент последовательного включения, но и эквивалент параллельного включения имеет такое же практическое значение. Zs называется импедансом последовательного включения, R – резистансом, X – реактансом, а Zp импедансом параллельного включения.

В параллельном включении часто используется админтанс, но это проводимость, и наглядность при его использовании сильно уменьшается. Обычно термин „импеданс" указывает, что речь идёт о последовательном соединении эквивалентного активного и реактивного сопротивлений.

Однако, пересчёт последовательного соединения сопротивлений в параллельное соединение довольно часто нужен для компенсации реактивной составляющей. Только следует иметь в виду, что при последовательной и параллельной компенсации получаем разные активные составляющие сопротивления.

Для пересчёта Zs в Zp и наоборот очень хорошо подходит программа NETCALK .
Возникает вопрос, как измерить параметры комплексной нагрузки. К сожалению, простой измеритель КСВ тут мало пригоден. Я для этого пользуюсь векторным анализатором VA1 , который на дисплее показывает все нужные цифровые значения. Так же можно воспользоваться прибором AA-330 .

Компенсация реактивной составляющей

Реактивную составляющую сопротивления (импеданса) полезно компенсировать. Это уменьшает КСВ. Суть компенсации есть выравнивания фаз напряжения и тока. Менять угол фазы между напряжением и током можно подключая реактивный элемент последовательно или параллельно.

Чтобы разница в углах фаз стала равна нулю, надо подключить такое реактивное сопротивление, какое присутствует в эквивалентной схеме нагрузки, только с противоположным знаком. Известно, что реактивное сопротивление ёмкости имеет отрицательный знак, индуктивности – положительный.

В случае последовательной компенсации дополнительный эквивалентный реактивный элемент с противоположным знаком включается последовательно и получается последовательный контур, а в случае параллельной компенсации – параллельно, получается параллельный контур. В случае последовательного соединения сопротивлений они просто складываются

А в случае параллельного соединения

Если нагрузку полностью скомпенсировать, эти контура находятся в резонансе, при этом Xs=0 или Xp= Ґ . Например, имеем нагрузку Zs=50+j30 W (Zp=68||+j113 W ), SWR=2.

Если последовательно с нагрузкой включим ёмкость с Xc=-30 W , получим Z=50 W и SWR=1. Если параллельно нагрузке подключим ёмкость с Xc=-113 W , получим Z=68 W и SWR=1,36. В случае последовательной компенсации дополнительный элемент с эквивалентном соответствует последовательному контуру, в случае параллельного – параллельному.

Согласование сопротивлений

Как я уже писал, по-разному подключая компенсирующий элемент, в общем случае получаем разный Z, тем самым и КСВ. Посмотрим, как можно скомпенсировать (согласовать) нагрузку Zs=22+j25 W (Zp=50,4||+j44 W ), SWR=2,94.

Последовательно подключив конденсатор с Xc=-25 W получим Z=22 W (SWR=2,27). Если параллельно нагрузке подключим конденсатор с Xc=-44 W , получим Z=50,4 W и SWR=1,01. Как видим, в данном случае параллельная компенсация бесспорно лучше. Если такая нагрузка будет подключена к передатчику, который работает на частоте 14 MHz, то параллельно нагрузке следует подключить конденсатор ёмкостью

Если передатчик имеет выходной П-контур, то эту ёмкость надо добавить к выходному (холодному) конденсатору. Это можно сделать с помощью выходного конденсатора, если его увеличить на необходимую величину. В таком случае получим хорошее согласование передатчика, рассчитанного на 50 W , с нагрузкой (в точке соединения фидера с передатчиком, r =0), хотя КСВ в кабеле останется 2,94. W , то параллельно конденсатору П-контура надо подключить индуктивность 0,5mH (Xl=44 W ) или, если есть такая возможность, ёмкость „холодного" конденсатора П-контура уменьшить на 258pF (Xs=-44 W ). Частично из-за этого, настраивая П-контур на реальную нагрузку, мы и получаем неодинаковую ёмкость „холодного" конденсатора сравнительно с 50 W эквивалентом.

Частично потому что, меняя ёмкость конденсаторов П-контура, можно в некоторых пределах настроить передатчик на нагрузку, не равную рассчитываемой при проектировании передатчика. Если передатчик не имеет П-контура или тюнера, то эта не скомпенсированная реактивность расстраивает выходной фильтр передатчика, коэффициент отражения r >0 и передатчик не способный отдать в фидер расчитанную мощность.

Хочу отметить, что ни П-контур, ни тюнер в трансивере или около него, КСВ в фидере не изменяет. Эти устройства способны только согласовать выходное сопротивление передатчика с входным сопротивлением фидера в точке его подключения к передатчику (не путать с волновым сопротивлением фидера), т.е. улучшить коэффициент отражения r . Чтобы улучшить КСВ в кабеле, надо согласовать нагрузку с волновым сопротивлением фидера в точке их соединения.
Можно одновременно применять последовательную и параллельную компенсацию. Это зависит от конкретного случая. Приведу реальный пример. Сопротивление антенны на 1,9MHz имеет импеданс Zs=26+j44 W (Zp=100||+j59 W ), SWR=3,7.

Если параллельно нагрузке подключить конденсатор с Xc=-59 W , получим Z=100 W , SWR=2, если последовательно подключим конденсатор с Xc=-44 W , получим Z=26, SWR=1,92. Последний вариант лучше, но всё равно плохой. Теперь, не изменяя Rs, подберём Xs такое, что бы Rp стало бы 50 W . Этому варианту соответствует Zs=26+j25 W . Последовательно с нагрузкой подключим реактивность Xs=(26+j25)-(26+j44)=-j19 W (конденсатор 4,4nF). Полученный Zs=26+j25 W пересчитаем в Zp=50||+j52 W .

Теперь параллельно подключаем реактивность Xp=-j52 W (конденсатор 1,6nF) и получаем Z=50 W и SWR=1. Всё, антенна с 50 W фидером согласована!
Всё это без труда можно посчитать с помощью программы MMANA . Я всё это писал для того, что бы был понятен механизм настройки и что на что влияет.

Можно согласовать и другим способом. Известно, что если к фидеру подключить нагрузку, сопротивление которой не равно волновому сопротивлению фидера, то фидер будет трансформировать сопротивление нагрузки.

Численное значение сопротивления на входе фидера будет зависеть от сопротивления нагрузки, волнового сопротивления и длины фидера. С помощью программы APAK-EL находим, что если к нагрузке Zs=26+j44 W подключить фидер 50 W длиной 4,76м., то на частоте 1,9MHz на его входе получим Zs=50+j69 W .

Если в этом месте включим последовательно ёмкость с Xc=-69 W (конденсатор 1,2нФ), то получим Z=50 W и SWR=1. С этого места можно подключать 50 W фидер любой длины.

Возможны и другие варианты согласования. Это зависит от понимания сути и фантазии.
Теперь попробуем согласовать антенну на 14 MHz, сопротивление которой Zs=150-j260 W (Zp=600||-j346 W ). Как видим, одним компенсирующим элементом не обойдёмся.

Нам нужно получить 50 W , а не 150 W или 600 W . Вводим данные в APAK-EL и находим ближайшую к нагрузке точку, где Rtr=50 W .

Как видим, длина дополнительного кабеля будет только 30см. В этом месте будем иметь Zs=50-j161 W . Если в этом месте последовательно подключим индуктивность с Xl=161 W , то получим полное согласование (Z=50 W , SWR=1).
Всё это можно согласовать и в месте подключения нагрузки к фидеру. Пример с MMANA

Как видим, согласовать можно, подключив индуктивность 1,35 m H параллельно нагрузке, а сигнал на нагрузку подавать через конденсатор 68,5pF.

Шлейфы

Шлейфами называются закороченые или открытые отрезки фидера. В идеальном фидере (фидере без потерь) сопротивление таких отрезков есть чисто реактивное, активной части нет.

Такими отрезками фидера можно пользоваться при компенсации реактивной составляющей. Это удобно, если применяется параллельное компенсирование. Часто используется отрезки до четверти длины волны. Они могут быть и длиннее, но реальные фидеры имеют потери и, чем длиннее линия, тем больше.

Замкнутый шлейф электрической длины до 1/4 l имеет на конце индуктивное реактивное сопротивление, разомкнутый – ёмкостное. Такими отрезками фидера можно имитировать как индуктивность, так и ёмкость. Но надо не забыть, что индуктивность или ёмкость шлейфа зависят от частоты.

В приведённом примере мы видим, что надо подключить индуктивность 1,352 m H. С помощью MMANA получаем, что такую индуктивность на 14 MHz имеет закороченный на конце шлейф с кабеля RG58/U длиной 2,62м.

На том же примере попробуем то же согласовать с помощью MMANA другим способом, используя только шлейф.

Таким образом, если короткозамкнутый шлейф длиной 67,5см. подключить параллельно фидеру на расстоянии 2,57м. от нагрузки, то так же полностью согласуем фидер с нагрузкой. Или же, можно параллельно подключить разомкнутый шлейф длиной 2,84м. на расстоянии от нагрузки 3,82м.
Возможны и другие варианты согласования. Но следует помнить, что потери в низкоомных (коаксиальных) фидерах при больших величинах КСВ значительны, так что желательно выбирать такой способ согласования, при котором получаются самые короткие отрезки фидера с большим КСВ и применять толстые качественные кабеля.
Как видите, практически можно согласовать все и по-разному.
Только для этого нужен измерительный прибор, ну, и конечно, компьютер. Комплексное сопротивление антенны не измеришь ни тестером, ни измерителем КСВ. Без этих данных согласование превращается в трудоёмкое занятие и часто приводит к неудовлетворительным результатам.

В этой статье я описал несколько методов согласования. Постарался описать суть вопроса как можно проще, но очень просто в таком вопросе не получается.
Эта статья мною написана несколько лет назад на литовском языке и сейчас переведена на русский. В настоящее время имеются другие версии программ APAK-EL и MMANA, примеры же приведены используя старые версии.
APAK-EL имеет утилиту, с помощю которой тоже можно рассчитать компенсирующие реактивности. Однако сам принцип согласования от этого не меняется.
Надеюсь, что статья кое-кому будет полезна.

Vytas (LY3BG), ly3bgtakas.lt

ЛЕКЦИЯ 9.

• 
  ^ Изотропный излучатель
• 
  Симметричный вибратор
• 
  Основные характеристики антенн. Амплитудная характеристика направленности антенн
• 
  Сопротивление излучения
• 
  Волновое сопротивление антенны
• 
  Входное сопротивление
• 
  Сопротивление потерь

^

ИЗОТРОПНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ.

Под изотропным излучателем понимается такое устройство, которое равномерно и одинаково излучает электромагнитную энергию во все стороны.

Однако на практике ненаправленных излучателей не существует. Каждая передающая антенна, даже самая простейшая, излучает энергии неравномерно и всегда имеется направление, в котором излучается максимум энергии.

Простейшим или элементарным излучателем является электромагнитный электрический вибратор, который состоит из очень короткого по сравнению с длиной волны провода, обтекаемый электрическим током, амплитуда и фаза которого одинаковы в любой точке провода. Практической моделью элементарного вибратора является диполь Герца. Структура поля излучения диполя Герца имеет максимум в точке, лежащей на прямой, перпендикулярной диполю. Вдоль диполя поле = 0.
^

СИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР.

Состоит из двух проводников одинаковой длины, между которыми включается питающая линия – фидер, соединяющая антенну с передатчиком.

Наиболее частот применяется симметричный вибратор длиной l в половину  , называемый полуволновым вибратором рис. 37а.

Вследствие отражения тока и напряжения у концов проводов антенн вдоль проводов устанавливается стоячая волна тока и напряжения.

Вдоль полуволнового вибратора устанавливается пол волны тока и напряжения, вдоль вибратора длиной в волну – волна тока и напряжения рис.37б. Однако в любом случае на концах устанавливается узел тока и пучность напряжения
^

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН.

АМПЛИТУДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН.

Направленные свойства антенн принято определять амплитудной характеристикой направленности, т.е. зависимостью напряженности излучаемого антенной поля Е (,) в точке наблюдения при неизменном расстоянии. Графическое изображение амплитудной характеристики направленности называется диаграммой направленности, которая изображается в виде поверхности, описываемой исходящим из начала координат радиус–вектором, длина которого в каждом направлении пропорциональна функции F (, ).

Диаграмму направленности строят как в полярной (рис. 38а), так и в прямоугольной (рис. 38б) системе координат.

Направление максимального излучения антенн называется главным направлением. А соответствующий ему лепесток – главным. Остальные лепестки являются боковыми. Направления, в которых антенна не принимает и не излучает, называются нулями диаграммы направленности.

Главный лепесток характеризуют шириной по половинной мощности  0,5 и шириной по нулям  0 . Ширина  0,5 определяется из ДН на уровне 0,707, он взят исходя из того, что мощность на уровне 0,5 и напряженность поля на уровне 0,707 связаны соотношением

Р 0,5 / Р мах = Е 2 0,707 / Е 2 мах = 0,5 .

Коэффициент направленного действия КНД характеризует способность антенны концентрировать излученное электромагнитное поле в каком-либо направлении. Он представляет собой отношение плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении, к усредненной по всем направлениям плотности потока мощности. Иными словами, при определении КНД антенна сравнивается с воображаемой, абсолютно ненаправленной или изотропной антенной, излучающей ту же мощность, что и рассматриваемая.

Для апертурных антенн

К нд = 4 К исп S а /  2 ,

Где: К исп – коэффициент использования излучающей поверхности КИП;

S а – площадь раскрыва антенны.

У большинства антенн РРЛ и спутниковых систем передачи ширина ДН по половинной мощности в вертикальной плоскости примерно равна ширине диаграммы в горизонтальной плоскости.

Для учета КПД реальной антенны, вводится понятие коэффициента усиления КУ антенны, которая определяется соотношением

G =  а К нд ,

где: а = Р  / Р 0 - КПД антенны;

Р  - излучаемая антенной мощность;

Р 0 – подводимая к антенне мощность.

Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз следует уменьшить мощность, подводимую к антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к изотропному излучателю с КПД равным 1, чтобы напряженность поля в точке приема оставалась неизменной.

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн  а  1 , поэтому

G = К нд.

Коэффициент защитного действия КЗД вводится для характеристики степени ослабления антенной сигналов, принятых с побочных направлений, и рассчитывается по формуле К зд = G мах / G поб, где G мах и G поб – коэффициенты усиления антенны в направлении главного лепестка ДН и в побочном направлении.
^

СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ.

Сопротивление излучения антенны R изл – показатель, имеющий размерность сопротивления и связывающий излучаемую мощность Р изл с током I А, протекающим через какое – либо сечение антенны

R изл = Р изл / I А 2 .

Так как токи и напряжения по длине антенны распределены неравномерно, то для округления величины R изл, в большинстве случаев излучаемую мощность относят к квадрату максимальной амплитуды тока (в пучности) или в квадратуру тока на входных зажимах антенны.

Величина R изл зависит от соотношения между размерами антенны и длиной волны, формы антенны и других факторов.

Так, увеличение длины уединенного симметричного вибратора до l =  , ведет к росту сопротивления излучения. Однако дальше она падает, затем снова возрастает.

В общем случае R изл имеет комплексный характер.

Например, для тонкого полуволнового вибратораR изл = 73,1 Ом, а Х изл = 42,5 Ом.

Увеличение толщины вибратора приводит к уменьшению величины волнового сопротивления.
^

ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ АНТЕННЫ.

Волновое сопротивление антенны Z ОА является одним из важных параметров. Рассматривается волновое сопротивление методами теории длинных линий.

Для одиночного цилиндрического проводника длиной l , к которому может быть отнесена антенна в виде симметричного вибратора, расчетная формула имеет вид

,

где: r п – радиус проводника.

Увеличение толщины проводника приводит к уменьшению волнового сопротивления.
^

ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ.

Входное сопротивление антенны – показатель, представляющий отношение напряжения на зажимах антенны к протекающему через них току. В общем случае это сопротивление имеет комплексный характер

Z Авх = R Авх + iХ Авх

где:R Авх – активная составляющая входного сопротивления;

Х Авх – реактивная составляющая входного сопротивления.
^

СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОТЕРЬ.

Сопротивление потерь определяется как:

R п = R н + R и + R 3 ,

где:R н - сопротивление потерь на нагрев проводов;

R и - сопротивление потерь в изоляторах антенны;

R 3 - сопротивление потерь в земле и в системах заземления.