Налагодження та узгодження антенно-фідерних пристроїв

а також наведені деякі практичні поради. Отже...

Чому не можна серйозно ставитися до налагодження новостворених антенно - фідерних пристроїв з допомогою КСВ-метра? КСВ-метр показує відношення (Uпрям+Uотр) до (Uпрям-Uотр) або іншими словами у скільки разів відрізняється імпеданс антенно-фідерного тракту від хвильового опору приладу (вихід передавача, наприклад). За свідченнями КСВ-метра не можна зрозуміти, що значить КСВ=3 при опорі вихідного каскаду 50 Ом. Хвильовий опір антенно-фідерного тракту в цьому випадку може бути чисто активним (на частоті резонансу ) і може бути рівним 150 Ом або 17 Ом (і те й інше рівноймовірно!). Не на частоті резонансу опір буде утримувати активну і реактивну (ємнісну або індуктивне )в самих різних співвідношеннях і тоді абсолютно незрозуміло, що треба робити - то компенсувати реактивність, то погоджувати хвильовий опір. Для точного узгодження АФУ необхідно знати:

• a) реальну резонансну частоту антени;
• б) опір антени;
• в) хвильовий опір фідера;
• г) вихідний опір приймально-передавача.

Метою узгодження антени є завдання виконання двох умов підключення антени до приймально-передавача:

Якщо ці умови виконуються в місці живлення антени (точка з'єднання антени з фідером), то фідер працює в режимі біжучої хвилі. Якщо виконати умови погодження в місці з'єднання фідера з приймально-передавачем, а опір антени відрізняється від хвильового опору фідера, то фідер працює в режимі стоячої хвилі. Однак робота фідера в режимі стоячої хвилі може спричинити за собою перекручування діаграми спрямованості в спрямованих антенах (за рахунок шкідливого випромінювання фідера) і в деяких випадках може привести до перешкод навколишнього прийомо-передавальної апаратурі. Крім того, якщо антена використовується на прийом, то на оплітку фідера будуть прийматися небажані випромінювання (наприклад перешкоди від вашого настільного комп'ютера). Тому краще використовувати харчування антени по фідеру в режимі біжучої хвилі. До того як поділитися практичним досвідом узгодження антен, кілька слів про основні способи вимірювань.

1. Вимірювання резонансної частоти антени

1.1. Найбільш простий спосіб виміру резонансної частоти антени - з допомогою гетеродинного індикатора резонансу (ГІР). Проте в багатоелементних антенних системах вимірювання Гіром буває виконати складно або зовсім неможливо із-за взаємного впливу елементів антени, кожен з яких може мати свою власну резонансну частоту.

1.2. Спосіб вимірювання за допомогою вимірювальної антени і контрольного приймача. До вимірюваної антени підключається генератор, на відстані 10-20l від вимірюваної антени встановлюється контрольний приймач з антеною, яка на цих частотах не має резонансів (наприклад коротше l/10). Генератор престраивается в обраній ділянці діапазону, з допомогою S-метра контрольного приймача вимірюють напруженість поля і будують залежність напруженості поля від частоти. Максимум відповідає частоті резонансу. Цей спосіб особливо застосуємо для многоэлеметных антен, У цьому випадку вимірювальний приймач необхідно розташовувати в головній пелюстці діаграми спрямованості вимірювальної антени. Варіант цього способу вимірювання - застосування в якості генератора, передачика потужністю в декілька Ватів і простого вимірювача напруженості поля(наприклад [1], Рис 14-20.). Однак треба врахувати, що при измеренях ви будете створювати перешкоди оточуючим. Практичний рада при вимірах у діапазоні 144-430 МГц - при вимірах, не тримайте в руках вимірювач напруженості поля, щоб послабити вплив тіла на свідчення приладу. Закріпіть прилад над підлогою на висоті 1-2 метри на діелектричної підставці (наприклад дерево, стілець) і знімайте свідчення, перебуваючи на відстані 2-4 метри , не потрапляючи в зону між приладом і вимірюваної антеною.

1.3. Вимірювання за допомогою генератора і антенноскопа (наприклад [1], Рис 14-16). Цей спосіб застосовується в основному на HF і не дає точних результатів, але дозволяє одночасно оцінювати і опір антени. Суть вимірювань полягає в наступному. Як відомо, антенноскоп дозволяє вимірювати повний опір (активне+реактивне). Т. к. антени зазвичай живиться в пучности струму (мінімум вхідного опору) і на частоті резонансу відсутня реактивність, то на резонансній частоті антенноскоп буде показувати мінімальний опір, а на всіх інших частотах найчастіше воно буде більше. Звідси і послідовність вимірювань - перебудовуючи генератор, вимірюють вхідний опір антени. Мінімум опору відповідає резонансній частоті.Одне АЛЕ - антенноскоп необхідно підключати обов'язково прямо в точці живлення антени, а не за кабель! І практичне спостереження - якщо поруч з вами знаходиться могутнє джерело радіовипромінювання (теле-чи радіо), з-за наведень антенноскоп ніколи не буде балансуватися "в нуль" і проводити вимірювання стає практично неможливо.

1.4. Дуже зручно визначати резонансну частоту вібраторів з допомогою вимірювача АЧХ. Підключивши вихід вимірювача АЧХ і детекторну голівку до антени, визначають частоти , на яких видно провали в АЧХ. На цих частотах антена резонує і відбувається відбір енергії з виходу приладу, що добре видно на екрані приладу. Для вимірювань підходять практично будь-які вимірники АЧХ (Х1-47, Х1-50, Х1-42, СК4-59). Варіант вимірювань - з допомогою аналізатора спектра (СК4-60) у режимі з тривалим послесвечением і зовнішнього генератора. В якості зовнішнього генератора можна використовувати генератор гармонік: HF - з кроком 10 кГц, на 144 МГц з кроком 100 кГц на 430 МГц з кроком 1 МГц. На частотах до 160 МГц найбільш ровномерный спектр з високою інтенсивністю гармонік дає схема генератора гармонік на інтегральній схемі 155ИЕ1 . В діапазоні 430 МГц достатній рівень гармонік можна отримати в схемі з накопичувальним діодом 2А609Б (схема калібратора 50 МГц з СК4-60).

2. Вимір опору в антенно-фідерних пристроях

2.1. Найпростіший (ще доступний за ціною) серійно випускається прилад для вимірювання активного опору і фази сигналу (а значить і реактивної складової)- це вимірювальний міст. Існує кілька модифікацій цих приладів для використання з 50 і 75-омних трактом і на різні діапазони частот до 1000 МГц - це вимірювальні мости Р2-33...Р2-35.

2.2 У радіоаматорський практиці частіше використовують більш простий варіант вимірювального моста, призначеного для вимірювань повного опору (антенноскоп). Конструкція його, на відміну від мостів Р2-33... дуже проста і легко повторюється в домашніх умовах ([1], стор 308-309).

2.3 Корисно пам'ятати деякі зауваження, стосуються опорів в АФС.

2.3.1. Довга лінія з хвильовим опором Zтр і з електричної довжиною l/4, 3 х l/4 і т. д. трансформує опір , який можна розрахувати з формули

Zтр=Sqr(ZвхZвых)

або за Рис. 2.39 [2]. У приватному у разі, якщо один кінець l/4 відрізка розімкнути, то нескінченне опір на цьому кінці відрізка трансформується в нуль на протилежному кінці (коротке замикання) і такі влаштуй - ства використовують для трансформації великих опорів в малі. Увага! Ці види трансформаторів ефективно працюють тільки у вузькому частотному діапазоні, обмеженому частками відсотків від робочої частоти. Довга лінія з електричною довжиною кратною l/2 незалежно від хвильового опору лінії трансформує вхідний опір у вихідний з відношенням 1:1 і їх використовують для передачі споротивлений на необхідну відстань без трансформації опорів, або для перевертання фази на 180°. На відміну від l/4 ліній, лінії l/2 володіють більшою широкополосностью.

2.3.2. Якщо антена коротше , ніж вам необхідно, то на вашій частоті опір антени має реактивну складову ємнісного характеру. У разі, коли антена довша, на вашій частоті антена має рективность індуктивного характеру. Зрозуміло на вашій частоті небажану реактивність можна компенсувати введенням додаткової реактивності протилежного знака. Наприклад, якщо антена довше, ніж це необхідно, індуктивну складову можна компенсувати включенням послідовно з харчуванням антени ємності. Значення необхідного конденсатора можна розрахувати для потрібної частоти, знаючи значення індуктивної складової (див. Рис 2.38 [2]), або підібрати експериментально, як це описане в пункті 5.

2.3.3. Введення додаткових пасивних елементів зазвичай знижує вхідний опір антени (наприклад для квадрата: зі 110-120 Ом до 45-75 Ом).

2.3.4. Нижче наведені теоретичні значення найбільш часто зустрічаються вібраторів (вібратори знаходяться в вільному від навколишніх предметів просторі), антен і фідерів:

• напівхвильовий вібратор з запиткой у пучности струму (в середині) - 70 Ом, при розладі на +-2% реактивне опір iX змінюється практично лінійно від -25 до +25 з нулем на частоті резонансу;
• напівхвильовий вібратор з запиткой за допомогою Т-подібної схеми узгодження -120 Ом; - петлевий вібратор з однаковими діаметрами всіх провідників - 240..280 Ом, при розладі +-1% реактивного опору немає, але при расстройках більше 2% реактивний опір iX різко зростає до + 50 і більше (див. Рис 2.93 [2]);
• петлевий вібратор з різними діаметрами провідників (див таб. 1.15 [1] або Рис. 2.90 в [1]) - до 840 Ом; - подвійний петлевий вібратор з однаковими діаметрами всіх провід - ників - 540...630 Ом;
• подвійний петлевий вібратор з різними діаметрами провідників (див. таб. 1.16 [1] або Рис 2.91 [2]) - до 1500 Ом;
• четвертьволновый вертикальний вібратор з противагами під кутом 135° по відношенню до вібратора - 50 Ом;
• четвертьволновый вертикальний вібратор з противагами під кутом 90° по відношенню до вібратора - 30 Ом;
• вібратор у вигляді квадрата довжиною l - 110..120 Ом; - вібратор у вигляді квадрата довжиною 2l (два кола) - 280 Ом;
• вібратор у вигляді теругольника (дельта) - 120...130 Ом;
• Inverded-V з кутом розкриття 90° - 45 Ом;
• Перевернута-V з кутом розкриву 130° - 65 Ом;
• хвильовий канал, оптимизированый на максимальне підсилення - 5...20 Ом;
• хвильовий канал, оптимизированый на найкраще узгодження - 50 Ом;
• двопровідна лінія (Рис 2.26 [2]) - 200..320;
• дві паралельні коаксіальні лінії Z=75 Ом - 37.5 Ом;
• то ж, четвертьволновый трансформатор Zвх=50 Ом - Zвих=28 Ом;
• то ж, четвертьволновый трансформатор Zвх=75 Ом - Zвих=19 Ом;
• дві паралельні коаксіальні лінії Z=50 Ом - 25 Ом;
• то ж, четвертьволновый трансформатор Zвх=50 Ом - Zвих=12.5 Ом;
• то ж, четвертьволновый трансформатор Zвх=75 Ом - Zвих=8.4 Ом
• трансформатор з трьох паралельних ліній Z=50 Ом Zвх=50 - Zвих=5.6 Ом;
• то ж Z=50 Ом Zвх=75 - Zвих=3.7 Ом;

3. Вимір ступеня узгодження

Ці вимірювання бажано робити вже після узгодження, описаного в п. 5 для оцінки якості узгодження.

3.1. Прилади для визначення ступеню узгодження відкритих двопровідних ліній з антеною:

3.1.1. Звичайна неонова лампочка або ГІР. При переміщенні лампочки уздовж лінії передачі, яскравість світіння лампочки не повинна змінюватися (режим біжучої хвилі). Варіант вимірювань - прилад, що складається з петлі зв'язку, детектора і стрілочного індикатора (див. Рис. 14.8 [1]).

3.1.2. Двухламповый індикатор (див. рис. 14.7 [1]). Налаштуванням домагаються, щоб лампочка, приєднана до плеча, близькій до антени, не світилася, а в противополжном плечі світіння було максимально. При малих рівнях потужностей можна використовувати детектор і стрілочний індикатор замість лампочки.

3.2. Прилади для визначення ступеню погодження в коаксіальних трактах:

3.2.1. Вимірювальна лінія - прилад, який застосовується для виміру ступеня узгодження в коаксіальних і хвилеводних лініях починаючи з УКВ і закінчуючи сантиметровим діапазоном хвиль. Конструкція його нескладна - жорсткий коаксіальний кабель (хвилевід) з поздовжньою щілиною у зовнішньому провіднику, уздовж якого переміщається вимірювальна головка з вимірювальним зондом, опущеним у щілину. Переміщаючи вимірювальну головку уздовж тракту, визначають максимуми і мінімуми показань, за співвідношенням яких судять про ступінь узгодження (режим біжучої хвилі - свідчення не змінюються по всій довжині вимірювальної лінії).

3.2.2. Вимірювальний міст (рис.14.18 [1]). Дозволяє вимірювати КСВ в лініях передачі до 100 Ом на HF і VHF при потужності, що підводиться близько сотень мілліватт. Дуже проста у виготовленні конструкція, не містить моткових улов, конструктивних вузлів, критичних до точності виготовлення.

3.2.3. КСВ-метри на основі рефлектометров. Описано безліч конструкцій цих приладів (наприклад, Рис. 14-14 [1]. Дозволяють стежити за станом АФС в процесі роботи в ефірі. 3.2.4. КСВ-метри на основі вимірників АЧХ. Дуже зручні для вивчення якості погодження на будь-яких частотах, аж до 40 ГГц. Принцип вимірювань - вимірювальний комплект приладів складається з вимірювача АЧХ і спрямованого відгалужувача, з'єднаних в наступну схему:

1

X1-47

>--------------------->3

2

<--------------------<1

3

Напр

отв

2><-------------------\|/ Ант. 4

де 1 - вимірювач АЧХ (Х1-47); 2 - низкоомная детекторная головка з комплекту Х1-47; 3 - направлений відгалужувач, наприклад, для діапазону 144 МГц підійде АЛЕ 991-03 з комплекту приладу СК4-60; 4 - вимірювана антена. Високочастотний сигнал з виходу Х1-47 потрапляє на вивід 3 спрямованого відгалужувача і далі потрапляє тільки на висновок 2 направленого відгалужувача. Далі сигнал передається на вимірювану антену. На частотах, де антена має високий КСВ, енергія відбивається і повертається на висновок 2 спрямованого відгалужувача. В цьому напрямку сигналу енергія віддається з виведення 2 тільки на вивід 1, детектується детекторної головкою і рівень відбитого сигналу відображається на екрані Х1-47 залежно від частоти.

Перед початком вимірювань необхідно відкалібрувати схему. Для цього замість вимірюваної антени підключають безиндуктивный еквівалент антени опором 50 Ом і переконуються у відсутності відбитого сигналу(КСХ=1). Далі, отстыковывав еквівалент, відзначають рівень сигналу для КСВ= нескінченності.Всі проміжні значення КСВ будуть відображатися на екрані приладу положенням між 0 і максимальним значенням. Підключаючи еквіваленти антени опором 75 Ом , 100 Ом , 150 Ом відзначають на екрані приладу значення КСВ відповідно 1.5 , 2, 3.

В якості вимірювача АЧХ можна використовувати аналізатор спектру СК4-60 і зовнішній генератор, залежно від діапазону хвиль, в якому виробляються вимірювання (Г4-151 до 500 МГц, Г4-76 до 1.3 гГц, Г4-82 5.6 гГц, Г4-84 10 гГц). На частотах до 500 МГц в якості зовнішнього генератора можна використовувати генератори гармонік наведені у п. 1.4.

Два зауваження:

• спрямовані відгалужувачі вносять перехідне ослаблення близько 15 дБ для джерела сигналу, тому для вимірювань необхідні джерела сигналу досить високого рівня;
• спрямовані властивості відгалужувачів (розв'язка і спрямованість) зазвичай не перевищують 20...30дБ, тому вимірювання необхідно виконувати не в логарифмічному, а лінійному масштабі відображення.

4. Деякі корисні способи вимірювань

4.1. Вимірювання за допомогою антенноскопа (наведено в [1] стор 308-312).

4.1.1. Визначення точної електричної довжини l/4 лінії:

для цього лінію одним кінцем підключають до антенноскопу, а другий залишають розімкненим. Далі, змінюючи частоту генератора, визначають найнижчу частоту, на якій досягається баланс моста при нульовому опорі. Для цієї частоти електрична довжина лінії дорівнює точно l/4.

4.1.2. Вимірювання хвильового опору лінії Zтр:

виконавши вимірювання за п. 4.1.1., підключають резистор 100 Ом до вільного кінця лінії і вимірюють антенноскопом опір Zизм на іншому кінці лінії. Розраховують хвильовий опір лінії, користуючись формулою

Zтр=Sqr(100хZизм)

4.1.3. Перевірка точності розмірів l/2 трансформує лінії:

• вимірювану лінію підключають до антенноскопу, до другого кінця лінії підключають резистор 300 Ом
• Встановлюють генератором частоту, на якій лінія l/2 повинна трансформувати 1:1.
• вимірюють антенноскопом опір- воно повинне бути дорівнює 300 Ом, якщо лінія точно дорівнює l/2 для цієї частоти.

4.1.4. Определнение коефіцієнта укорочення лінії передачі:

для вимірювань використовують відрізок лінії довжиною кілька метрів(довжина X).

• Замикають один кінець лінії і змінюючи частоту генератора, знаходять мінімальне значення частоти F, на якій антенноскоп балансується - це буде означати, що лінія трансформує опір 1:1 і для цієї частоти її електрична довжина відповідає l/2 з урахуванням коефіцієнта укорочення.
• Підвищуючи далі частоту можна буде знайти наступний баланс мосту, відповідний 2 l/2 і т. д. Довжина l/2 для частоти L=300/(2F), а коефіцієнт укорочення K=X/L.

Наприклад, якщо довжина лінії X=3.3 метра, а баланс стався на частоті F=30 МГц, то L=5метров, а K=0.66. Звичайні значення коефіцієнтів укорочення для коаксіальних ліній - 0.66, для стрічкових кабелів - 0.82, для відкритих двупроводных ліній - 0.95 .

4.2. Вимірювання за допомогою АЧХ-метра виконуються за схемою, наведеною в п3.2.4. 4.2.1. Локалізація неоднорідностей у фідері. При необхідності визначити відстань до неоднорідності в фідері (коротке замикання або обрив) не демонтуючи фідер, це можна зробити наступним чином. При обриві або КЗ в фідері, максимальний КСВ спостерігатиметься на частотах ,де лінія працює як трансформатор l/2,а також на кратних частотах незалежно від діапазону, обраного для вимірювань. Фідер отстыковывают від трансивера і підключають до висновку 2 спрямованого відгалужувача. Встановлюють таку смугу гойдання, щоб зручно було проводити вимірювання періоду КСВ. Виміряний період в мегагерцах відповідає частоті, на якій лінія працює як l/2 відрізок з урахуванням укорочення. Припустимо частотний інтервал між максимумами КСВ дорівнює 3 МГц , отже, частота на якій лінія зараз працює як трансформатор l/2, дорівнює 6 МГц і це відповідає довжині хвилі 50 метрів (тобто до неоднорідності 50 метрів без урахування коефіцієнта укорочення лінії). Знаючи коефіцієнт укорочення лінії можна точно сказати дійсне відстань до неоднорідності. Наприклад, якщо лінія виконана коаксіальним кабелем з коеф. укорочення 0.66, то в нашому випадку відстань від передавача до обриву (КЗ) у коаксіальному кабелі одно 33 метри.

4.2.2. Вимірювання коефіцієнта укорочення кабелю.

Вимірювання проводять так само , як в пункті 4.2.1. , але до висновку 2 спрямованого відгалужувача підключають вимірюваний кабель довжиною кілька метрів. Припустимо ми вимірюємо коефіцієнт укорочення кабелю довжиною 33 метри. Виміряна електрична довжина кабелю дорівнює 50 метрів, значить коефіцієнт укорочення дорівнює 33/50=0.66 .

4.2.3. Перевірка кабелю 50 Ом відсутність неоднорідностей.

До висновку 2 АЛЕ підключають перевіряється кабель, на іншому кінці якого підключена узгоджена навантаження 50 Ом. На екрані приладу повинна спостерігатися рівна лінія, якщо в кабелі немає неоднородностей.

5. Порядок налаштування антени

В якості прикладу, кілька слів про порядок налаштування антени дельта для діапазону 80 метрів, користуючись способами вимірювань, наведеними вище. Необхідно погодити вихідний каскад передавача (50 Ом) з антеною кабель 50 Ом. Якщо немає можливості виміряти опір антени і знайти резонансну частоту антени, підключившись прямо в точці заживлення , підключаємо транформирующую лінію l/2 між приладами і антеною. Таким чином, користуючись трансформирующими властивостями лінії (1:1) можна проводити вимірювання не безпосередньо в антени, а на іншому кінці лінії.

Одним з описаних способів, вимірюємо опір антени і резонансну частоту. Якщо резонансна частота антени трохи зміщена, зміною геометричних розмірів антени, добиваються резонансу на потрібній частоті. Зазвичай опір антени дельта дорівнює 120 Ом для узгодження антени з кабелем необхідно застосувати трансформатор 1:2.4 . Цей трансформатор можна зробити, використовуючи трьохпровідний ШПТЛ з відношенням Rвих/Rвх=4/9 (Бунін, Яйленко "Довідник радіоаматора-коротковолновіка" Київ, Техніка). Після виготовлення трансформатора, підключають до високоомного входу трансформатора резистор опором 120-130 Ом і, підключивши до іншого входу трансформатора антенноскоп, вимірюють його вхідний опір і коефіцієнт трансформації. Підключивши трансформатор між PA і лінією живлення, перевіряють струм в антені, використовуючи ВЧ-амперметр (Рис. 14-2 [1]). Краще виміряти струм після PA з допомогою каліброваного ВЧ-амперметра і розрахувати поглинається потужність. Якщо після розрахунку виявиться, що P=RII менше, ніж на еквіваленті антени, значить згода пристрій вносить реактивність і її необхідно компенсувати. Для цього послідовно з ВЧ-амперметром включають змінний конденсатор (10-500 пФ) і змінюючи його значення, досягають максимуму в показаннях ВЧ-амперметра. У разі, якщо з допомогою конденсатора не вдається збільшити струм в антені, треба замінити конденсатор на варіометр і підібрати компенсує індуктивність. Після підбору компенсуючої реактивності, вимірюють її значення і замінюють на елемент з постійним значенням.

Після налаштування узгоджувального пристрою, його вміщують в герметичний корпус і переносять у точку живлення антени від кабелю. У висновку ще раз перевіряють узгодження з допомогою одного із способів вимірювання КСВ.

Поради по підключення комп'ютерів

Багато скаржаться, що їх настільний комп'ютер сильно заважає прийому. Причиною цього у більшості випадків є погане узгодження антени. У цьому випадку оплетка кабелю живлення антени приймає випромінювання комп'ютера і вони у вигляді перешкоди потрапляють на вхід приймача. Перевірити це припущення просто - отстыкуйте кабель від входу приймача, якщо перешкоди зникнуть, значить основний шлях попадання перешкод від комп'ютера на вхід приймача - за обплетенні кабелю. Після ретельного узгодження антени за допомогою наведених нижче способів, можна в значній мірі позбутися від перешкод по прийому і від нестійкої роботи цифрових вузлів при передачі. Друга необхідна умова для зручності роботи з комп'ютером - ретельне заземлення всіх приладів. Заземлення на трубу опалення - не годиться! Третій шлях - укласти всі кабелі, що йдуть від комп'ютера, екран і дуже бажано пропустити кожен з них крізь феритове кільце 2000 НМ (по парі витків). Також можна пропустити крізь кільце і антенний кабель (для додаткового симетрування кабелю і усунення поширення ВЧ-сигналів по обплетенні кабелю). Іноді джерелом перешкоди є монітор і кабелі, що йдуть до нього. Спробуйте увімкнути-вимкнути монітор з мережі при працюючому і загруженом комп'ютері. Якщо рівень перешкоди змінюється, то рекомендується окремо заземлити шасі монітора, а точку заземлення шасі необхідно підібрати експериментально по мінімуму перешкод.

Автор: Дощич Олександр, UY0LL, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. У вас повинен бути включений JavaScript для перегляду. ; Публікація: www.cxem.net