1-7. Питание антенн

Различают в основном два способа питания антенн — при помощи настроенных линий передачи и при помощи ненастроенных линий передачи.

Оба вида линий передачи при правильно выбранных размерах служат для передачи энергии без потерь на излучение.

Настроенная линия передачи

В разомкнутой двухпроводной линии, имеющей электрическую длину λ/2 или n·λ/2, при возбуждении ее передатчиком возникают стоячие волны (рис. 1-28).

Распределение напряжения и тока в линии указывает на то, что при небольшом расстоянии между проводами линии (по сравнению с длиной волны) электромагнитные поля обоих проводников компенсируют друг друга и настроенная линия передачи или совсем не излучает, или ее излучение невелико.

Посредством настроенной линии передачи можно питать любой резонансный вибратор и одновременно производить трансформацию полного сопротивления (рис. 1-29).

На рис. 1-29, а показан полуволновый вибратор с настроенной λ/2 линией; входное сопротивление в точках ZZ и Z'Z' одинаковое. Если тот же вибратор возбуждать с удвоенной частотой, то полуволновый вибратор становится волновым и линия питания также имеет электрическую длину, равную 1λ. Сопротивление в точках Z'Z' по-прежнему остается равным сопротивлению в точках ZZ (1-29, б).

Вообще говоря, можно возбуждать λ/2 вибратор любой высшей гармоникой (2λ; 2,5λ; 3λ; 3,5λ), и при этом входное полное сопротивление ZZ вибратора будет трансформироваться в соотношении 1 : 1 к точкам Z'Z' входа линии передачи. При питании антенны по линии передачи длиной λ/4 или равной кратному числу четвертой используемой длины волны (3/4λ; 5/4λ; 7/4λ и т. д.) происходит трансформация входного сопротивления, связанная с тем, что соотношение между напряжением и током на конце линии передачи меняется на обратное соотношение в начале линии (см. рис. 1-30).

Основным преимуществом настроенных линий является то, что при таком методе питания вибратор можно возбуждать не только основной волной, но и всеми высшими кратными гармониками ее волны. Например, волновой вибратор диапазона 80 м с настроенной λ/2 линией питания может быть использован на всех любительских диапазонах. Для длины волны 40 м этот вибратор представляет собой 2λ вибратор с 1λ линией передачи; для длины волны 20 м — 4λ, вибратор с 2λ линией передачи и т. д. При этом полное входное сопротивление вибраторов без изменения трансформируется из точек ZZ к входу линии передачи (точки Z'Z'). Вследствие указанных достоинств настроенные линии передачи довольно часто применяются в диапазоне коротких волн.

При выборе расстояния между проводниками необходимо найти компромиссное решение. С одной стороны, расстояние между проводниками фидера необходимо выбирать как можно меньше, чтобы линия передачи не излучала. С другой стороны, слишком близкое расположение проводников приводит к увеличению потерь в коротких изоляционных распорках. На практике целесообразно в диапазонах 80 и 40 м брать расстояние между проводниками, равное 15—20 см,а в диапазонах 20, 15 и 10 м — 10 см. Для всеволновой антенны следует выбирать расстояние между проводниками 10—15 см.

В настроенных линиях передачи возникают стоячие волны. В пучностях тока увеличиваются омические потери, а высокое напряжение делает необходимым применение хороших изоляторов. Поэтому для изготовления настроенных линий передачи применяют толстый провод или канатик и хорошие изоляционные распорки.

При малой мощности передатчика можно применять ленточные кабели, но при этом следует принимать во внимание их коэффициент укорочения (около 0,8). Потери у ленточных кабелей, конечно, выше, чем у линий передачи с воздушной изоляцией.

Для согласования выходных каскадов передатчика с линией передачи в основании линии передачи целесообразно предусмотреть включение подстроечного элемента. Обычно в различных вариантах включаются конденсаторы переменной емкости (рис. 1-31).

Для целей согласования и подстройки настроенных линий передачи наиболее подходят симметричные фильтры, показанные на рис. 1-32. Более подробно цепи связи будут разобраны далее (полное сопротивление в точках Z'Z' произвольное).

Согласованные линии передачи

Если подключить линию передачи к нагрузке, имеющей сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, то и входное сопротивление линии будет равно волновому сопротивлению линии. Волновое сопротивление линии представляет собой омическое сопротивление и не зависит от частоты и длины линии. Если входное сопротивление антенны точно равно волновому сопротивлению линии, которая в свою очередь согласована с выходом передатчика, то энергия высокой частоты без потерь на излучение поступает в антенну по линии питания любой длины. Согласованная линия питания работает в режиме «бегущей» волны, который отличается от режима «стоячей» волны сохранением по всей длине линии постоянных значений тока и напряжения, т. е. отсутствуют узлы и пучности тока и напряжения, имеющие место в режиме стоячей волны. Линия передачи в режиме бегущей волны (ненастроенная линия питания) имеет меньшие потери, чем линия, работающая в режиме стоячей волны (настроенная линия питания). Этот факт объясняется тем, что в режиме стоячей волны в пучностях тока увеличиваются омические потери, в пучностях напряжения — диэлектрические потери, а в линии с бегущей волной эти потери вследствие отсутствия пучностей тока и напряжения значительно ниже. В диапазоне УКВ и дециметровых волн при питании антенн почти исключительно используется режим бегущей волны.

Потери в согласованной линии передачи в основном обусловлены продольным сопротивлением линии и потерями в применяемом изолирующем материале. На высоких частотах продольное сопротивление проводника вследствие поверхностного эффекта значительно больше, чем на постоянном токе. Продольное сопротивление медного проводника, имеющего обычные размеры, может быть рассчитано по следующей приближенной формуле: $$R[ом/км]=\frac{8,4}{d[см]}\sqrt{f}[Мгц],$$

где d — диаметр проводника, см.

Сопротивление у многожильных проводников возрастает на 0,25 от значения сопротивления для гладкого провода, а для оплеток коаксиальных кабелей в

2—3 раза.

Точное согласование входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением линии передачи имеет решающее значение для передачи высокочастотной энергии по линии питания без потерь. При отсутствии согласования в линии возникают отраженные волны, которые взаимодействуют с падающими, создают более или менее сильно выраженные стоячие волны. Появление стоячих воли приводит к увеличению потерь в линии на излучение. Плохо согласованная линия, таким образом, уже не подводит всей высокочастотной энергии передатчика к антенне и уменьшает к. п. д. выходной ступени передатчика.

В качестве меры точности согласования между ненастроенной линией питания и нагрузкой принимается коэффициент стоячей волны (КСВ)1. Под этим коэффициентом понимается отношение наибольшего значения напряжения или тока к наименьшему. Это означает, что в случае бегущей волны КСВ равен 1, т. е. ток или напряжение имеют одинаковое значение по всей длине линии. Величина КСВ, равная 2, является еще приемлемой в радиолюбительской практике. Кривая рис. 1-33 показывает, какого значения к. п. д. генератора можно достичь при различной степени согласованности нагрузки (различных значениях КСВ). Потери в линии зависят и меняются в зависимости от степени отклонения режима питания от режима бегущей волны (рис. 1-34).

Для определения общих потерь в линии необходимо в первую очередь определить потери в линии на поглощение. Откладывая это значение по горизонтальной оси (рис. 1-34) и проводя прямую до пересечения с кривой, соответствующей определенному КСВ, находим на оси ординат значение потерь, возникающих в линии из-за плохого согласования.

Промышленностью изготовляются высокочастотные кабели и линии, имеющие следующие данные: несимметричные коаксиальные кабели с волновым сопротивлением Z от 60 до 75 ом; симметричные экранированные линии, Z = 120 ом; симметричные ленточные линии, Z = 240 ÷ 300 ом.

Самодельные двухпроводные линии обычно имеют волновое сопротивление от 300 до 600 ом.