Обычно входное сопротивление антенны не соответствует волновому сопротивлению линий передачи, поэтому становится необходимым включение согласующих и трансформирующих элементов между вибратором и линией передачи. Ниже проводится рассмотрение различных возможностей согласования.
Т-образная схема согласования
Т-образная схема согласования наиболее просто выполнима в диапазоне УКВ и применяется при условии, что входное сопротивление антенны меньше, чем волновое сопротивление линии.
На рис. 1-35 изображена конструкция и даны размеры Т-образной схемы согласования. Сопротивление по длине полуволнового вибратора распределено таким образом, что на концах вибратора оно максимально (вспомним, что в центре полуволнового вибратора напряжение имеет минимум, а на концах вибратора имеют место пучности напряжения, отсюда становится ясным принцип действия Т-образной схемы согласования).
Располагая подвижные хомутики симметрично относительно центра вибратора таким образом, чтобы входное сопротивление оказалось равным волновому сопротивлению линии, получаем согласование антенны с линией. Теоретически наиболее высокое входное сопротивление Т-образной схемы достигается при расположении хомутиков на концах диполя, но, как видно, при этом вибратор становится петлевым, имеющим, как известно, входное сопротивление 240—280 ом (рис. 1-36). Практически наибольшее входное сопротивление, получаемое при помощи Т-образной схемы, достигается при расположении хомутиков приблизительно на расстоянии λ/4 друг от друга. При увеличении расстояния между хомутиками сопротивление постепенно уменьшается до 240—280 ом.
Можно увеличить сопротивление, получаемое при применении Т-образной схемы согласования, уменьшая диаметр провода d2 по сравнению с диаметром провода d1 и уменьшая расстояние между проводниками.
С помощью Т-образной схемы согласования проводится согласование любых симметричных линий передачи с волновым сопротивлением большим, чем входное сопротивление антенны.
В случае, если требуется согласовать полуволновый вибратор (входное сопротивление около 70 ом) с двухпроводным фидером с волновым сопротивлением 600 ом,то размеры Т-образной схемы (рис. 1-35) могут быть рассчитаны по приближенным формулам:
$$X[см]=\frac{5500}{f[Мгц]};$$
$$D[см]=\frac{290}{f[Мгц]}.$$
Для подключения несимметричного коаксиального кабеля к Т-образной согласующей схеме его следует симметрировать. Один из возможных способов симметрирования изображен на рис. 1-37.
Для такого способа симметрирования необходимо спаять оплетки кабелей и подсоединить их к центру вибратора, а центральные жилы соединить с проводником Т-образной схемы согласования. Следует учитывать, что волновые сопротивления кабелей необходимо сложить; например, если кабель имеет сопротивление 60 ом, то волновое сопротивление соединения (рис. 1-37) будет 120 ом. Однако согласование несимметричного коаксиального кабеля более просто осуществляется с помощью γ-образной схемы согласования.
Гаммаобразная схема согласования
При согласовании с помощью γ-образной схемы несимметричный кабель подключается к вибратору по несимметричной схеме (рис. 1-38). Как и Т-образная схема согласования, γ-образная схема применяется только тогда, когда сопротивление излучения вибратора меньше, чем волновое сопротивление кабеля питания.
Широко применяемой схемой согласования является видоизменение Т-образной схемы согласования — известная как Δ-образная схема согласования.
Дельтаобразная схема согласования
Дельтаобразная схема согласования по принципу работы ничем не отличается от Т-образной схемы согласования. Конструктивно Δ-образная схема согласования выполняется из канатика и поэтому особенно часто применяется в диапазоне коротких волн (рис. 1-39) 3.
Соотношение X : D должно приблизительно равняться 1 : 1,25. При согласовании полуволнового вибратора с линией, имеющей волновое сопротивление 600 ом, и соблюдении вышеуказанного соотношения можно применять приближенные формулы:
$$X[см]=\frac{3 \cdot 600}{f[Мгц]}$$ - для антенн коротких волн;
$$X[см]=\frac{3 \cdot 450}{f[Мгц]}$$ - для антенн УКВ;
$$D[см]=\frac{4 \cdot 510}{f[Мгц]}.$$
Если волновое сопротивление линии передачи меньше, чем 600 ом, то следует уменьшить расстояние между точками подсоединения схемы согласования. Коаксиальный кабель подсоединяется несимметрично (рис. 1-40).
Приведенные схемы согласования не позволяют совершенно точно согласовать антенну с линией, т. е. получить КСВ = 1. Это объясняется тем, что проводники, соединяющие линию питания с вибратором, имеют большее или меньшее индуктивное сопротивление. Однако на практике при тщательном выполнении согласования возможно получение КСВ = 1,5.
Экспериментальный подбор точки подключения схемы согласования довольно трудно осуществить в диапазоне КВ, где проволочные антенны обычно подвешиваются довольно высоко. Поэтому, когда приблизительно известно входное сопротивление симметричного вибратора, для согласования выгоднее применять четвертьволновый трансформатор.
Четвертьволновый трансформатор. Между волновым сопротивлением Z согласующего четвертьволнового отрезка двухпроводной линии, ко входу которого подключено сопротивление Zвх, а к выходу — сопротивление Zвых, можно установить следующее соотношение:
$$Z=\sqrt{Z_{вх}Z_{вых}}.$$
Зная входное сопротивление применяемой линии передачи и входное сопротивление вибратора, можно рассчитать необходимое для согласования волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора.
На рис. 1-41 изображено конструктивное исполнение четвертьволнового трансформатора.
Такая схема согласования может применяться для всех симметричных антенн при условии, что требуемое значение Z можно конструктивно реализовать.
Для четвертьволновых трансформаторов можно применять и высокочастотные линии, однако при этом возрастают потери. Параллельное соединение линий позволяет получать различные волновые сопротивления. Например, для получения волнового сопротивления 140 ом можно параллельно соединить два λ/4 отрезка ленточной линии с волновым сопротивлением 280 ом. Параллельное соединение линии с волновым сопротивлением 240 ом и линии с волновым сопротивлением 300 ом позволяет получить волновое сопротивление $$\frac{240 \cdot 300}{240+300}\approx 133 ом.$$
Следует помнить, что параллельно соединенные линии должны как можно меньше влиять друг на друга (должны быть разнесены по возможности дальше друг от друга в пространстве), и, кроме того, следует учитывать коэффициент укорочения ленточных линий, который обычно равен 0,82.
При помощи четвертьволнового трансформатора возможна также компенсация реактивного сопротивления при помощи укорочения или удлинения четвертьволновой линии.
Недостатком четвертьволнового трансформатора является то, что трудно осуществить дополнительную корректировку согласования. Для этой цели необходимо иметь возможность в небольших пределах менять волновое сопротивление трансформирующего отрезка линии.
В диапазоне УКВ для изменения волнового сопротивления применяется конструкция, изображенная на рис. 1-42. Левая трубка может передвигаться в двух поперечных щелях, сделанных в основании 50 X 20 см из картона или фанеры. Правая трубка жестко крепится на основании и может закрепляться в трех положениях, для чего предусмотрены три отверстия в правой части основания. Такое крепление трубок трансформирующей линии позволяет изменять расстояние между ними как непрерывно, так и скачками. Трубки крепятся к основанию на изолирующих стойках, которые приспособлены для крепления к ним трубок различных диаметров (рис. 1-42, в). Такая конструкция позволяет менять волновое сопротивление в пределах от 150 до 500 ом.
Четвертьволновый согласующий шлейф
Удобным способом получения оптимального согласования является применение λ/4 согласующего шлейфа. Изображенное на рис. 1-43 распределение напряжения по вибратору и соединенному с ним четвертьволновому отрезку линии в случае резонанса соответствует распределению сопротивления по различным сечениям линии.
В точках ZZ сопротивление приблизительно 60—70 ом, что соответствует минимуму напряжения. При передвижении от точек ZZ к точкам Z' Z' напряжение постепенно повышается, и соответственно растет сопротивление, которое в точках Z'Z' достигает нескольких тысяч ом. Для обеспечения режима бегущей волны необходимо найти на λ/4 шлейфе точку, где полное сопротивление равно волновому сопротивлению линии передачи. Разомкнутый согласующий шлейф (рис. 1-44) применяется в тех случаях, когда волновое сопротивление линии меньше, чем входное сопротивление вибратора. Если согласующий шлейф подсоединяется к вибратору с высоким входным сопротивлением, например к волновому вибратору, то на его открытом конце имеет место минимум напряжения (небольшое сопротивление). В этом случае можно замкнуть точки Z'Z' накоротко.
Таким образом, при помощи четвертьволнового шлейфа можно согласовывать линии с любыми волновыми сопротивлениями с антеннами, имеющими различные входные сопротивления. Нет необходимости точно знать сопротивления линии и антенны. Необходимо только знать, больше или меньше волновое сопротивление Z линии передачи входного сопротивления антенны ZA.
Если ZA > Z, то следует применять короткозамкнутый шлейф, а в противоположном случае, когда ZA < Z, — разомкнутый λ/4 шлейф (рис. 1-45).
Перемещая точку подключения X линии питания, добиваются исчезновения стоячих волн в линии. Однако во многих случаях КСВ, равный единице, трудно достижим; тогда применяют удлинение или укорочение шлейфа. Требуемое изменение длины λ/4 шлейфа зависит от соотношения между входным сопротивлением вибратора и волновым сопротивлением линии Z. Отношение ZA/Z (Z/ZA) в то же время определяет КСВ. Например, если антенна с входным сопротивлением 600 ом питается ненастроенным фидером с сопротивлением 150 ом,то отношение ZA/Z и соответственно КСВ = 4.
В таблицах 1-3, 1-4 указаны необходимые размеры шлейфа для получения точного согласования. Например, шлейф длиной λ/4 позволяет получить точное согласование при отношении Z/ZA (ZA/Z), равном или большем 10. Когда же это отношение меньше 10, то следует изменять длину шлейфа: разомкнутого — в сторону укорочения, а замкнутого — в сторону удлинения.
| Коэффициент стоячей волны Z/ZA | Длина согласуюшего шлейфа, λ |
|---|---|
| 1,5:1 | 0,165 |
| 2,0:1 | 0,190 |
| 2,5:1 | 0,210 |
| 3,0:1 | 0,225 |
| 4,0:1 | 0,230 |
| 5,0:1 | 0,235 |
| 6,0:1 | 0,240 |
| 8,0:1 | 0,245 |
| 10,0 : 1 | 0,250 |
| 15,0:1 | 0,250 |
| 20,0:1 | 0,250 |
На графиках рис. 1-46 и 1-47 приведены необходимые данные для расчета параметров согласующего шлейфа при равенстве волнового сопротивления питающей линии и входного сопротивления согласующего шлейфа.
| Коэффициент стоячей волны Z/ZA | Длина согласуюшего шлейфа, λ |
|---|---|
| 1,5 : 1 | 0,325 |
| 2,0 : 1 | 0,310 |
| 2,5 : 1 | 0,290 |
| 3,0 : 1 | 0,280 |
| 4,0 : 1 | 0,270 |
| 5,0 : 1 | 0,265 |
| 6,0 : 1 | 0,260 |
| 8,0 : 1 | 0,255 |
| 10,0 : 1 | 0,250 |
| 15,0 : 1 | 0,250 |
| 20,0 : 1 | 0,250 |
Если необходимо согласовать антенну с неизвестным входным сопротивлением с линией передачи, волновое сопротивление которой также точно не известно, то следует подключить линию передачи к антенне без согласующего шлейфа и измерить КСВ. Измеренное значение КСВ даст нам отношение ZA/Z или Z/ZA. Если известно, что Za больше или меньше волнового сопротивления линии передачи, то длина А шлейфа и положение места X подключения линии передачи могут быть определены непосредственно из кривых рис. 1-46 и 1-47-
Как уже сказано выше, необходимым условием применимости графиков является равенство волнового сопротивления линии передачи Z и волнового сопротивления согласующего шлейфа Zш.
Для того чтобы определить, больше или меньше входное сопротивление антенны ZA волнового сопротивления линии Z, необходимо замерить высокочастотный ток непосредственно в точке подключения антенны и на расстоянии 1/4λ от нее (см. рис. 1-48). Если измеренное значение тока в точке 1 больше, чем в точке 2, то входное сопротивление антенны ZA меньше, чем волновое сопротивление линии питания Z, и наоборот.
При помощи четвертьволнового шлейфа можно согласовывать не только симметричные антенны, но и несимметричные. Например, на рис. 1-49 показано согласование вибратора, питаемого на конце. Так как на концах вибратора всегда имеет место пучность напряжения, то входное сопротивление вибратора ZA в нем больше волнового сопротивления линии питания и, следовательно, для согласования в этом случае всегда применяется замкнутый четвертьволновый шлейф.
Согласование антенны с линией можно производить и с помощью согласующего штыря, который отличается от четвертьволнового шлейфа только конструктивным исполнением (рис. 1-50).
Согласование с помощью штыря дает некоторые конструктивные преимущества. Например, если требуется согласовать антенну с входным сопротивлением ZA = 70 ом с линией из ленточного кабеля, имеющего волновое сопротивление 280 ом, то надо просто на расстоянии X от точки подключения линии к антенне припаять штырь длиной А — X, изготовленный из того же ленточного кабеля (рис. 1-51).
В разбираемом примере Z > ZA, поэтому следует использовать разомкнутый шунт. Отношение Z/ZА равно 4. Для указанного КСВ из рис. 1-46 находим, что длина А в этом случае приблизительно равна 0,23λ, а X — 0,075λ. Длина шунта при этом равна A—X = 0,230λ - 0,075λ = 0,155λ. Если антенна рассчитывается для диапазона 2 м (средняя длина волны 206 см), то размеры согласующего устройства будут: $$X = 206 \cdot 0,075 = 15,45 см$$ и $$(А - X) = 206 \cdot 0,155= 31,93 см.$$
Во всех рассмотренных примерах согласования с помощью четвертьволнового шлейфа предполагалось, что согласующий отрезок линии является отрезком настроенной линии питания, имеющем в данном случае длину А. При расчетах всегда следует учитывать коэффициент укорочения, который составляет: для двухпроводной линии с воздушной изоляцией — 0,975; линии из двух параллельных трубок с воздушной изоляцией — 0,950; ленточных кабелей УКВ с сопротивлением 240 — 300 ом — 0,800 ÷ 840.
Следует помнить, что при отношении ZA/Z (Z/ZA), превышающем 5, потери в проводах и диэлектрике за счет стоячих волн значительно возрастают. В этом случае для согласующих устройств следует применять линии с достаточно большим диаметром проводников и хорошей изоляцией.