^Вверх

foto1 foto2 foto3 foto4 foto5


3G 4G LTE

CDMA

Wi-Fi

Антенны своими руками

3G-Aerial

Поиск на сайте

Сейчас на сайте

На сайте 19 гостей и ни одного пользователя

Вход

Войти Регистрация

Войти в аккаунт

Логин *
Пароль *
Запомнить меня

Создать аккаунт

Обязательные поля помечены звездочкой (*).
Максимальная длина имени и логина 16 символов
Имя *
Логин *
Пароль *
Подтверждение пароля *
Email *
Подтверждение email *
Защита от ботов *
3.6666666666667 1 1 1 1 1 Рейтинг 73% [3 Голоса (ов)]

 

Оливер ХевисайдПонять как нужно соединить фидер и антенну, и зачем нужны эти ваши всякие «колена», «петли» и прочие «замутки», можно только вникнув в особенности распространения радиосигнала в длинных линиях передачи. Что же это за линии такие - «длинные»? Впервые с «длинными линиями» связисты столкнулись в 1866 году, когда был проложен электрический кабель из Ирландии в Америку, т. е. задолго до изобретения радио. Длина кабеля превышала 4000 км и обнаружилось, что передаваемые по нему телеграфные сигналы подвергаются сильным искажениям и принять и декодировать их практически невозможно. Понимания почему так происходит не было долгое время. Внести ясность в проблему смог выдающийся английский ученый-самоучка Оливер Хевисайд.

В 1873 г. вышел из печати двухтомник Д.К.Максвелла "Трактат об электричестве и магнетизме". В этом фундаментальном труде мир увидел не только стройную теорию, сводящую воедино магнитные и электрические явления. Теория предсказывала существование электромагнитных волн и конечную скорость их распространения. Теория была принята в штыки тогдашним ученым сообществом. Достаточно упомянуть, что знаменитый опыт Г.Герца в 1887 году был проведен именно с целью опровергнуть теорию Максвелла, но в результате экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн. Один из немногих, кто сразу принял теорию Максвелла был Хевисайд. В 1885 г. была опубликована его первая статья, где он утверждал, что по телефонным и телеграфным линиям не просто течет переменный ток, а вдоль них распространяется с конечной скоростью электромагнитная волна. И если длина линии сравнима с длиной волны, то волновые эффекты в линии обязательно необходимо учитывать. Он, взяв за основу уравнения Максвелла, создал математическую модель, описывающую такую линию, в которой реактивные и активные сопротивления «размазаны» по всей ее длине. Поэтому другое название такой линии — линия с распределенными параметрами. Стоит упомянуть, что само понятие «индуктивность» было впервые введено именно Хевисайдом в работе над теорией длинных линий.

Уравнения, описывающие работу длинной линии передачи, до сих пор носят название — «телеграфные уравнения», поскольку появились на свет еще в эпоху проводного телеграфа. По сути, телеграфные уравнения — это законы Ома и Киргофа в дифференциальной форме. Т.е основные законы электрической цепи соблюдаются и здесь, добавилось только одно правило — взаимодействие передается не мгновенно, а с ограниченной скоростью. И если для низкочастотного сигнала этот факт обнаружился только на линии протяженностью в тысячи километров, то на частотах 3G-4G кусок коаксиального кабеля длиной в несколько сантиметров — уже длинная линия, описываемая теми же телеграфными уравнениями.

Из анализа телеграфных уравнений следует, что в линии распространяются две волны, одна в прямом направлении, а другая (отраженная) в обратном. Эти волны образуют в линии интерференционную картину-паттерн, названную стоячей волной. На анимации мы видим две движущиеся волны - прямую и отраженную, а жирной линией показана стоячая волна:line animation2 При этом на некоторых участках линии напряжение может превышать напряжение источника. Это явление стало причиной того, что первый трансатлантический кабель запустили в работу только с пятого раза из-за пробоев изоляции по непонятным на тот момент причинам.В реальной линии волна отражается не только от нагрузки, но и от источника сигнала, причем неоднократно и интерференционная картина выглядит гораздо сложнее, чем на анимации.

Ну мы с вами, уважаемый аноним, имеем дело с относительно слабыми сигналами и пробой изоляции фидера нам не грозит, но основные свойства линии знать все же не помешает. Не будем углубляться в теорию и рассматривать входящие в телеграфные уравнения первичные параметры линии — погонную емкость и погонную индуктивность, сразу перейдем ко вторичным:

  1. Волновое (характеристическое) сопротивление. Важно понимать, что это не активное сопротивление вносящее потери в сигнал, а параметр характеризующий свойства линии при ее взаимодействии с электромагнитной волной. Большинство фидерных линий в радиотехнике относятся к категории «линия с малыми потерями», это когда реактивные сопротивления линии намного превышают активные. Для таких линий справедливо утверждение, что ее волновое сопротивление зависит только от ее геометрии (соотношение размеров проводников) и свойств диэлектрика, которым она заполнена. Ссылки на расчеты волнового сопротивления некоторых длинных линий можно увидеть в конце статьи.
  2. Входное сопротивление линии. Импеданс на входных зажимах линии. Зависит от импеданса нагрузки, а также от длины линии.line01β=2π/λ - фазовая постоянная. l=x0-x- длина длинной линии от точки включения нагрузки x0=0. Входной импеданс линии в общем случае меняется при изменении ее длины:line06 Если линия нагружена на активное сопротивление, равное ее характеристическому, то ее входное сопротивление при любой длине равно волновому и чисто активно. При этом в линии отсутствует отраженная волна и вся энергия идет в нагрузку. Такой режим является режимом полного согласования.
  3. Коэффициент отражения по напряжению. Отношение амплитуд отраженной и прямой волн.line03 Характеризует степень рассогласования линии. Меняется от нуля (режим полного согласования), до единицы (100% отражения).
  4. Коэффициент стоячей волны – КСВ (SWR) – это отношение точки с максимальным напряжением в стоячей волне линии к точке с минимальным напряжением: line02Меняется от единицы при полном согласовании, до бесконечности при полном отражении.
  5. Коэффициент бегущей волны — КБВ также характеризует степень рассогласования линии передачи и является обратной величиной по отношению к коэффициенту стоячей волны:line07Для линии изображенной на анимации Г=1, КСВ=∞, КБВ=0.
  6. Коэффициент затухания. В реальной линии энергия электромагнитной волны расходуется на нагрев проводов и диэлектрика, поэтому волна затухает при распространении. Затухание измеряют в дБ/м и оно растет с ростом частоты.
  7. Коэффициент укорочения (замедления). Отношение длины волны в линии к длине волны в свободном пространстве. Любая длинная линия является замедляющей структурой и длина электромагнитной волны в ней короче чем в вакууме, поскольку скорость распространения волны в линии меньше скорости света в вакууме. Например, скорость распространения в том же трансатлантическом кабеле составляет 66% от скорости света в вакууме, такая же скорость и в обычном  телевизионном фидере со сплошной полиэтиленивой внутренней изоляцией. В воздушной двухпроводной линии замедление намного меньше, всего несколько процентов. Это справедливо для TEM-волны, для существования которой необходима линия с "двумя проводами". А вот в воздушных волноводах баночной и рупорной антенн, которые тоже являются линиями с распределенными параметрами, из-за того же замедления длина волны увеличивается!

Особо следует отметить случаи линий длиной λ/4 и λ/2. 

  • λ/4 Входное сопротивление четвертьволнового отрезка определяется по формуле:line04 В случае короткого замыкания в нагрузке (Zн=0) на входе линии будет бесконечное сопротивление! Такой короткозамкнутый отрезок можно подключать к другой линии и он никак не повлияет на ее работу, такие отрезки носят название четвертьволновых изоляторов. Кроме того, четвертьволновый отрезок линии используется для согласования линии с нагрузкой, имеющей сопротивление не равное волновому. Согласование осуществляется подбором Z0 в соответствии с вышеприведенной формулой.line05Четвертьволновый отрезок линии по своим свойствам напоминает параллельный колебательный контур, поэтому еще одно его применение - коаксиальный резонатор.
  • λ/2 В этой линии входное сопротивление всегда равно сопротивлению нагрузки, независимо от волнового сопротивления линии. Такой отрезок носит название полуволнового повторителя и довольно часто применяется в схемах согласования. При этом фазы напряжения на концах полуволнового отрезка сдвинуты на 180°.

Эта небольшая статья не ставила перед собой задачу детального рассмотрения теории длинных линий. Для этого есть серьезные работы. Главное - это уяснить себе, что фидер - не просто два провода, соединяющих антенну и нагрузку, это сложная система с распределенными параметрами, ведущая себя "не совсем адекватно". Короткозамкнутый кусок фидера может иметь бесконечно большое входное сопротивление, емкость подключенная на одном конце фидера может превратиться в индуктивность на другом и т.п. Причина всего этого одна - скорость передачи взаимодействий в нашей Вселенной ограничена! Именно это определяет сложности понимания работы согласующих устройств, которые мы рассмотрим в следующей статье.

Ссылки по теме:

Ссылки на теорию:

Комментарии   

Alex
#1 Alex 05.03.2016 06:59
Спасибо создателям сайта, очень полезная информация!

Добавить комментарий

Уважаемые посетители, на сайте работает форум, на котором имеется гораздо больше возможностей для общения, чем в комментариях. Комментарии от анонимов предварительно модерируются


Последние коммы


Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru