Согласование и симметрирование

yurik82 пишет:
Quados-6 имеет выходное дифференциальное (симметричное) сопротивление 200 Ом = +-100 Ом
После прохождения одного из 100-Ом плеч через любую петлю получаем сложение 100 и 100 Ом паралельно и получаем 50 Ом. Кабель петли самый оптимальный - 100 Ом, тогда влияние петли минимально (максимальная широкополосность).
Чем сильнее отличается кабель петли от 100 Ом - тем более узкополсная антенна.

Можно ли вместо кабеля использовать симметричную двухпроводную линию, расчет которой есть на этом сайте? Варьируя расстоянием между проводами и толщиной проводов можно получить сопротивление 200 Ом.
Если соединить две антенны симметричной линии с сопротивлением 200 Ом в точке соединения получим 100 Ом. Т.е две идентичные антены Quados-6 можно согласовать и обойтись без согласующей петли и без коаксиального кабеля?

yurik82 пишет:
Здесь подборка антенн, которые Вы сможете повторить и которые имеют прямой выход на коаксиал 50 Ом
Две последние имеют усиление примерно как у Quados-6
ypylypenko.livejournal.com/26698.html

Спасибо, очень интересные. На днях попробую изготовить.

Не совсем разобрался как подключить к ним кабель. Подскажите куда экран куда центральную жилу?

yurik82 пишет:

Ruslan пишет: Как согласовать встроенную антенну (на печатной плате) и внешнюю Quados?

Коаксиальным разъемом ВЧ для кабеля 50 Ом

Разъем от обычных 75 Ом кабелей, которые прокладывают в многоквартирных домах подойдет?

Обойтись без разъема можно? Запаять кабель?

Ruslan пишет: Можно ли вместо кабеля использовать симметричную двухпроводную линию, расчет которой есть на этом сайте? Варьируя расстоянием между проводами и толщиной проводов можно получить сопротивление 200 Ом.

Можно. Но конструктивно это крайне сложно. Открытые линии нигде практически не применяются, потому что надо обеспечить отсутствие каких-либо проводников на расстоянии хотя бы двух зазоров. Выполнить такое на практике почти невозможно. Как минимум Вы даже не сможете вывести эту линию за пределы точки питания - двухпроводной открытой линией невозможно пройти сквозь рефлектор.

Ruslan пишет: Если соединить две антенны симметричной линии с сопротивлением 200 Ом в точке соединения получим 100 Ом. Т.е две идентичные антены Quados-6 можно согласовать и обойтись без согласующей петли и без коаксиального кабеля?

Да, получим симметричный выход 100 Ом. Для соединения с кабелем 50 Ом надо балун 2:1, для кабеля 75 ом - балун 4:3 или на крайний случай балун 1:1
Сделать балун 1:1 тяжелее чем балун 4:1

Ruslan пишет: Не совсем разобрался как подключить к ним кабель. Подскажите куда экран куда центральную жилу?

Во всех перечисленных антеннах СВЧ-коннектор (например N-типа) прикручивается к рефлектору, а к пину этого коннектора соединяется болтик питания патча или, если пин достаточно длинный - напрямую идут в патч.

Для прямого соединения кабеля без коннектора - оплетка паяется к рефлектору, центральная жила к патчу.

Ruslan пишет: Разъем от обычных 75 Ом кабелей, которые прокладывают в многоквартирных домах подойдет?

теоретически подойдет, но практически Вы не сможете запаять такой ни в одну современную плату роутера или свистка WiFi из-за габаритов

Ruslan пишет: Обойтись без разъема можно? Запаять кабель?

Можно. Но надо мыслить не категориями постоянного тока, а категориями СВЧ. Реактивность перехода дорожка-кабель должна быть минимальной.

Благодарю за ответ!

Никак не уловлю физический смысл волнового сопротивления. Читаю и никак не вкурю.

1. Если два коаксиальных кабеля одинаковый длины сопротивлением 50 Ом соединить параллельно то получим кабель с волновым сопротивлением 25 Ом?

2. U образные согласования работаю в небольшом диапазоне частот? В силу того что длина U колена согласования зависит от частоты? Иными словами при широкополосном сигнале лучше избегать согласующих устройств.

3. Если антенна выход 100 Ом, а кабель 75 или 50 ом при непосредственном подключении без трансформатора идет потеря мощности из-за отражения от стыка кабеля, т.е часть сигнала подобно реактивной мощности в трехфазной сети, греет кабель без пользы?

4. Если антенна 50 ом и приемник 50 ом, то мне не стоило мудрить с кабелем 75 ом, который станет причиной бесполезных потерь из-за несогласованности?

5. Как узнать волновое сопротивление WiFi модуля ESP32-WROOM? Или подобные устройства в подавляющем большинстве имеют какое-то типовое сопротивление входа?

6. У спиральной антенны есть согласующий треугольник, как он работает? Как его рассчитать? Можно ли его использовать при согласовании сопротивлений?

Ruslan пишет: Никак не уловлю физический смысл волнового сопротивления. Читаю и никак не вкурю.

Лучше чем Джон Шайв (изобретатель школьной демо-установки механического импеданса) никому не удалось объяснить:


Импеданс - это сопротивление среды передачи волн этой волне.
Если взять шнурок и канат - и рукой их качать, а на другом конце на палку надеть кольцо связанное с какой-то нагрузкой (на корбу маховика например) - то для передачи равной энергии шнурку надо придать значительно больше размах колебаний волны (напряжение), а канат передаст ту же энергию за счет больше амплитуды напряжения среды (ток).
Если привязать шнурок к канату - то как ни раскачивай шнурок - часть энергии будет возвращаться назад в руку. Потому что импедансы (упругости среды передачи) не согласованы.

Импеданс ЭМ волны в вакууме равен 376,73 Ом. Это фундаментальное свойство фотона - соотношение размаха амплитуды электрического поля (напряжение) к магнитному (ток).

В других средах отличных от вакуума - импеданс ЭМ волны будет другой. Для ЭМ волн световой длины - импеданс отличается от вакуумного на коэффициент преломления. На границе среды с разными импедансами - часть энергии отбивается. В оптике для согласования импедансов разных сред (воздух - разные сорты стекла) применяются L/4 согласующие трансформаторы - более известные как "просветление оптики". Их длина L/4, а сопротивление (тип материала) выбирается промежуточное между тем которые надо между собой согласовать.

В механике - у каждого в ухе есть молоточек. Это тоже трансформатор импеданса механических волн (звука).

В волноводах на радиочастотах импеданс показывает соотношение между размахом амплитуды Вольт/метр (напряженность Е-поля) и размахом амплитуды магнитного поля (Тесла/метр). Магнитное поле является переносчиком ЭМ волны так же как заряд (электрон, дырка, ион) являются переносчиком электрического тока. Энергия которая переносится зарядами (в проводниках) называется током проводимости, а которая магнитным полем - ток смещения. В уравнениях Максвелла они равноценны.
Чем меньше зазор, тем меньше может получить размах амплитуды Е-поле и тем сильнее магнитная составляющая. Т.е. ниже импеданс. И наоборот - чем больше расстояние тем сильнее Е поле и слабее H-поле.

В уравнениях Максвелла токи проводимости и смещения равнозначны (просто сумма). На концах двухпроводной линии на клеммах мы получаем только токи проводимости, сила этого тока (в Амперах) и напряжение (в Вольтах) будут зависеть от вдутой мощности на другом конце линии и от волнового сопротивления этой линии. P = U * I, I = U/R (где R - волновое сопротивление)
В 50-омной линии токи (в Ампреах) или магнитная продольная составляющая (в Теслах/метр) будут в 2 раза выше чем в линии 100 Ом. Но амплитуда электрического поля (Вольт/метр) или напряжение между обложками (в Вольтах) будут в 2 раза ниже.

Линия с малым расстоянием между проводниками - аналог каната. У неё мощная продольная составляющая (сила тока) и малый поперечный размах волны (напряжения).
Линис с широким зазором - аналог тонкого шнурка. Продольная составляющая небольшая зато размах колебаний большой.

Если встык спаять 2 шнурка, то энергия пройдет без барьера только если в месте спайки не будет реактивности - "морского узла". Переход должен быть максимально гладкий и с таким же соотношением массы/упругости/диаметра как и сами шнурки. Если на стыке будет массивный узел - то энергия будет отбиваться от этого узла (не сможет раскачать его массу).

Всегда когда паяете что-либо СВЧ между собой - думайте как избежать таких неоднородностей, чтобы волна плавно могла перейти из одного участка в другой.

Даже на низкой промышленной частоте 50 Гц эти эффекты видны когда длина линии становится сопоставима с длиной волны, т.е. на очень длинных ЛЭП более 1000 км. Или когда индуктивность линии очень высока то уже при L/30 (подводные кабеля более 100 км)

Ruslan пишет: 1. Если два коаксиальных кабеля одинаковый длины сопротивлением 50 Ом соединить параллельно то получим кабель с волновым сопротивлением 25 Ом?

Да, в теории цепей выполняются и законы Ома и законы Кирхгофа для узлов. Только сопротивления должны быть представлены комплесным числом Z = R +j X.

Ruslan пишет: 2. U образные согласования работаю в небольшом диапазоне частот? В силу того что длина U колена согласования зависит от частоты? Иными словами при широкополосном сигнале лучше избегать согласующих устройств.

На клеммах симметричной антенны - сигналы в плечах противофазны.
Только при длине 1/2L + kL на концах сигналы сложатся в фазе. При любой другое длине будет задержка фазы и неполное сложение, а если в противофазе - всё равно что сразу замкнуть накоротко.

Ruslan пишет: 3. Если антенна выход 100 Ом, а кабель 75 или 50 ом при непосредственном подключении без трансформатора идет потеря мощности из-за отражения от стыка кабеля, т.е часть сигнала подобно реактивной мощности в трехфазной сети, греет кабель без пользы?

Ещё хуже.
Волна отбивается сразу на границе сред.
Т.е. мощность собранна на клеммах не идет в кабель а сразу возвращается в антенну - увеличивает мгновенные значения напряжения на поверхности антенны и таким образом препятствует поглощению новых порций волны. КСВ=2 равноценно недобору 12% (-0.51 dB) мощности из окружающей среды.

Если линия передачи имеет ненулевую длину - то происходят ещё тепловые потери в самой линии.
Конкретнее о потерях в линии - читайте в моей статье
habr.com/post/425711/

Ruslan пишет: 4. Если антенна 50 ом и приемник 50 ом, то мне не стоило мудрить с кабелем 75 ом, который станет причиной бесполезных потерь из-за несогласованности?

Люди часто осознанно делают кабель 75 Ом (и часто антенну на 75 Ом) потому что ТВ кабеля очень дешевы и при этом качественны, а 50 Ом кабеля очень дорогие и при этом не качественные.
Самый дешевый 50 Ом кабель RG6U стоит от 30 грн/метр и при этом имеет заоблачное затухание (он предназначен для работы до 100 МГц, видеонаблюдение и сети Езернет 10 Мбит)
Кабель 75 Ом по 10 грн/метр имеет в разы меньше затухание.
Такое же затухание имеет кабель по 100 грн/метр на 50 Ом. Такие кабеля не имеют спроса и широко не продаются, тогда как кабель 75 Ом продается в любом населенном пункте на базарах и магазинах спутникового ТВ.

Вторая причина - отсуствие ВЧ коннекторов. До появления Aliexpress у нас даже за деньги нельзя было купить 50 Ом коннекторы на частоты выше 300 МГц. Сейчас с этим проблем нет, но не все хотят по 2 месяца ждать с Китая пару переходников за 200 гривен, когда вся стоимость проекта 200 грн

Ruslan пишет: 5. Как узнать волновое сопротивление WiFi модуля ESP32-WROOM? Или подобные устройства в подавляющем большинстве имеют какое-то типовое сопротивление входа?

все радиоустройтва в мире имеют 50 Ом кроме ТВ, спутниковых и FM которые имеют 75 Ом

Ruslan пишет: 6. У спиральной антенны есть согласующий треугольник, как он работает? Как его рассчитать? Можно ли его использовать при согласовании сопротивлений?

Трансформаторы на L/4 отрезках не обязаны быть однородными, а могут иметь плавный импеданс - например треугольный или экспоненциальный.

Теория таких трансформаторов очень сложная. Математика настолько зубодробильная, что до появление средств CAD проектирования вместо конусных делали ступенчатые трансформаторы, которые описываются уравнениями Чебышева (тоже зубодробильные но можно посчитать без CAD)

Практические конструкции 75->50->75 обсуждались тут:
www.lan23.ru/forum/showthread.php?t=12326

По моему мнению сложность понимания возникает от того, что физики изначально обозвали это понятие "сопротивлением". Ввиду того, что отношение амплитуды электрического поля к амплитуде магнитного по формальным признакам похоже на закон Ома. Еще большую путаницу вносит абстрактное понятие "волновое сопротивление вакуума". Как может вакуум чему то там сопротивляться? Он же пустой.
Все зависит от системы измерений. Волновое сопротивление вакуума вообще смысла не имеет, а есть просто отношением физических констант в системе СИ. Вот здесь в Википедии подробно описано , не надо далеко ходить.
Приведу оттуда лишь одну цитату:

В системе СГС Z ₀ = 1 (волновое сопротивление вакуума-прим.) Эта величина имеет смысл отношения амплитуд напряжённостей электрического и магнитного полей плоской электромагнитной волны в вакууме. Однако приписать этой величине физический смысл волнового сопротивления нельзя, поскольку в той же системе СГС её размерность не совпадает с размерностью сопротивления