William F. Lieske, Sr. EMR-corporation,INC Arizona USA

О чем эта статья:

Если Вы работаете с радиочастотными системами и управлением передачей и приемом в различных электронных системах обмена сообщениями, то обнаружите, что предмет настоящей статьи имеет отношение к Вашей работе. Если Вы участвуете в разработке, установке, поддержке или проектировании Наземных Мобильных Беспроводных систем любого типа, то эта статья раскроет некоторые загадки, которые кажутся даже непостижимыми

Упоминание пятидесяти ом относится к сопротивлению приборов и устройств, таких как радиоприемник на входе, передатчик на входе и выходе, коаксиальные передающие линии и антенные системы

Исходная информация

В течение многих лет использования в различных типах систем связи понятие результирующей производительности системы было одним из тех, которые составляли предмет первичного интереса компании EMR Corporation. Цель этой статьи – представить обзор и исследование различных аспектов, которые необходимо изучить для обеспечения максимальной эффективности эксплуатации системы и ее надежности посредством согласования сопротивлений различных элементов системы.

Типичные передающие системы

Радиочастотная мощность наиболее часто производится комбинированием задающего генератора с усилителем мощности. Для того, чтобы передать сигнал с выхода задающего генератора на вход усилителя мощности, а затем от усилителя мощности к соответствующей антенне в системах, работающих в частотном диапазоне ниже 2,5ГГц, наиболее часто используются коаксиально-кабельные линии передачи. Большие волноводы используются в микроволновых системах и при передаче телевизионных сигналов высокой мощности в диапазоне UHF, в основном в более высокочастотных UHF каналах. Системы , работающие в диапазоне выше 2,5 ГГц, в основном используют волноводы для питания антенн.

Элементы типичной передающей системы показаны в виде блок-схемы на Рис.1. Точки, представляющие интерес в свете настоящей статьи, выделены звездочкой (*). В зависимости от класса рассматриваемых услуг, могут быть представлены уровни мощности в диапазоне, начиная с настолько малых как несколько сотен милливатт, до достаточно высоких мощностей, достигающих большое количество киловатт

В каждой точке, отмеченной (*) на Рис.1, должно обеспечиваться приемлемое электрическое согласование, если необходимо достигнуть высокой результирующей производительности системы. Составляет ли уровень мощности милливатты или киловатты, любая потеря электрической энергии нежелательна. При низких уровнях мощности низкая производительность приводит к низкому уровню мощности реально передаваемого сигнала, что сокращает диапазоны передачи. При более высоких уровнях мощности потери увеличивают затраты электроэнергии, необходимой для генерирования нужной мощности. Все элементы передающей системы также размещаются с риском излишнего нагрева важных элементов системы и сокращения диапазона связи, особенно при интенсивной или продолжительной работе.

Где происходят потери в системах передачи

Простой ответ на этот вопрос состоит в следующем: Все, что является проводником мощности, будет вносить вклад в потери канала, особенно, если динамические сопротивления всех элементов не согласованы между собой. Кабели являются проводниками мощности, и, следовательно, вносят свой вклад в потери. Стандартное сопротивление, характерное для систем в беспроводной индустрии, составляет 50 ? в течение, по меньшей мере, последних пятидесяти лет. Соответственно, все оборудование и кабели должны иметь эту величину сопротивления для обеспечения максимальной результирующей производительности системы. Для комплектации таких кабелей должны использоваться коннекторы тоже с сопротивлением 50 ?

Пожалуйста, заметьте, что коннекторы серии «UHF», включая коннекторы типов PL259 и SO239, все еще используемые, были разработаны более пятидесяти лет назад, когда частота 50 МГц считалась «вершиной» радиодиапазона. Эти коннекторы не обладают постоянным сопротивлением и могут приводить к достаточно серьезным рассогласованиям в важных компонентах системы при частотах выше 30 МГц.

Тщательное изучение коаксиального кабеля

Коаксиальный кабель состоит из «внешнего проводника» в виде трубки или оплетки и концентрически вытянутого или скрученного «внутреннего проводника». Соотношение размеров внутреннего и внешнего проводников, наряду с природой диэлектрического изоляционного материала кабеля, определяет характеристики или «волновое сопротивление» коаксиального кабеля.

Диэлектрические свойства

Термин «Диэлектрик» применяется к любому материалу, который не является проводником электричества: изолятор. Сухой воздух на уровне моря имеет диэлектрическую проницаемость равную 1, все другие изолирующие среды имеют диэлектрическую проницаемость больше 1. Кабели, использующие твердый винил или вспененный диэлектрик, изолирующий разделяющий материал в виде сплошного или спирально насеченного тефлона, как в современной конструкции кабеля, могут иметь диэлектрические постоянные вплоть до величин, в несколько раз превышающих величину диэлектрической постоянной сухого воздуха на уровне моря. Сухой азот, инертный газ, отфильтрованный через «влагопоглотитель» для полного удаления влаги, хранящийся при давлении, немного превышающем давление воздуха на уровне моря, широко используется в герметичных цельных кабелях с целью обеспечения того, чтобы изменения атмосферного давления и относительной влажности не привели к изменению сопротивления кабеля.

При работе с высокими мощностями и в области более высоких частот используются кабели большего диаметра, имеющие меньшие потери при заданных длинах. Потери кабеля обычно измеряются в децибелах, дБ, на 100 футов в наиболее распространенных для наземной мобильной связи частотных диапазонах. Гибкие кабели, изготовленные в соответствии с действующими в течение долгого времени стандартами RG-58 и RG-59, были заменены в большей части, если не во всех, коммерческих системах покрытыми серебром проводниками с двойной защитной оболочкой и тефлоновыми изоляционными материалами или специальными типами вспененных диэлектриков для уменьшения потерь и существенного усовершенствования кабеля с точки зрения защитной оболочки. В полугибких кабелях с цельными проводниками или жестких кабелях с цельными проводниками используются керамические изоляционные материалы или спиралевидные, центрирующие внутренний проводник опорные конструкции из тефлона с сухой азотной герметизацией вдоль них для уменьшения потерь. Такие типы кабеля находят применение в приложениях с повышенными мощностями и при повышенных частотах.

Большая часть систем распределения CATV и СCTV стандартизованы при сопротивлении 72 ? много лет назад и такое системное сопротивление продолжает использоваться в настоящее время в этой промышленности. При возникновении специальных системных требований, таких как при использовании кабелей в качестве линейных преобразователей, могут использоваться кабели с сопротивлением 75, 93 ? и с другими специальными величинами сопротивлений. Эти типы доступны от нескольких производителей кабеля. При проектировании кабельных сетей используются характерные длины таких кабелей, такие, чтобы сопротивления секций были согласованы с приборами и электрическими цепями, с которыми в противном случае они были бы рассогласованы.

Реализм согласования сопротивлений

Часто предполагается, что в системе, в которой все элементы имеют сопротивление 50 ?, можно использовать любую длину 50-омного кабеля, и «совершенное согласование» будет в результате иметь место.Это справедливо только, когда все элементы системы имеют чисто резистивные 50 ? характеристики, не проявляя ни индуктивного, ни емкостного реактивного сопротивлений.

ПОЖАЛУЙСТА, прочтите еще раз предыдущую главу

При практическом применении радиочастотных приборов наличие даже сравнительно небольших эффектов индуктивности или емкости может привести к понижению эффективности в целом, когда два или более прибора соединены кабелями. Для согласования кабелей необходимо рассчитать реактивную компоненту, чтобы достичь самой высокой возможной производительности. Для полного понимания того, что имеется в виду, давайте посмотрим на природу усилителей, прежде чем обращаться к вопросу о сопротивлениях линий передачи и антенн.

Aнатомия задающих генераторов

Наиболее современная частотная генерация выполняется посредством электронного синтеза. Гибкость и простота, с которой сегодняшние много-канальные передатчики и приемники программируются и работают, стала возможной посредством современной технологии синтезатора «твердого тела».

Аспекты проектирования синтезаторов – это вопрос в себе. Современные задающие генераторы на основе твердого тела будет задавать высоко стабильный частотный канал, как запрограммировано, при низком уровне мощности, используя сложный синтез частот для точного установления требуемых частот канала. Обычно применяют модуляцию выборочных носителей как часть функции синтезатора. В результате последовательных этапов этот сигнал усиливается до уровня мощности, приемлемого для усилителя мощности (У.М.). Этот У.М. может иметь две или более ступеней, чтобы получить на выходе требуемый уровень мощности.

В задающем генераторе выявляются различные меж- ступенчатые сопротивления, в соответствие с выбором проектировщика и доступностью активных компонент сети. Обычная практика состоит в проектировании выходного сопротивления задающего генератора, равном 50? при некотором заданном уровне мощности, таком как 3,5 или 10 ватт. При этом различные формы или типы У.М. используются, с наибольшей вероятностью, в предположении, что входное сопротивление усилителя будет для выхода усилителя таким же, как создаваемой «нагрузкой» сопротивление. Важно, чтобы соблюдалось адекватное согласование сопротивлений, так как задающий генератор является фактически передатчиком с низкой мощностью. Он будет передавать мощность на вход У.М. наиболее эффективно, только когда его выходное сопротивление согласовано с входным сопротивлением У.М.

Довольно часто возникают ситуации, когда задающий генератор, который может доставить требуемую мощность на У.М., выходит из строя и генерирует ложные выходные частоты или прекращает работать, когда входное сопротивление У.М. значительно отличается от пятидесяти ом, или когда между выходом задающего генератора и входом У.М. используется рассогласованный кабель. Когда задающий генератор нормирован на, скажем, 5 ватт мощности на выходе и использует выход класса «В» или «С» наряду с настройкой «выходного уровня» на некоторых предыдущих стадиях, часто эффективное сопротивление может изменяться в широком диапазоне, так как выходная мощность задающего генератора изменяется в пределах доступного настройке диапазона мощности.

Этот факт часто наблюдают многие специалисты, при ошибочном предположении, что выходное сопротивление задающего генератора постоянно, независимо от генерируемой мощности.

Типичные усилители на твердом теле.

В течение многих лет твердотельные усилители были основаны единственно на технологии мощных транзисторов, однако сейчас промышленность все больше производит и использует усиливающие приборы Power FET. Мы, однако, можем ожидать, что использование усилителей с би-полярными мощными транзисторами будет продолжаться в течение еще нескольких лет, так как большинство приборов с такими компонентами были спроектированы для непосредственной работы от 12,6 (номинал) транспортабельных источников мощности (VDC), в то время как приборы FET, работающие на уровне мощности 25 ватт или выше, обычно требуют более высоких рабочих напряжений, усложняя требования к энергоснабжению, особенно в транспортных применениях.

Радиочастотные мощные транзисторы, как выяснилось, включают приборы, генерирующие мощность в диапазоне от величины, ниже 1 ватта до 60 ватт и более, а приборы FET уже сейчас способны работать с мощностями до 250 ватт на выходе. Традиционным в транзисторных усилителях мощности является использование одной ступени с достаточным усилением мощности, чтобы запустить два или четыре «двухтактных, параллельных» прибора, питаемых гибридными делителями, подключенным к их входам, и ре-комбинировать выходы, используя гибридные приборы.

Рис.3 представляет в виде блок-схемы типичную организацию компонент в твердотельном усилителе. В этих контурах активные приборы обычно работают в режиме Класса «В», выдавая очень небольшие количества тока, пока не получат возбуждение от запускающего сигнала. Так как их работа в динамическом режиме определяется уровнем запуска, то чем больше энергия запуска, тем больше будет прямой ток, выдаваемый источником мощности.

Гибридные пары могут быть типа 90°, или, как показано на Рис.3, могут иметь конструкцию ”Wilkinson”, используя ленточные элементы в типичном дизайне. Линии длиной в две половины длины волны с сопротивлением 70? обеспечивают 50-омные источник и выходные сопротивления в разумных частотных диапазонах. Нагрузки представляют собой 100-омные резисторы, обычно смонтированные на теплоотводах, которые также служат для рассеивания тепла, вырабатываемого активными элементами. Резисторы рассеивают мало энергии или не рассеивают вообще, пока на их противоположных концах сдвиг по фазе равен 180° , и имеют одинаковые амплитуды напряжения, пока поддерживается баланс в сети.

Динамическое сопротивление как на входе, так и на выходе этих ступеней будет меняться при изменении применяемой энергии запуска. В должным образом сконструированном усилителе этого типа может быть обеспечен только сравнительно узкий диапазон выходного уровня, в котором существует особое динамическое сопротивление. Конструкторы усилителей стараются удовлетворять требования производителей компонент по рекомендуемым рабочим уровням, используя подходяще выбранные постоянные цепи, чтобы прийти к нужным входному и выходному сопротивлениям.

Таким образом, конструкции усилителей Классов «В» и «С» должны иметь конкретный уровень выходной мощности, и можно ожидать, что эти усилители с наибольшей эффективностью будут работать в пределах сравнительно узкого интервала уровней выходной мощности. Важно осознавать, что работа конкретного усилителя на уровнях, более высоких или более низких, чем заложенный при его проектировании уровень выходного значения мощности, приведет к изменениям в его динамических входном или выходном сопротивлениях.

Мощные усилители FET чувствительны к тем же самым аспектам. Их входное сопротивление много выше, чем у транзисторов, и правильное согласование на входе значительно более критично, если требуется достичь стабильной работы с низким уровнем интермодуляции. Если любой усилитель значительно перегружен при запуске, то часто происходит сбой прибора, если только не обеспечены определенные защитные схемы цепи, ограничивающие входной уровень при запуске относительно уровня выходной мощности. Пере-возбуждение приведет к излишне большому току в транзисторах или в приборах FET, вызывая сбой компонент и/или повреждения монтажных плат или других компонент из-за генерации излишнего тепла.

Большинство мощных транзисторов используют различные переходы на единой подложке. Частичный сбой компоненты, такой как сбой некоторых внутренних переходов в мощных транзисторах в ступени с несимметричным выходом может привести к неправильной работе и/или к генерации ложных сигналов. В случае многоступенчатого транзистора сбой одного прибора приведет к существенному дисбалансу сети, что, как правило, влечет за собой общий сбой остальных приборов и/или генерацию нежелательных ложных сигналов, прежде, чем произойдет полный сбой.

Вышеприведенные рассуждения имеют целью дать обзор того, как работающие в динамическом режиме сопротивления любых усилителей класса «В» или класса «С» зависят от уровней подаваемых входных сигналов. В случае усилителей чистого класса «А» и определенных типов класса «АВ» сопротивления связанных приборов могут быть менее критичными, с практической точки зрения. Например, в аудио усилителях мощности согласование сопротивлений между усилителями и системами громкоговорителей является необходимым, но как правило, значительно менее критичным по отношению к рассогласованию, потому что выходное сопротивление аудио усилителей мощности класса «А», вообще говоря, корректируется путем использования петель обратной связи, которые предназначены для того, чтобы компенсировать рассогласования и не давать им проявиться.

Анализ фактора скорости кабеля

Фактор скорости кабеля относится к скорости распространения сигнала по кабелю, сопоставленной со скоростью распространения электромагнитной волны в пространстве. Типичные факторы скорости могут варьироваться от 65% и плоть до 97% от скорости распространения в свободном пространстве, в зависимости от материалов, используемых для проводников и характеристик используемого диэлектрического материала. Нижеприведенная формула определяет фактор скорости:

Vs= l/?
Где: Vs – фактор скорости,
? - длина волны в свободном простанстве в футах,
l – фактическая длина волнового кабеля.

Фактор скорости широко используемых типов гибкой коаксиальной линии передач варьируется соответственно материалу, используемому при их производстве. Это влияет на их относительную электрическую длину, и этот факт должен внимательно учитываться при использовании таких линий в сетях или в джамперах.

Здесь приведены несколько примеров:

RG-210 с двойной изоляцией, гибкий	66%
RG-8A c одинарной изоляцией, гибкий	66%
RG–58 c одинарной изоляцией, гибкий	66%
RG–58 со вспененным диэлектриком, гибкий	79%
RG–142B/U диэлектрик TFE	70%
Belden 9913 вспененный полиэтилен	78%

Электрический эквивалент коаксиальной передающей линии аналогичен бесконечному числу небольших катушек индуктивности и емкостей, как показано на Рис.4, в дополнение к электрическому сопротивлению проводников. «Катушки» являются распределенными индуктивностями проводников, а «емкости» состоят из распределенных емкостных сопротивлений между внутренним и внешним проводниками в модификации, соответствующей природе диэлектрического материалов и электрическому сопротивлению используемых проводящих материалов. Эффекты задержки из-за фактора скорости электрических материалов кабеля должны пониматься и приниматься во внимание при любой конструкции кабельной сети.

Если, например, вам пришлось заменить кабель длиной 24”, изготовленный из стандартного кабеля RG-58A на кабель из стандартного RG-142B/U с двойной изоляцией и покрытым серебром проводником, то он должен быть на 4%, или почти на полный дюйм короче, чтобы проявлять при использовании такую же эффективную электрическую длину. Там, где необходимо точная работа, следует принимать во внимание, что фактор скорости данного типа кабеля может изменяться, в зависимости от производителя и даже может меняться от партии к партии данного производителя.

Потери из-за теплового воздействия

Потери в различных типах коаксиальных кабелей приводятся в каталогах производителя в децибелах (дВ) потерь на сто футов или на метр в метрических измерениях. Эти данные часто основываются на измерениях, производимых при низком уровне мощности, таком как 1 мили -ватт и обычно относятся к частотам 10, 100, 1000Мгц. при температуре окружающей среды 68° F (+26°С).

По мере того, как мощность и/или температура окружающей среды увеличиваются, потери увеличиваются из-за эффекта, известного как “потери I в квадрате R”, из основной формулы: P = I? * R, где Р - мощность, I - электрический ток, R - сопротивление. При данном сопротивлении, увеличение подаваемой мощности приводит к увеличению тока, а потери растут по «квадратичному закону». Предположим, что кабель данного производителя RG58A/U имеет потери 2дВ на 100 футов при 150 Мгц. Можно проверить реальные потери, присоединяя проводники к каждому концу кабеля длиной в 100 футов и проводя измерения с использованием источника калиброванного тестирующего сигнала и спектроанализатора, выводящего показания потерь в децибелах непосредственно на экран, или с помощью установки волнового анализатора. Потери в 2дВ соответствуют отношению мощностей 63,1%.

Если вы разместите идентично откалиброванные ватт-метры на каждом конце кабеля и подадите 100 ватт мощности от передатчика, работающего на частоте 150 Мгц, причем кабель на концах имеет нагрузку в 50 ом, то вы можете замерить около 63 ватт в нагрузке на начальном этапе. Спустя несколько минут, однако, вы обнаружите, что мощность на выходе кабеля упала до примерно 48 ватт, что, как можно вычислить, соответствует значению потерь более 3,2дВ. Кабель вскоре начнет нагреваться, что можно ощутить на ощупь при прикосновении к нему. Если вы прикладываете мощность достаточно долго, то в кабеле будет достигнута тепловая стабильность и выходная мощность установится на некотором еще меньшем уровне.

Этот пример демонстрирует эффект потерь I? * R ! Такой кабель, при использовании для питания антенны будет расходовать более половины мощности передатчика в виде тепла, прежде, чем эта мощность на уровне 100 ватт поступит на антенну! Такой дрейф потерь имеет место, поскольку во внутреннем и внешнем проводниках продолжает увеличиваться сопротивление из-за меди в материале проводников, имеющей положительны температурный коэффициент и, возможно, более высокий фактор потерь диэлектрического материала при нагревании. При передаче мощности в 100 ватт следует использовать тип кабеля с более низкими потерями и более высокой мощностью. Это особенно справедливо при наличие в заданной системе рабочих циклов с интенсивным рабочим режимом.

В Аризоне, например, температуры могут падать до нуля градусов или ниже в течение зимних периодов и достигать свыше 110°F в середине лета в возвышенных местах. Во время наших летних месяцев коаксиальные линии нагреваются солнцем, и, когда подается еще и мощность, то результирующие потери I? * R могут невероятно возрасти. Сопротивление проводника меняется с изменениями температуры, и характеристики диэлектрического материала могут также изменяться, приводя к дополнительным потерям и к изменению фактора скорости кабеля, а также меняя сопротивление кабеля. Результат этих изменений состоит в том, что истинное сопротивление любого кабеля может и будет меняться до величины, отличной от 50 ом, т.е. от его величины при номинальной, умеренной температуре окружающей среды. Сопротивление будет увеличиваться по мере роста температуры кабеля, и уменьшаться, когда температура становится ниже.

Было обнаружено, что эффективное сопротивление некоторых типов 50-омного кабеля изменяется на величину до 10 ом, когда температура окружающей среды меняется более, чем на 60 градусов в присутствии рабочих циклов с высоко интенсивными или продолжительными режимами передач. Это, в дополнение к потерям I? * R, является достаточной причиной для заметного изменения диапазонов связи. Кроме того, возникают проблемы из-за рассогласования между ступенями усилителя мощности передатчика и входными коннекторами приемника.

Об антеннах

Большинство антенн систем связи подпадают под одну из пяти категорий:

• Антенны «усилительного» типа, или отрытые антенные решетки из симметричных вибраторов
• Типы антенн из коллинеарных многоярусных элементов в обтекателях из стекловолокна,
• Многоэлементные направленные антенны типов “Yagi” (волновой канал)
• «Панельные» антенны, используемые в основном при частотах свыше 700-800 Мгц,
  и антенны типов «углового рефлектора» и параболического рефлектора.

Большинство, или все эти типы антенн уязвимы к влиянию расстроек, что происходит при налипании к ним значительного количества влаги, снега или льда. Часто обнаруживается, что серийно выпускаемые антенны имеют спецификации, которые значительно отличаются от заявленных производителем, когда они подвергаются тестированию с более высокими уровнями мощности. Большинство типов и моделей, как оказалось, работают в более или менее ожидаемом режиме, если только они не повреждаются молниями, ветром, водой, льдом и т.п., или просто не деградируют в результате старения материалов, используемых при их производстве.

Все антенны имеют довольно ограниченный срок службы, причем большинство из них значительно ухудшают свои характеристики после пяти или более лет работы в условиях, когда они подвержены вышеуказанным факторам и продолжительному воздействию РФ мощности. Многие антенны демонстрируют значительный дрейф характеристик при продолжительном воздействии излучения, даже когда они еще новые. Возможной причиной такого дрейфа является эффект потерь I? * R. Возможность управления мощностью антенны может быть проверена путем питания антенны очень коротким отрезком кабеля с низкими потерями и наблюдением за изменением отражений после продолжительной подачи мощности на наиболее вероятных уровнях работы системы.

Вы можете быть уверены, что каждая антенна имеет некоторые проблемы дрейфа характеристик, и что очень многие из них значительно меняют свои исходные характеристики после нескольких лет работы. Большинство каталогов производителей оценивают и представляют данные для коэффициента стоячей волны (КСВ) своих моделей как «1,5:1 или лучше» при определенных заявленных рабочих диапазонах частот. Хотя это может не показаться «слишком плохим», следует осознать, что 1.5:1 КСВ соответствует величине обратных потери на уровне 14дВ и коэффициенту отражения 0.1995, при котором почти 20% подаваемой мощности будет отражаться. Мы считаем, однако, что согласование на 50 ом большинства антенн обычно является намного лучшим результатом, чем 1.5:1 в различных точках в пределах опубликованных частотных диапазонов, причем многие антенны демонстрируют КСВ в пределах 1.15:1 или лучше в оптимальных интервалах диапазона. Антенны, для которых заявляется слишком широкая частотная полоса, редко могут проявлять «плоские» характеристики отклика в конкретном диапазоне, даже когда они новые, и их характеристики становятся еще менее плоскими после шести месяцев их использования.

Эффект длинных коаксиальных линий

Вы можете не сомневаться, что измерения отраженной мощности на конце питающей антенну линии дадут ложное представление о действительных характеристиках антенны.

Например, вы может замерить 100 ватт переданной мощности на частоте 150 Мгц при передающей линии длиной в 100 футов, питающей антенну, установленную на башне. Если вы видите, что отраженная мощность составляет 10 ватт на передающем конце, какой же может быть действительный коэффициент стоячей волны (КСВ) такой антенны? Предположим, что данная используемая линия имеет потери 1дВ на 100 футов при данной передающей частоте. Линия потеряет 20%, или около 20 ватт, до того, как излучение достигнет антенны. Отраженная от антенны мощность также будет меньше на 20% из-за потери в линии. Если антенна имеет КСВ 1.561, отражая 20% приходящей на нее мощности, то получим следующее:

Входная мощность питающей линии	100Вт
Мощность, подаваемая на антенну	80Вт
Мощность, отраженная антенной	16Вт
Мощность излученного антенной сигнала	64Вт
Отраженная мощность, измеренная на возбуждаемом конце линии	12,8Вт
Ошибка из-за потерь на линии	3,2Вт

Потери линии приводят к неправильному представлению о действительном согласовании антенны. В этом примере относительно небольшие потери отраженной мощности на линии могут рассматриваться как незначительные, но все же этот пример демонстрирует, что потери на линии влияют на правильность результатов вышеприведенных измерений. При 800 или 900 Мгц, когда могут использоваться линии большой длины, потери на линии могут приводить к значительным ошибкам в оценке состояния антенны посредством измерения отраженной мощности.

Могут быть условия, в которых отраженная мощность частично возвращается назад по линии, если она приходит на выходной порт передатчика как раз в нужной фазе, чтобы сложиться с падающей (требуемой) мощностью сигнала. Это, однако, происходит с малой вероятностью и, если происходит, то имеет весьма незначительные последствия. Многие технические специалисты склонны принимать то, что они наблюдают, как отраженную мощность на передающем конце линии, за реальную характеристику антенны. Питающие линии большой длины имеют тенденцию «покрывать» дефекты неисправных и поврежденных антенн.

Сегменты коаксиальной линии как «повторители» и «шлейфы»

Если вы имеет длину линии, которая точно равна половине длины волны или целому числу половин длины волны на определенной частоте, то такую линию часто называют как «повторитель», имеющий тенденцию отображать (или повторять) на выходе то сопротивление, которое «видно» на входе. Чтобы определить половину длины волны при некоторой данной частоте, можно использовать следующую простую формулу

L (длина, футы) = 468/ частота (МГц) х
VS(фактор скорости кабеля, %)

Пример: ? длины волны кабеля RG214B/U при 155Мгц будет равна:
468 :155*.66=2,06фута (24,7 дюйма)

Используя это на практике, вы должны принимать во внимание эффективные длины коннекторов, при разработке практических кабельных сетей, подставляя эти длины из результатов реальных измерений кабеля.

При длине кабеля, равной эффективной половине длины волны, сигнал на выходе кабеля будет сдвинут на 180° по фазе по сравнению с подаваемым сигналом. В случае длин, кратных половине длины волны, этот эффект также «повторяется» на каждой половине длины волны вдоль линии, причем эти фазовые обращения возвращают сигнал в фазе для четного числа половин длины волны и в противофазе при длине кабеля, равной нечетному числу половин длины волны.

Более короткая длина кабеля, равная ? длины волны для эффективной длины с данным сопротивлением, действует как «короткозамкнутый шлейф», имеющий фазовое смещение в 90° и, как оказывается, линия будет резонансной для основной частоты, во многом подобно тому, как будет резонировать цепь с параллельными катушкой и емкостью. На второй гармонике основной частоты, однако, шлейф действует как ловушка (резонансный контур), проявляя нулевое сопротивление на короткозамкнутом конце. Такой шлейф часто используется для подавления второй гармоники во многих приложениях систем, обеспечивая подавление второй гармоник 40 дВ или более. Короткозамкнутые шлейфы, имея длины короче или длиннее, чем ? эффективной длины волны, часто используются для корректировки рассогласования сопротивлений в сложных сетях.

Эффект транспозиции фаз для кабеля длиной ?, ? и3/4 длины волны используются наиболее эффективно в конструкциях гибридного ответвителя типа «Гибридное кольцо» и «Wilkinson» для применений в диапазонах UHF и VHF. Коаксиальные кабели, имеющие эффективные длины длиннее или короче, чем ? и ? длины волны и их кратные величины, могут использоваться как трансформаторы сопротивлений, и обеспечивают средство для согласования элементов рассогласованных по сопротивлению компонент системы. Кабели длиннее, чем ? длина волны проявляют эффект индуктивности, а кабели, длина которых короче ? длины волны, становятся емкостями.

Таким образом, секрет согласования рассогласованных систем состоит в том, чтобы подобрать длину кабеля, которая обуславливает эквивалентность воздействия кабеля эффекту индуктивности или емкости, или противоположное им воздействие, что приводит к резистивному согласованию в сети. Средства осуществления такого согласования являются наиболее важными инструментами, с которыми должны работать разработчики кабельных сетей.

Характеристики комплексного сопротивления

Истинное, или действительное сопротивление радиочастотного прибора, как указано выше, определяется результирующим воздействием электрического сопротивления, комбинированным с индуктивной и емкостной реактивными сопротивлениями. Когда емкостное реактивное сопротивление и индуктивное реактивное сопротивление равны, цепь становится реактивной по своим характеристикам. Это может иметь место только при некоторой определенной радио частоте для заданной длины кабеля и при заданном факторе скорости.

Если два 50-омных прибора, таких как выход задающего генератора и вход усилителя мощности, соединены вместе с реальной электрической линией с сопротивлением 50 ом и длиной, равной половине длины волны, или кратному ей значению, то будет иметь место условие согласования, и мощность возбуждения будет передана на усилитель мощности без отражений. Если один или оба соединенных прибора проявляют свойства индуктивности или емкости, то возникнет условие рассогласования.

Чтобы исследовать это подробнее, обратимся опять к некоторым базовым положениями теории. Так как радиочастотная мощность в действительности представляет собой высокочастотный переменный ток и напряжение, сравнимые, скажем, с нашим привычным понятием мощности переменного тока на частоте 60 Гц, привлечение понятия сопротивления объясняется базовой теорией переменного тока. Чтобы лучше понять это, мы сначала определим синусоидальную волну.

Дополнительные основы из области радиочастот

Генераторы «переменного тока» работают на том принципе, что электрический проводник «врезается» в постоянное магнитное поле. Если провод проводника в виде единичной петли вращается между полюсами постоянного магнита, то в результате будет генерироваться волнообразное напряжение. Амплитуда этого напряжения будет равна нулю, когда петля будет находиться под нужным углом к направлению магнитного потока, и по мере того, как петля поворачивается на 90°, напряжение будет иметь максимальное значение, так как магнитные силовые линии при этом «прорезаются» с наибольшей скоростью. Для того, чтобы вывести из прибора результирующую волну напряжения, в реальных генераторах используются токособирательные контактные кольца.

По мере того, как продолжается вращение и поворот составляет 180°, амплитуда напряжения вернется к нулевому значению, затем при 270° напряжение изменит полярность и достигнет максимума, затем опять вернется к нулю, когда осуществится поворот на 360°.

Результирующая электродвижущая сила выражается формулой:

е = Em sin A
где:
е – значение в данный момент электродвижущей силы
(напряжения) для любого угла A,
Еm – максимальное значение электродвижущей силы
A - угловая позиция вращающейся петли, градусы.

Так как амплитуда генерируемого напряжения изменяется по алгебраической функции синуса в зависимости от углового смещения относительно вращения, мы используем понятие «синусоидальной волны». Имеем ли мы дело с частотой 60Гц в секунду или 6- Ггц в секунду, энергия синусоидальной волны переменного тока связана с сопротивлением тем же самым образом. Под радиочастотами обычно понимают частоты того излучения, которое при распространении пересекает пространство как волновые фронты магнитного поля. Эти частоты находятся в диапазоне от 50КГц до, возможно, 500ГГц в токовом выражении. Наиболее чистой формой такой энергии является синусоидальная волна. Сложные волновые формы также существуют, как намеренно создаваемые, так и получающиеся в результате искажений. Мощность импульса радара и большинство цифровых двоичных разрядов, независимо от средств кодировки, начинаются с правильных прямоугольных колебаний, но обычно деформируются в процессе передачи и приема, так, чтобы их можно было раскодировать (демодулировать).

Фазовые взаимосвязи

Если между выходными клеммами генератора переменного тока поместить чисто резистивную нагрузку, то ток в петле последует такой же модели и будет находиться в фазе с напряжением. Если нагрузка является чисто индуктивной по характеру, ток будет опережать напряжение на 90°, а если нагрузка будет чисто емкостной, ток будет отставать от напряжения на 90°. Когда напряжение является комплексным, то реальное фазовое соотношение будет результатом индуктивной, емкостной и резистивной характеристик нагрузки.

Эти соотношения сохраняются в силе в частотном диапазоне, начинающемся от частот питания переменного тока и охватывающем пределы всего используемого спектра радиочастот. Так как существуют соотношения электрического сопротивления, емкости и индуктивности во всех используемых на практике электрических цепях, мы должны компенсировать их при подсоединении приборов друг с другом, если хотим достичь согласования сопротивлений.

Характер всех подсоединяемых приборов и кабели, используемых для соединения приборов между собой, должны в полной мере учитывать аспекты, связанные с сопротивлениями, и все компоненты сети должны рассматриваться как единая система.

Излучение и обмен сигналов передающими линиями

Как показано на Рис.2, если соотношение между внутренним и внешним проводниками настроено так, чтобы приводить к характерному сопротивлению 50 ом и если диэлектрическом материалом является сухой воздух, то это соотношение будет приблизительно 4,3:1. При использовании других диэлектрических материалов это соотношение становится меньше из-за высокого эффективного фактора скорости используемого материала. Если сопротивление источника, питающего 50-омную линию, и сопротивление нагрузки на выходном конце линии также равно 50 ом, то мощность потери на линии будет складываться только из потерь I? * R плюс потери, обусловленные диэлектрическим материалом.

Коаксиальная передающая линия, состоящая из двух концентрических проводников, разделенных диэлектрической средой, является замкнутой системой. Электрическое поле и поле магнитного потока существуют между этими проводниками. Эти поля быстро угасают вне линии и по мере удаления от нее, когда сама линия и приборы, к которым она подсоединена, проявляют идентичные сопротивления, и излучение сигнала внешним проводником линии будет в этом случае минимальным

Имейте ввиду, однако, что при наличии рассогласований вдоль внешнего проводника могут появляться «стоячие волны», которые будут излучать сигнал, т.е. мощность, и это может привести к установке нежелательной связи с другими близлежащими кабелями. Это главная причина нежелательности связки в единые жгуты приемных линий с передающими линиями вдоль опорных структур башен или в других местах проводки кабеля, так как практически никогда не бывает, чтобы все кабели имели «совершенное» согласование с подсоединенным оборудованием в типичных или в реальных условиях для систем связи. Мы также часто встречаемся с тем, что кабели передатчика и приемника идут параллельно в кабельных коробах, что является общепринятым в крупных устройствах связи. Многие проблемы интермодуляции и десенсибилизации приемника были решены просто путем переукладки кабеля.

Передающие линии как преобразователи сопротивления и устройства согласования

Как объяснялось ранее, фазовые сдвиги происходят вдоль длины передающей линии и определяются длиной линии и рабочей частотой. Путем подходящего выбора длины линии мы можем использовать ее для достижения эффекта соединительного согласования между приборами, которые в другом случае рассогласованы. Удобный метод сравнения фаз состоит в использовании векторного анализа. Для читателя очень важно получить обзор этого метода в математических источниках, в которых даются вычисления смещений угловой фазы. Литературу, которая будет полезна при изучении основ и использования векторного анализа, можно найти почти во всех библиотеках на кафердах электротехники.

Научный подход к этому предполагает проведение анализа каждого элемента комбинации приборов. При этом используются сложные технологии измерения, затем рассчитывается и конструируется кабель такой длины, которая как раз позволит установить правильные фазы для достижения согласования в местах соединений рассматриваемых приборов. Это все может быть правильно и хорошо, но когда что-то перегревается или неправильно работает, то редко имеет смысл проводить все типы измерений, необходимые для получения информации для точного определения правильной длины линии. Существует, однако, простое и практическое решение для многих из этих проблем.

Согласователь линии

Этот небольшой прибор является фактически сетью “PI”, встроенной в удобный контейнер размерами в один дюйм с охватываемым коннектором типа N на одном конце и охватывающим коннектором типа N на другом конце. Этот прибор имеет две настраиваемые емкости, которые обеспечивают широкий спектр преобразований сопротивления прибором в пределах традиционных частотных диапазонов для наземной сотовой связи.

Предположим, что у вас нет уверенности в том, что выход задающего генератора согласован с входным сопротивлением усилителя входа мощности (УМ). Вы подозреваете, что кабель имеет неправильную длину, но не знаете, какой должна быть правильная длина! В 90% или более таких случаев вы можете скорректировать ситуацию, используя согласователь линии. Установка для применения этого небольшого прибора показана на Рис.5

Заметьте, что согласователь линии расположен непосредственно на выходе задающего генератора. Выверните задающий генератор и с помощью альтернативных настроек двух конденсаторов согласователя линии, определите самый высокий уровень выхода с УМ. Если УМ настроен, скажем, на уровень 100 ватт на выходе, то уменьшите выходной уровень задающего генератора по мере настройки, каждый раз переустанавливая максимумы согласователя для максимального уровня на выходе УМ.

Эта процедура фактически позволяет найти входные сопротивления задающего генератора и УМ вместе с влиянием длины кабеля и обеспечивает оптимальное согласование, т.е. точку, на которой с наибольшей эффективностью происходит передача мощности. Не пытайтесь сделать это, помещая ватт-метр между задающим генератором и УМ, если вы не хотите оставить там ватт-метр с его джамперами по очевидным причинам.