АНТЕННЫЙ ЭФФЕКТ ФИДЕРА (Часть 2)
Анатолий ГРЕЧИХИН (UA3TZ), Дмитрий ПРОСКУРЯКОВ, г. Нижний Новгород
Меры предупреждения и ослабления АЭФ
Способы ослабления АЭФ во многом определяются причинами, которые его вызывают. Они рассмотрены в первой части статьи. Заметим, что полностью устранить АЭФ можно только теоретически. Поэтому термины "предупреждение" и "подавление" следует понимать как разные пути ослабления вредного влияния АЭФ соответственно на этапах до и после установки антенны. В таком же порядке перечисляются средства ослабления вообще и для каждой конкретной ситуации: проектирование - установка - эксплуатация.
Для симметричных двухпроводных фидеров в симметричной АС с симметричным подключением (при отсутствии синфазных токов) АЭФ 2-го рода можно значительно ослабить различными способами и их комбинациями:
обеспечив малый КСВ в линии, уменьшив расстояние между проводами а, периодически (с шагом l<<l.) перекрестив провода (рис. 9,а и б), использовав витой шнур. Значительно меньше двухпроводной линии излучает четырехпроводная. Поле излучения четырехпроводной линии с перекрестным соединением проводов (рис. 9,в) пропорционально (d/l)2, а не d/l, как для двухпроводной. Практически совсем не проявляют АЭФ-2 в этих условиях экранированные двухпроводные линии, например, марки РД.
Puc.9
Для любых фидеров более существенна борьба с АЭФ 1-го рода, особенно опасным и связанным с наличием синфазных токов в фидере.
Сначала приведем краткий обзор технических средств, пригодных для устранения АЭФ 1-го рода. В сущности, это борьба либо с появлением синфазных токов в режиме передачи, либо с их преобразованием в противофазные в режиме приема.
Симметрирующие устройства или устройства сопряжения симметричных систем с несимметричными (для краткости будем использовать английское сокращение BALUN - от balanced-to-unbalanced).
В режиме передачи условия электрической симметрии [3] определяются равенствами (рис. 10):
Z1=Z2; (1)
U1=U2; (2)
l1=l2; (3) la=lb; (4)
lc=0. (5)
Puc.10
Существуют более 100 [3] разновидностей BALUN'ов и много их разных классификаций, среди которых для наших целей наиболее интересна самая простая. Большинство этих устройств можно разделить на две группы [4]: первая - обеспечивающие U1=U2 (voltage BALUN, V-BALUN); вторая - обеспечивающие I1=I2 (current BALUN, C-BALUN). К первой группе относятся, например, широко известные U-колено, малогабаритные трансформаторы [5] на ферритовых магнитопроводах (рис. 11 ,а), ко второй - запирающие для синфазных тиков устройства. Они бывают как резонансные (четвертьволновый стакан), так и апериодические (дроссельного типа). Последние также иногда изготавливают на ферритовых магнитопроводах (рис. 11,б, см. [6]). Строго говоря, первые обеспечивают равенство ЭДС в контурах с Z1 и Z2, поэтому условие (2) справедливо только при выполнении условия (1). Для симметричных систем условие (1) выполняется. А вот вторые просто представляют большое сопротивление для тока Ic (и только для него). Поэтому можно считать, что ток Ic в точке подключения кабеля к антенне близок к нулю, следовательно, I1~I2. Однако мы устранили только одну причину возникновения синфазных токов. В несимметричной АС (при геометрической асимметрии или при несимметричном возбуждении) на наружную поверхность оплетки действует еще нескомпенсированное ближнее поле антенны.
Puc.11
Изолирующие устройства (Line Isolator, LI) используют для электрического разделения наружной поверхности оболочки фидера на нерезонансные участки, чтобы ослабить синфазные токи, наводимые ближним полем в несимметричной АС. Для этого на пути синфазных токов нужно обеспечить большое сопротивление в нескольких местах с интервалом l/4. В качестве LI можно использовать как резонансные, так и апериодические дроссельные устройства типа С-BALUN 1:1 (рис. 11 ,б и в). Фактически, C-BALUN 1:1 - это линейный изолятор, используемый для симметрирования. Установлено, что для хорошей эффективности апериодических LI полное сопротивление обмотки дросселя должно быть не менее 2...3 килоом. При невозможности сделать компактный дроссель на ферритовом кольце из толстого кабеля можно сделать катушку из кабеля без магнитопровода или вставить в разрыв кабеля (как центрального проводника, так и оплетки!) небольшой дроссель по рис. 11,б, намотанный двухпроводной линией, соответствующей волновому сопротивлению кабеля и мощности передатчика. Такое устройство не приводит к большим потерям, так как при большом сопротивлении синфазный ток незначительный. Магнитопровод в этом случае сильно не намагничивается, что,впрочем,свойственно всем LI и симметрирующим устройствам такого типа.
Поглотители синфазных поверхностных волн тока на коаксиальном фидере делают с использованием покрытий из ферромагнитных или диэлектрических материалов с потерями. Пример - установка на коаксиальном фидере ферритовых колец или трубок. Для хорошего ослабления на KB диапазонах потребуется 50-70 колец (рис. 12) из феррита с начальной магнитной проницаемостью m=400...1000. Зазор между оплеткой кабеля и кольцом должен быть минимальным. Поглотитель этого вида можно рассматривать как распределенный линейный изолятор с потерями.
Puc.12
Значительное ослабление синфазного тока происходит и в том случае, когда вокруг кабеля есть диэлектрик с потерями (вода, почва, бетон). Убедиться в этом можно, даже обхватив пальцами место кабеля с пучностью напряжения. В этом смысле целесообразна проводка кабеля не в свободном пространстве, а в вентиляционном канале (по стене, в земле и т. п.), не говоря уже о специальных покрытиях кабеля составами с примесью графита.
Рассмотрим возможные меры и средства борьбы с АЭФ-1 в разных ситуациях.
1. Симметричная антенна, симметричный фидер:
- обеспечение геометрической симметрии АС относительно земли;
- обеспечение электрической симметрии подключения АС (фидера) к радиостанции (в частности, BALUN между фидером и радиостанцией, если подключение симметричного фидера к станции не предусмотрено).
2. Симметричная антенна, несимметричный (коаксиальный) фидер:
- симметрирующие устройства:
V-BALUN при геометрически симметричной АС (рис. 13,а), однако при существенно несимметричной АС это не поможет (рис. 13,б) и потребуется С-BALUN;
Puc.13
- ВЧ изоляция наружной поверхности оплетки фидера в месте подключения к антенне - это фактически C-BALUN (рис. 13,в для нерезонансной длины кабеля; рис. 13,г для резонансной);
- дробление наружной поверхности оплетки фидера по ВЧ (серия ВЧ линейных изоляторов LI, по меньшей мере два, с шагом l/4, начиная от антенны);
- поглотители синфазной волны (ферритовые кольца);
- геометрическое симметрирование АС (при наличии симметрирующего устройства);
- подбор нерезонансной длины фидера (рис. 13,в).
3. Несимметричная антенна, симметричный фидер (не часто, но используется):
- обеспечение геометрической симметрии АС;
- обеспечение симметричного подключения фидера с обеих сторон.
4. Несимметричная антенна, несимметричный фидер (одна из наиболее распространенных комбинаций и наиболее уязвимая, здесь не спасают симметрирующие устройства типа V-BALUN):
- C-BALUN в функции линейного изолятора в точке подключения фидера к антенне (обеспечивает lc=0 в этой точке - мера здесь необходимая, но чаще всего недостаточная);
- четвертьволновые противовесы, стаканы на оплетке кабеля, запирающие дроссели, петли и бухты из кабеля;
- дробление наружной поверхности оплетки фидера по ВЧ (серия ВЧ линейных изоляторов LI в возможных пучностях тока через l/4);
- поглотители синфазной волны тока (ферритовые кольца);
- подбор нерезонансной длины фидера.
Несколько примеров характеристик антенны GP даны на рис.14:
Puc.14
а - без подавления АЭФ, резонансная длина;
б - эффект подбора нерезонансной длины кабеля;
в - C-BALUN при резонансной длине;
г - C-BALUN плюс LI;
д - C-BALUN плюс два LI (сравните с рис. 4 без АЭФ).
Заземление может значительно ослабить АЭФ, однако не всегда, а только при условии перехода при этом к нерезонансной длине линии фидер+провод заземления. Если же у вас при отсутствии заземления кабель уже имеет нерезонансную длину (что само по себе еще не обеспечивает отсутствия АЭФ), то при наличии заземления эффективная длина линии фидера и заземления может стать ближе к резонансной. Более того, в тех случаях, когда до земли далеко или заземляющий провод используется для другого оборудования, целесообразно вообще отказаться от заземления по ВЧ,сохранив только защитное заземление (для защиты от последствий коротких замыканий и статического электричества). Простейшее средство для хорошей отвязки по ВЧ от питающей сети и заземляющей линии - фильтр-дроссель на ферритовом кольце из параллельных проводов сети и заземления (рис.15).
Puc.15
На рис. 16 приведена общая схема подавления АЭФ рассмотренными выше техническими средствами.
Puc.16
Перечислим общие направления борьбы с АЭФ:
- предвидеть и устранять возможность АЭФ на этапе планирования;
- предпринимать разумный максимум мер предупреждения его появления;
- хорошее подавление АЭФ обеспечивается комбинированным использованием нескольких перечисленных выше мер;
- после установки АС проконтролировать наличие АЭФ и при необходимости ослабить с помощью доступных средств;
- производить постоянный или периодический контроль АЭФ в процессе работы;
- абсолютно необходимо подавлять АЭФ из соображений безопасности при мощности передатчика более 100Вт.
ЛИТЕРАТУРА
3. Hu Shudao. The balun family. - Microwave Journal, 1987, September, p.227-229.
4. Belrose J., VE2CV. Transforming the balun.-QST, 1991, June, p. 30-33.
5. Бекетов В., Харченко К. Измерения и испытания при конструировании и регулировке радиолюбительских антенн.- М.: Связь, 1971.
6. Захаров В. Согласующие устройства на ферритовых магнитопроводах. - Радио, 1987, № б, с. 26-29.
Радио 1-2001, с.64-66.