Мини-лекции. Длинные линии

 
  Уважаемые читатели, Вы знаете что такое: детектор, «деревянная антенна», металлический изолятор? А почему это зеркало зеркальное? Что такое радио FM? Вы слышали про такое как: гармоники, обратная связь, супергетеродин? Из какой «оперы» такие названия как: максимум максиморум, DSB, SSB, ПАЛСЕКАМ? Что чернее чёрного? И почему это кино, которое Вы смотрите по телевидению, короче на 4%? А Вы знаете как подключить два-три телевизора к одной антенне? А почему одни спутники «висят» над землёй, а другие движутся? Если Вы затрудняетесь с ответом или впервые слышите обо всём этом, или Вам просто интересно, то все мои мини-лекции для Вас!

   Все мини-лекции в большей или меньшей степени связаны между собой. И содержание предыдущей лекции так или иначе раскрывает содержание последующей! Насколько возможно, постараюсь Вас не нагружать подробностями. Думаю, что Вы узнаете что-то новое для себя, полезное и посмотрите на всё другими глазами!?

   Фидерные системы, это связывающее звено между передатчиком и антенной. Антенной и приёмником. И как составная часть, — это устройства согласования фидерных линий и антенны. В некоторых случаях же оно может отсутствовать. Что же это за фидерные линии? Это линии передач электромагнитных волн в антенну или обратно (в случае приёма). Фидерные линии хотя и предназначены для одного и того же, но различаются конструктивно. Они могут быть: проволочные, в виде коаксиального кабеля, волновода и волноводов поверхностных волн. Все они должны отвечать обычным требованиям как и всё оборудование и самое главное не иметь антенного эффекта! Так ещё не излучать в пространство или принимать извне (в случае приёма). Конечно Вам уважаемые читатели, встретятся наверняка линии в виде коаксиального кабеля, обычно его называют телевизионным. А остальные? Ну это как повезёт? Если Вы увидите где-нибудь двухпроводную линию с перекладинами в виде лесенки рис.1a и рис.8, то наверняка где-то прячется приличная радиостанция... Если Вы живёте в большом городе или бываете там, то проходя мимо телевизионной вышки можете увидеть как вверх до всяких хитрых антенн идут трубы-волноводы, ещё один вид фидерных устройств.

   На рис.1 показаны основные виды фидерных линий. Да, некоторые похожи на обычные провода. Всё верно и такие могут применяться. Кстати в 50-60 годы обычные провода так и называли фидер. Основной и главный для Вас параметр, это волновое сопротивление линии. Не пытайтесь измерить его с помощью тестера, омметра! Это вовсе не то о чём Вы подумали! На рис.3 показана формула по которой можно определить волновое сопротивление любой линии — Z. Нужно замкнуть два элемента линии, а затем измерить индуктивность (если имеется такая возможность?). Затем разомкнуть и измерить ёмкость (как конденсатор). Разделить индуктивность на ёмкость и извлечь квадратный корень (по формуле рис.3). А если нет такой возможности? Есть таблицы где волновое сопротивление некоторых, типичных линий определятся по формулам исходя из геометрических размеров. Для коаксиального (телевизионного) кабеля формула на рис.3, а рядом чертёж сечения самого кабеля. Параметр обозначенный греческой буквой эпсилон, есть диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между центральным проводником и внешним. В зависимости от диэлектрика, диэлектрическая проницаемость колеблется в пределах [2,2-3,4].

   Почти анекдот из жизни! Подходит как-то ко мне сослуживец, ну чтобы я помог ему с изготовлением телевизионной антенны. Я ему объяснил как изготовить эту самую антенну. И напоследок сказал:«Кроме этого нужен будет кабель с сопротивлением 75 Ом». Через некоторое время он подходит ко мне:«Антенну я сделал, кабель купил, — осталось сопротивление в 75 ом найти!»

   Что означает выражение длинные линии? Длинная линия, это линия передач. А длинная потому как длина её должна быть (чтобы её считать длинной) длиной в несколько длин волны. А расстояние между проводниками менее четверти той же самой длины волны. Для чего это всё нам нужно? А чтобы понять, — что такое хорошо, а что такое плохо!? На рис.2 в разрезе показана ванна наполненная водой. У правого борта некое устройство создающее волны. Волна распространяясь движется влево и в конце пути наталкивается на левый край ванны. Отражается от него и движется в обратную сторону, навстречу основной волне. В дальнейшем волны складываются (интерференционная картина) и в результате мы получаем стоячую волну! Масса воды ритмично поднимается (относительно первоначального уровня) и опускается, не двигаясь ни вправо, ни влево. А теперь самое главное, — амплитуда возросла вдвое, по сравнению с амплитудой движущейся волны. Точки обозначенные зелёным цветом на рис.2, называются узлами (они не совершают колебания). Красным цветом обозначены максимальные значения амплитуд и называются пучностями.

   Для чего нам это нужно знать? Для того чтобы понять что же происходит в длинных линиях (в наших фидерных системах), ведь в них распространяются всё те же волны... Есть возможность измерить в длинной линии распределение напряжения в зависимости от внешних факторов. Что это ещё за факторы? Это сопротивление нагрузки на линию. На рис.4,5,6,7 показаны графики напряжений в длинной линии, а внизу под графиком отрезок линии и сопротивления нагрузки. На рис.4 — сопротивление нагрузки равно бесконечности (реально просто не подключено). Рис.5, — сопротивление равно нулю (короткое замыкание). Рис.6, — сопротивление равно волновому сопротивлению линии (идеальный вариант). Рис.7, — сопротивление меньше волнового сопротивления линии. Как видите распределение напряжения вдоль линии в каждом случае различно. В первых двух случаях режим стоячей волны. Распространяющаяся от передатчика (падающая) волна отражается от неоднородности линии: разомкнутая и короткое замыкание. И как результат, полное отражение, образование стоячей волны. При сопротивлении нагрузки равной волновому, устанавливается режим бегущей волны. На графике напряжение везде одно и тоже (ровная линия). И наконец рис.7, — смешанный режим, частично бегущей волны и частично стоячей. В основном такой режим и будет в реальных линиях! Идеального ничего нет!

   В режиме стоячей волны вся энергия волн будет возвращаться назад, и вместо антенны, обратно в передатчик. А удвоенная амплитуда приведёт к возможности разрушения линии. Чтобы оценить степень «стоячности» линии существует так называемые коэффициенты бегущей и стоячей волны: КБВ рис.3 и КСВ. КСВ обратно пропорционален КБВ. В идеальном случае (режим бегущей волны), КБВ = КСВ = 1. При рассогласовании линии с нагрузкой КБВ меньше единицы, а КСВ больше! На рис.3 Uп — напряжение падающей волны, Uо — отражённой. Посмотрите на рис.5. Если отступить от линии отражения влево, то увидите штриховую красную линию. Эта линия отделяет часть графика от линии отражения, от места короткого замыкания. В этой точке напряжение в линии естественно равно нулю, а уже через четверть волны оно максимально! Значит там сопротивление линии равно бесконечности, а кусочек линии равный четверти волны называется металлический изолятор рис.10. На рис.10а показаны реальные изоляторы, символически характеризующие металлический изолятор. На рис.9 показаны в разрезе часть длинной линии (трубчатый волновод) и металлический изолятор. Вы спросите для чего он там? Он же держит внутренний проводник. Это в кабеле его держит изоляция, а в волноводе такие металлические изоляторы. Так, что металлические изоляторы не какой-то прикол, а реальность! Может возникнуть вопрос:«А почему на столбах такие же изоляторы не поставить? Или вместо?» Вы же уже грамотные! Частота тока в сети 50 герц. Длина волны, — скорость света делённая на частоту... Вот и считайте, чему равна четверть волны!?

   И совсем уже под занавес немного информации которая Вам может пригодится в жизни. Если Вам провели кабельное телевидение или Вы купили антенну и не знаете, что с ней делать? Если Вам приспичило подключить ещё один телевизор или не дай Бог три к одному источнику? Прочтите!

   Взамен старых телевизионных кабелей РК-75 сейчас производят кабели нового поколения рис.11. Они не только имеют лучшие характеристики, особенно на высоких частотах, но и удобство с точки зрения подключения. Раньше чтобы подключить кабель необходимо было его как минимум припаять... Теперь всё гораздо проще рис.14. Это последовательное действие по простому накручивания на кабель соединительной гайки. А далее можно делать что угодно!? Скажем рис.12 показаны гайка и штекер для подключению к телевизору. Гайка и соединительная муфта (втулка, бочонок и тд.) рис.13 и пожалуйста два кабеля прочно соединены, рис.14. Если соединение должно быть временным, но часто использоваться, пожалуйста: гайка, штекер и гайка, гнездо рис.13. В любой момент два кабеля можно соединить и разъединить!

Продолжение темы в следующей мини-лекции «Модуляция»  http://www.proza.ru/2016/03/03/623