Мини-лекции. Антенны. Линии питания

   Любая радиотехническая установка содержит в своём составе антенну. Антенну, как для передачи, так и приёма, а иногда и для того и другого. Как правило, в мобильных устройствах: радиостанциях, радиотелефонах, мобильниках и пр. антенна непосредственно входит в состав аппаратов. Зачастую её присутствие визуально даже и не обнаруживается. В остальных случаях антенна и приёмно-передающие устройства связаны с антенной линией питания. Её (линию) называют по-разному, и линией питания, и фидерной линией (фидером), и длинной линией. Линией питания и фидером, для обывателя и эксплуатационников, не особо вникающих в истинную суть этих линий. Для нас же, она (линия) в первую очередь, ДЛИННАЯ ЛИНИЯ! Да в обзорной мини-лекции мы несколько поверхностно познакомились с этой очень длинной, а вот теперь...

   Самой простой как устройством, так и для понимания это воздушная линия из двух проводников рис.1, так называемая двухпроводная линия. Да, Вы видели где-то столбы с проводами, домашние сетевые шнуры. Да, всё это в общем виде тоже можно считать длинными линиями, но? Но всё это несколько несерьёзно и всё потому-как они имеют нестабильные параметры и зачастую не предназначены для работы на высоких частотах. Это и нестабильность параметров и слишком большие потери.

   Если отбросить на время все потери, те как бы заложенные в процессе изготовления либо природных факторов, то? То, для наших рассуждений основным параметром будет волновое сопротивление линии. Оно как обычно есть отношение напряжения к току. Имеется в виду напряжения высокочастотного. На рис.4a волновое сопротивление Z и её зависимость от отношения D к d. Кроме того зависимость от относительной диэлектрической проницаемости среды, эпсилон. Если диэлектрик воздух, то проницаемость (относительная) равна единице. В остальных случаях больше. Остальные, это двухпроводные кабели где проводники находятся в диэлектрике из материалов с проницаемостью от 2,4 до 3,5 и более. Так, что если Вы хотите что-то рассчитать, то нужно в первую очередь определить диэлектрик и его относительную проницаемость.

   Вторым распространённым типом линий является коаксиальные кабели, знакомые обывателям как телевизионные рис.1а. Но существуют и коаксиалы с воздушным заполнением, применяемые как правило в стационарных условиях. Волновое сопротивление Z для коаксиальных типов линий Вы и видите на рис.4b.

   С типами линий питания антенн мы с Вами как бы разобрались... Так как питать всё-таки антенны? Вот так просто скрутил проволочки и всё?! Ну... Не совсем так. А, как? Питание антенн как правило осуществляют двумя способами. Это по настроенной линии и по согласованной (не настроенной). Начнём с настроенных. Посмотрите на рис.3 и рис.4. На рисунках мы видим распределение напряжений и токов в отрезках длинных линий. На рис.3 полуволнового отрезка, а на рис.4 четвертьволнового. На отрезках линий всегда будут существовать стоячие волны. На вибраторах стоячие и на отрезках стоячие. А, что будет если их состыковать с вибраторами? Наши отрезки будут некими передатчиками как напряжений и токов, так и сопротивлений. Полуволновые будут передавать один в один всё это, а четвертьволновые шиворот-навыворот. Если левые контакты четвертьволнового отрезка подключить к вибратору с высоким сопротивлением, то на правом конце отрезка оно будет меньше. В данном случае происходит так называемая трансформация сопротивлений.

   Как пример на рис.2 и 2а применение настроенной линии длиной в полволны и волны. Как видите трансформации сопротивлений не произошло. На рис.5 же посредством четвертьволнового отрезка (трансформатора) произошла трансформация сопротивлений. На рис.5 с низкого на высокое, а на рис.5а наоборот. Более подробно рассмотрим на следующей мини-лекции. Получается, что линия кратная полволны является настроенной и передающей сопротивление антенны в масштабе 1:1! Линия кратная нечётному числу четвети волны является настроенной и плюс ко всему трансформатором.

   Поговорим однако о согласованной линии питания антенн. Что мы имеем в виду говоря о согласованности? Есть железное правило! Если Вы хотите передать энергию без потерь или хотя бы с минимальными потерями, то должно выполняться правило рис.7а, формула пурпурного цвета. Где: Ri - внутреннее сопротивление генератора, Z - волновое сопротивление линии передачи и Rн - сопротивление нагрузки, для нас это входное сопротивление антенны. А если не будет согласования, что тогда? Вот на рис.6a схема этого самого согласования, точнее условие его. На рис.6b идеальное согласование, по всей длине линии напряжение одинаковое. Конечно не считая постепенного уменьшения за счёт потерь в проводах и диэлектриках. Рис.6с,d последовательно, напряжение на разомкнутой линии и наоборот короткое замыкание на конце линии. Иначе, в первом случае сопротивление нагрузке равно бесконечности либо, во втором случае, нулю! В любом случае имеет место быть чисто, режим стоячих волн. Да, если это не настроенная линия. На рис.6g,f соответственно сопротивление нагрузки меньше Z и больше Z. Режим в данном случае смешанный. По большому счёту самый реальный. Чем он меньше похож на смешанный тем лучше. И тем лучше согласование! А всегда ли сопротивление антенны равно сопротивлению линии? Конечно же не всегда. И, что с этим делать? Правильно применять согласующие устройства. Но об этом поговорим в следующей мини-лекции.

   И под занавес... На рис.7,8 длинные отрезки линий с режимом стоячих волн. На рис.7 разомкнутая на конце и рис.8 замкнутая. Если быстро глянуть, то как бы картинки одинаковые?! Но не совсем! И вообще, что это? Возвратитесь к рис.1b это представление длинных линий в виде вот таких цепочек LC. Так ещё набор индуктивностей и ёмкостей. И стало быть есть вероятность, что всё это случайным (и не очень) образом будет вести себя как колебательная система. А в зависимости расстояния от конца линии и влево (к генератору) измеренное сопротивление линии будет иметь, то индуктивный характер, то ёмкостный?! А иногда и чисто омический, активный. Проедемся от конца линии рис.7 влево. На конце линии сопротивление чисто ёмкостное и очень большое (жёлтый цвет)!

   По мере продвижения влево сопротивление уменьшается до нуля точка R. Считается, что здесь последовательный резонанс. На рис.7а два колебательных контура: слева последовательный, справа параллельный. При резонансе последовательный контур имеет чисто активное сопротивление и очень маленькое. Параллельный же наоборот очень высокое. В эпоху ламповых радиоприёмников их соответственно называли фильтр-дырка и фильтр-пробка. Первый закорачивал резонансную частоту, а второй не пропускал! Вот линия в точках R ведёт себя как последовательный контур, а в точках P параллельный! А, вне резонанса сопротивление будет возрастать-убывать и переходить с ёмкостного, ниже горизонтальной оси на индуктивное выше оси. Условно подкрашено в зелёный цвет. Сами сектора лишь для лучшего восприятия. Главное, сами графики сопротивлений.

   А к чему это я?! А к тому, что это такое хитрое свойство позволяет подбирать нужное сопротивление для согласования естественно! Но об этом потом, в следующий раз.