Простой, но весьма удобный способ согласования антенны с произвольным входным импедансом.

Согласование последовательной линией с дополнительной реактивностью
(S-согласование)

Теория

Согласование последовательным реактивным элементом (проще говоря, конденсатором или катушкой) в антеннах очень удобно. Прежде всего, потому, что прощает изрядные промахи в изготовлении антенны: активная часть входного импеданса R меняется от частоты слабо,  а промашку в  реактивной части jX легко выбрать подстройкой последовательного реактивного элемента, компенсирующего это jX. Причем подстройка последовательной реактивности почти не влияет на R.  В отличие  от согласования параллельным реактивным элементом, где мало того, что от антенны надо получить строго определенные значения R и jX (иначе согласование не выйдет), так еще и подстройка согласующего элемента влияет одновременно и на jX, и на R. Это очень непрактично.

Поэтому согласование последовательным элементом (например, физически удлиненный вертикал 0,27...0,28l с последовательным конденсатором в точке питания) используется гораздо чаще, чем согласование параллельным элементом (например, hairpin-индуктивной шпилькой  или омега-согласование параллельным конденсатором).

Но согласование одним последовательным реактивным элементом требует, чтобы антенна имела бы Rа = 50 Ом.  Под такое Rа антенну и проектируют, а получившееся при этом jXа убирают последовательной реактивностью. Классический пример такой антенны – уже упоминавшийся удлиненный GP с высотой 0,27 ...0,28l.

 Однако получить Rа= 50 Ом удается не всегда. В таких случаях традиционное согласование последовательной реактивностью невозможно.  Значит, придется делать нетрадиционное.

 

Пусть мы имеем антенну с произвольными  jXа  и Rа. И не можем по каким-то причинам изменять их геометрией антенны.  Поэтому, перед тем как применять последовательную реактивность, надо чем-то трансформировать имеющееся Rа (какое вышло) в 50 Ом. А если при этом внесется или изменится реактивность, то нам это безразлично. Ведь последовательно включенные конденсатор или катушка скомпенсируют любую вменяемую jX.

Так, а что у нас R трансформирует? Правильно: длинная линия. В линии с волновым сопротивлением W активная часть импеданса меняется от W/КСВ до W∙КСВ (подробнее см. тут). Так что, если КСВ не равен 1 (а он не и равен, раз требуется согласование), то двигаясь вдоль линии можно найти точку, где  R= 50 Ом.  Разорвав в этой точке линию, и включив последовательные катушку там катушку или конденсатор, для компенсации, получившегося в этой точке jX, мы получим точное согласование.

Назовем описанный принцип S-согласованием (от англ. Serial – последовательный).

Точек, где активная часть сопротивления линии становится равной 50 Ом на длине линии l/2  будет как минимум две. И, естественно, такие точки, как и все процессы в линии, повторяются через каждые полволны. Конкретная точка (т.е. длина линии от антенны до места установки компенсирующей последовательной реактивности) выбирается из следующих соображений:

  1. Линия на этом участке не согласована. Поэтому, чем она короче, тем выше КПД СУ. 
  2. Конденсаторы имеют меньшие габариты и потери, чем катушка. Поэтому предпочтительнее иметь положительную jX на выходе линии. Для ее компенсации как раз требуется конденсатор.
  3. Место установки СУ. Иногда приходится удлинять линию, чтобы был удобный доступ  для подстройки  последовательной реактивности.

Расчет

Описанное согласование автоматически считает GAL-ANA в окне Tools > S-match) или APAK-EL  (в ручном режиме).  Все дальнейшие примеры будут на основе окна S-match (просто удобнее). Но аналогичные расчеты (хотя и сложнее и с меньшим числом выходных данных) можно сделать и в APAK-EL.

Разберемся  в 2S согласованием на примерах разных импедансов согласуемой антенны.

 

1. Za = 20 + j20 Ом, F = 14,15 МГц

Вводим эти данные в поля Load, и получаем результат:

 Последовательный кусок кабеля RG213 (50 Ом) длиной 1,35 м трансформирует  импеданс антенны в   Zin = 49,9 + j56,4 Ом.  Последовательный конденсатор с jX = – 56,4 Ом (что на частоте 14,15 МГц составит 199 пФ)  оставляет чистые 50 Ом. Обратите внимание: окно  знает, что у конденсатора 199 пФ с добротностью 500 будет 0,1 Ом последовательного активного сопротивления. Поэтому длина линии выбрана так, чтобы ее R было бы на 0,1 Ом меньше 50 Ом, т.е. 49,9 Ом.

Конденсатор при киловатте входной мощности   должен выдерживать 252 V амплитуд и 1,13 кВАр реактивной мощности (строка под рисунком выводит Напряжение, ток и комплексную мощность на реактивном элементе).

КПД (поле Efficiency в группе Load) согласования высокий, 98,6%.

Для анализа частотных свойств получившейся схемы можно изучить файл модели, открываемой RFSim99. Полоса согласования по уровню КСВ < 1,1 составляет 1 МГц. Небольшое отличие этой модели от расчета, связано с тем, что RFSim99 работает с идеальными линиями. Наш расчет учитывает потери в линиях и потому более точен.

  

2. Za = 35 – j50 Ом, F = 7,05 МГц

Отрезок кабеля RG213 (50 Ом) длиной 8,73 м трансформирует наше Za в Zin = 49,9 + j58,4 Ом.  Последовательный конденсатор с jX = – 58,4 Ом (на частоте 7,05 МГц этот 387 пФ)  оставит чистые 50 Ом.

КПД нашего СУ (т.е. отрезка линии с повышенным КСВ между антенной и конденсатором) и составляет 92,8%.

 

3. Za = 150 + j50 Ом, F = 21,2 МГц

Отрезок кабеля RG213  длиной 0,9 м дает Zin = 49,7 – j64,4 Ом (только 49,7 Ом потому что в последовательное сопротивление катушки  с добротностью 200 и требуемой индуктивностью будет 0,3 Ом).  Последовательная катушка с jX = – 64,4 Ом (что на частоте 21,2 МГц составит 0,48 мкГн) сделает активные 50 Ом. КПД 99,1%.

 

4. Za = 150 + j0 Ом, F = 3,65 МГц

Если приведенные выше примеры были скорее теоретическими, то это уже чистая практика. Наклонный треугольник диапазона 80 м, имеет на резонансе  140 ... 160 Ом.  Применяемый обычно для согласования этой антенны  l/4 трансформатор из кабеля 75 Ом дает неточное согласование.

Исправим ситуацию. Сначала с тем же 75-ти омным кабелем.


Кабель RG11 (75 Ом) длиной 8,41 м трансформирует  импеданс антенны в  49,8 – j34,8 Ом.  Последовательная катушка с jX =  34,8 Ом (на 3,65 МГц это 1,52 мкГн)  даст  R = 50 Ом. КПД 97,3%.


Если с катушкой связываться не хочется, то кусок того же кабеля длиной 18,52 м даст   Zin = 49,9 + j30,6 Ом.  Последовательный конденсатор с jX = – 30,6 Ом (что на частоте 3,65 МГц составит 1,42 рФ)  оставляет чистые 50 Ом.  Правда из-за более длинного кабеля  КПД снижается до поменьше, 92,1%.

Но лучшие результаты (минимальную длину и максимальный КПД) в данном случае даст RG213. Его отрезок длиной 4,56 м трансформирует  импеданс антенны в   49,7 – j57,,6 Ом.  Последовательная катушка с jX =  57,6 Ом (на 3,65 МГц это 2,51 мкГн)  даст  R = 50 Ом. КПД  возрастает до 98,8%. Несмотря на то, что индуктивность катушки наибольшая. Фокус здесь в том, что кабель работающий с повышенным КСВ имеет потери сравнимые с катушкой, поэтому более важно оказывается уменьшить его длину. 

 

5. Za = 25 + j0 Ом, F = 10,1 МГц

Тоже практика. Резонансный l/4  GP. Обычное согласование его не слишком удобно. В нашем же случае последовательный кусок кабеля RG213 (50 Ом) длиной 2,94 м трансформирует  импеданс антенны в   Zin = 49,9 + j34,4 Ом. Последовательный конденсатор с jX = – 34,4 Ом (что на частоте 10,1 МГц составит 457 пФ)  оставляет чистые 50 Ом.  Т.к. отрезок кабеля короткий, то получается высокий КПД = 99%.

6. Za = 12 + j0 Ом, F = 21,15 МГц

Согласование антенны Уда-Яги с высоким усилением. Отрезок кабеля RG213 (50 Ом) длиной 1,65 м трансформирует  12 Ом антенны в   Zin = 49,8 + j75,7 Ом. Последовательный конденсатор с jX = – 75,7 Ом (что на частоте 21,15 МГц составит 99,4 пФ)  оставляет чистые 50 Ом.  Несмотря на высокий КСВ в отрезке кабеля (выше 4) общий КПД получается довольно высоким 96,8%.

7. Za = 28 + j0 Ом, F = 144,5 МГц

Тоже Уда-Яги, спроектированная под 28 Ом.  Обычно такие согласовывают l/4 отрезком линии 37,5 Ом, состоящей из двух параллельно включенных 75-ти омных кабелей.

В нашем случае отрезок кабеля RG213 (50 Ом) длиной 0,2 м трансформирует  28 Ом антенны в  Zin = 49,8 + 29,2 Ом. Последовательный конденсатор с jX = – 29,2 Ом (что на частоте 144,5 МГц составит 37,8 пФ)  даст чистые 50 Ом.  КПД очень высок, 99,4%.

8. Za = 4500 + j0 Ом, F = 3,65 МГц 

Тот же самый случай нагрузки и частоты, что был рассмотрена вот второй части статьи "Согласование двумя последовательно-параллельно включенными линиями". И в той статье отмечалось, что использовать кабель RG213  неразумно: КПД всего 39,9%, а RG58 и вовсе нельзя – КПД 21%. Но это было при согласовании последовательно-параллельными линиями.

А вот как выглядит ситуация с той же нагрузкой при S-согласовании.

Отрезок кабеля RG213 (50 Ом) длиной 0,93 м трансформирует  4,5 кОм антенны в  Zin = 47,7 - J458 Ом (из-за очень высокого КСВ нагрузки импеданс меняется очень резко вдоль кабеля). Последовательная катушка с добротностью 200 и индуктивностью 20 uH  даст чистые 50 Ом.

Самое удивительное получается с КПД. Несмотря на КСВ нагрузки равный 90, КПД всего СУ достигает 95,3% (сравните с 39,9% на той же нагрузке и с тем же кабелем у согласования последовательно-параллельными линиями).

Более того, при использовании совсем тонкого RG58 у S-согласования тоже получается хорошим 95,2% (а не 21 % на той же нагрузке и с тем же кабелем у согласования последовательно-параллельными линиями):

Причина столь высокого КПД: малая длина отрезков кабеля в S-согласовании. На отрезках длиной менее метра просто не успевает потеряться сколь-нибудь заметной мощности.

Таким образом, S-согласование по КПД в большинстве случаев оказывается одним из лучших вариантов, даже при очень высоких КСВ нагрузки.

Конструкция

Если для согласования и снижения применяется один кабель (а так, чаще всего и бывает), то конструкция такова:

  1. Коробка с герметичными вводами (например, электротехническая, для наружной проводки) надевается на кабель.
  2. Внутри коробки аккуратно вскрывается внешняя изоляция кабеля. 
  3. Оплетка без разрушения сдвигается в сторону,  а центральная жила  вынимается и разрезается. 
  4. Между ее концами впаиваются  конденсатор или катушка.

Если для согласования и снижения используется разный кабель  (редко, но бывает, см. 4-й пример), отличие лишь в том что для  в коробку вводятся два кабеля: согласования и снижения, оплетки кабелей сращиваются непосредственно, а между центральными жилами впаиваются  конденсатор или катушка.

Дополнительным удобством является то, что настройка СУ (т.е. возможная подстройка конденсатора или катушки по минимуму КСВ) производится не в точке питания антенны, а несколькими метрами ниже. Имея в виду обычную труднодоступность точки питания (высоко на мачте, или далеко от стены между домами) эта особенность может быть весьма полезной. 

Более того, рассчитывая длину кабеля, ее имеет смысл выбрать такой, чтобы физически конденсатор (или катушка) СУ оказались бы в легкодоступном месте. Конечно, это несколько снизит КПД, но за все надо платить.

Заключение

S-согласование может быть с успехом применено в большинстве случаев. Простая конструкция, малые затраты, удобство настройки и низкая критичность к  разбросу  импеданса антенны делают S-согласование  весьма привлекательным. 

На мой взгляд, раньше такое согласование не применялось лишь потому, что расчет его весьма сложен.  Требовалась  кропотливая ручная работа по анализу импеданса вдоль линии (ее облегчает APAK-EL). А в автоматическом режиме прямой расчет (взять формулы, подставить в них исходные данные и получить результат) для компонентов с потерями невозможен. Требуются непростые  рекурсивные вычисления. И окно  S-match их делает. Пусть вас не обманет скорость его работы (результаты появляются практически мгновенно).  На самом деле программа проходит десятки... сотни сходящихся кругов вычислений.

 Но дело того стоит: расчет данного согласования окном  S-match для пользователя предельно прост. Нужно лишь ввести импеданс нагрузки, частоту (и даже этого можно не делать  если вы пришли в это окно после расчета антенны: требуемые величины будут подставлены автоматически), выбрать желаемую линию и сразу получить два варианта ответа.



На главную - Main page