Рис. 1.
Возьмем простейший симметрирующий трансформатор, с соотношением обмоток 1:1, который из несимметричного сопротивления R1 он делает такое же, но симметричное:
Как оценить степень симметрирования такого трансформатора? Для этого его включают не дифференциально (как показано на рис. 1), а синфазно:
И определяют коэффициент ослабления синфазной составляющей (т.е. степень симметрирования), как отношение, того, что покажет измеритель сопротивления (модуля импеданса) в синфазной схеме к R1 (сопротивлению в дифференциальной схеме).
*Конечно, более точно не делить, а считать с учетом угла измеренного импеданса, т.е. его реактивности. Но для приближенной оценки можно и просто поделить.
А теперь вернемся к нашим антеннам. Очевидно, что если к симметричной антенне подключить несимметричный коаксиальный кабель, то часть тока антенны затечет на внешнюю сторону оплетки питающего коаксиала. Это называется антенным эффектом фидера (АЭФ). Столь же очевидно, что этот эффект не будет одинаков у различных типов антенн.
Как можно увидеть антенный эффект фидера на модели? Нарисовав провод, длиной λ/4, подключенный к одной из входных клемм симметричной антенны, имитирующий внешнюю сторону оплетки питающего коаксиала.
Почему мы дорисовываем провод длиной именно λ/4? Потому что это самая неудачная длина (при условии изоляции по ВЧ нижнего края) при которой на оплетку затекает максимально возможный ток. Ведь что входное сопротивление λ/4 отрезка очень низкое (около 20 Ом).
Например, λ/2 диполь с дорисованным проводом λ/4 выглядит так:
Отчетливо виден ток, затекающий с антенны на оплетку.
Модель, приведенная на предыдущем рисунке подходит для того, чтобы увидеть АЭФ. Но она неудобна для анализа, т.к. в этой модели текут и дифференциальные токи излучения основной антенны. Поэтому на распределении токов мы видим сумму дифференциальных и синфазных токов.
Чтобы увидеть только токи асимметрии, применим тот же прием, который используется для испытания симметрирующих трансформаторов и показан на втором рисунке в этой статье: соединим вместе в одну точку выходы симметричного устройства (в данном случае антенны) и измерим импеданс между этой точкой и землей. Но поскольку в антеннах земли у нас нет, то вместо нее используем ВЧ-землю, т.е. тот же самый провод λ/4 провод, который изображает у нас внешнюю сторону оплетки питающего коаксиала. А для измерения импеданса включим источник. То есть включим дифференциальную (симметричную) антенну в синфазном (несимметричном) варианте.
Чтобы оценить подавление синфазной составляющей, поделим полученный синфазный импеданс на входное сопротивление исходной антенны в нормальном (дифференциальном) включении.
Для полуволнового диполя получим модель, показанную на следующем рисунке:
В этой модели соединены вместе половинки симметричной антенны, а источник включен в начало λ/4 провода, имитирующего оплетку. Кроме того, этот провод пущен вертикально вверх (в свободном пространстве нет разницы, а нам потом это пригодится).
Обратите внимание, что токи (а, следовательно и ДН) в предыдущей модели не имеют отношения к излучению самой антенны, а только к излучению фидера, т.е. к его антенному эффекту.
Но посмотрим на то, ради чего мы эту модель делали. На входной импеданс:
И видим, что он низкий (несколько десятков ом) в широкой полосе. Разделив его (см. начало статьи) в уме на 73 Ом (примерное входное сопротивление λ/2 диполя в нормальном включении) получим величину не сильно отличающуюся от 1. Значит, способность ослаблять ток оплетки у нашего полуволнового диполя равна плавучести топора, т.е. никакая. О чём, впрочем, давно и хорошо известно и без наших упражнений.
Но мы пойдем дальше. Посмотри еще раз на рис. 4. Но уже как на антенну. И увидим λ/4 вертикал (оплетку) с парой λ/4 противовесов (половинки диполя). Получается, что для тока асимметрии симметричная антенна представляет собой пару противовесов (с закороченной штатной точкой питания).
В самом деле: раз ВЧ-ток затекает на оплетку, то у него есть источник (в реальности его нет, это всего лишь разница токов, втекающих в половинки антенны, но тут для анализа мы описываем ее как отдельный источник), подключенный к началу (к точке присоединения к антенне) этой оплетки. Но у источника обязано быть что-то, к чему подключен его второй вывод. Этим "чем-то" и является собственно антенна. Но не в привычном включении, а как на рис.2: ее оба входа соединены вместе и подключены к нашему источнику тока асимметрии. Т.е. подключены как два противовеса.
Как повысить входное сопротивление такой системы (читай, уменьшить паразитный ток оплетки)? Есть два пути:
Первый: увеличивать входное сопротивление внешней стороны оплетки. Например, изменив ее длину до полуволны. Или вставив в её начало развязывающий дроссель, который повысит импеданс. Эти методы используются на практике. Но сейчас мы сознательно берем наихудший случай: оплетка длиной λ/4 с минимальным входным сопротивлением.
Второй: вспомнить, что антенна состоит из двух половин. И попробовать увеличить импеданс второй половины: противовесов (т.е. исходной основной антенны, включенной как противовесы). Эффект по уменьшению тока будет точно такой же, как и в первом случае. Ведь ток течет насквозь из противовесов (антенна в синфазном включении) в оплетку. И неважно в каком именно месте его пути мы ставим большой импеданс.
Очевидный шаг по второму пути – сделать противовесы длиной не λ/4, а λ/2, т.е. в качестве исходной антенны взять на полуволновой, а волновой диполь (2 противовеса по λ/2 в линию). Входное сопротивление таких противовесов будет очень высоким и, соответственно, затекание тока на оплетку маленьким.
Берем модель с волновым диполем и смотрим импеданс:
Видим то, что и ожидали: на рабочей частоте сопротивление получается большим (противовесы длиной полволны на своем резонансе дали высокий импеданс), несколько килоом. Значит ток асимметрии фидера маленький? Да. Но, увы, и дифференциальный входной ток волнового диполя тоже мал. Иначе говоря, его дифференциальное (обычное) входное сопротивление велико, те же несколько килоом. И разделив данные с графика рис. 6 на эти несколько килоом снова (как и в полуволновом диполе) получаем, что ослабление синфазной составляющей около 1, т.е. никакое.
Значит выхода нет и ослабить синфазный ток конфигурацией антенны нельзя? Не совсем так. Попробуем сохранить высокий импеданс в синфазном включении и одновременно получить низкое сопротивление в дифференциальном. Тогда их отношение будет больше 1, т.е. будет иметься ослабление АЭФ.
Для сохранения высокого резонансного импеданса в синфазном включении общая длина антенны должна остаться λ (все те же два противовеса по λ/2). Противовесы из такой антенны будут плохими, высокоомными, что нам и требуется.
А какая симметричная антенна с общей длиной λ в нормальном (дифференциальном) включении имеет низкое входное сопротивление? Ответ очевиден: рамка с периметром λ. Её входное сопротивление около 120 Ом.
По уже известной методике делаем модель синфазного включения квадратной волновой рамки с оплеткой питающего кабеля длиной λ/4:
Видим, что противовесы из рамки плохие, высокоомные: в вертикал почти ничего не затекает. Смотрим на получившийся в синфазном включении импеданс. Он высокий, на резонансе достигает 1700 Ом:
А теперь посмотрим на импеданс той же самой системы, но в нормальном, дифференциальном включении, т.е. просто рамочной антенны:
Графики рис. 9 идут существенно ниже графиков рис. 8. Их отношение дает коэффициент ослабления синфазной составляющей квадратной рамочной антенной с периметром 1λ.
Получается, что в полосе примерно 1 МГц модуль импеданса в синфазном включении в 10 раз (а на центральной частоте в 15 раз) выше дифференциального входного сопротивления рамки. Поэтому для тока дифференциальный путь оказывается вдесятеро более легким, чем синфазный. Иначе говоря, просто за счет конфигурации антенны квадратная рамка подавляет АЭФ более чем на 20 дБ.
Это то, что раньше не очень корректно называлось "самосимметрированием рамочных антенн" (насколько мне известно, это свойство волновой рамки первым обнаружил Н. Кудрявченко, UR0GT). Теперь, разобравшись с физикой дела и имея описанную выше методику анализа, мне кажется, что правильнее будет сказать "рамочная антенна как резонансный фильтр-пробка (трап) для синфазного тока".
Ведь механизм подавления синфазного тока в рамке получается точно таким же, как если бы мы в начало (у антенны) внешней стороны оплетки включили бы параллельный резонансный LC-контур (трап) и он бы на своем резонансе высоким импедансом преградил бы путь синфазному току. Разница волновой рамки с вышеописанным случаем лишь в том, что вместо сосредоточенного LC трапа используются резонансные полуволновые линии (половинки антенны). Это разница в реализации. Но не в принципе.
Тонкости описанного выше явления и влияние формы рамок будут описаны во второй части статьи.
07.01.2014