Питание заземленного GP

Чисто теоретическая статья о способе согласования заземленного четвертьволнового вертикала.

 

Для того, чтобы запитать заземленный вертикал (например, уже стоящую мачту) надо использовать шунтовые способы согласования. Т.е. источник мы подключаем через довольно длинный шунт. Так, чтобы на высоте подключения шунта к нашему заземленному вертикалу, импеданс последнего относительно земли был бы уже довольно ощутимым и не сажал бы собой на землю подключенный источник.

Именно так работают гамма- и омега-согласования. Для питания заземленного вертикала они хороши всем, кроме того, что шунт требуется довольно длинный. От ~5%λ для омега-согласования и от ~10%λ для гамма-согласования (цифры приблизительны, т.к. зависят от высоты вертикала и требуемой полосы).

 

Попробуем решить задачу создания ощутимого импеданса на заземленном отрезке без существенного увеличения высоты последнего.

В качестве первого шага возьмем самый простой и незаземленный вертикал диапазона 14 MHz высотой около 5 м. На идеальной земле получим, что его Ra ~ 33 Ом.

Вторым шагом согласуем это вертикал на 50 Ом малораспространенным способом подключения индуктивности параллельно источнику. Для этого способа вертикал пришлось слегка укоротить, чтобы в его импедансе появилась бы отрицательная реактивность (именно она вместе с параллельно подключенной катушкой образует параллельный LC-контур, повышающий R до 50 Ом):

И теперь нам остался последний шаг: из куска трубки длиной 40 см и диаметром 8 мм сделать индуктивность 1,6 uH. Просто погонная индуктивность столь короткой трубы в несколько раз меньше. Как её повысить, не разрывая трубку?

Для этого вспомним график реактивного сопротивления обычного LC- контура от частоты JX(f). При подходе снизу к частоте резонанса этот график этот график резко прыгает вверх. Следовательно, контур на этих частотах ведет себя как эквивалентная индуктивность, много большая чем индуктивность катушки контура. То есть параллельный LC-контур на частотах несколько ниже резонансной увеличивает индуктивность во много раз. Что нам и требуется.

Подключим параллельно нашей 40-ка сантиметровой трубке конденсатор. И настроим его так, чтобы контур, образуемый им и малой индуктивностью этой трубки дал бы нужную эквивалентную индуктивность:

Итак мы получили, что параллельный конденсатор 365 pF поднимает физическую индуктивность трубки 0,35 uH до эквивалентных 1,6 uH. Это обеспечивает питание и согласование заземленного вертикала при высоте шунта всего 2%λ.

Совсем упрощенно (даже я бы сказал, чрезмерно упрощенно, т.к. реальная физика дела сложнее) понять это согласование можно так: из маленького начального кусочка заземленной трубы, при помощи подключенного к ней параллельного конденсатора мы делаем трап, который на своем резонансе эквивалентен изолятору. А питание мы подключаем обычно: выше изолятора (трапа в данном случае).

 

Поскольку ток по всему LC контуру (нижнему отрезку трубы и шунту, в котором включен настроечный конденсатор) почти одинаков, то конденсатор удобнее включить не в средний, а в нижний провод шунта.

  Достоинства такого согласования:

  1. Короткий шунт ~2%λ (см. ниже замечания о настройке), дающий разумные размеры даже на НЧ диапазонах.

  2. Один конденсатор.

  3. Прямое заземление питающего кабеля по низкой частоте.

  4. Уменьшенная (~0,22λ, см ниже замечания о настройке) высота вертикала.

Недостатки такого согласования:
  1. Меньшая полоса. Это понятно: включение трапов в антенну всегда сужает полосу. Но полоса расширяется по мере роста высоты шунта.

  2. Большая реактивная мощность в конденсаторе. Например, при передатчике в 100 Вт на конденсаторе будет около 310 В при реактивном токе в 10 А, т.е. 3,1 кВАр. Поэтому конденсатор должен быть воздушным и иметь хороший токосъем.

    Из-за большой добротности контура и токов в нём возрастают потери. Немного, на несколько десятых dB, но возрастают.

  3. Необходимость точной высоты вертикала. В отличие от омега согласования, тут вертикал должен быть строго определенной высоты. Его реактивность - часть согласующего устройства. По той же причине критичны диаметры вертикала и шунта с конденсатором.

 

Настройка на моделях делается оптимизацией по критерию КСВ, меняя высоту вертикала (провод 6 Z2 в приведенных моделях) и емкость конденсатора. Такая настройка нужна при любом изменении в модели, включая диаметры. Если получается слишком малая полоса – надо увеличивать высоту шунта.

 

Описанный выше способ согласования заземленного вертикала, конечно, не является панацеей, недостатков у него хватает. Тем не менее, на мой взгляд возможны ситуации, когда применение этого способа будет разумным выходом.



Bonn, 19.05.2014

На главную - Main page