3.2.6 Потери в рассогласованной линии

Этот вопрос, вместе с примыкающим к нему вопросом о допустимой величине КСВ, является одним из наиболее запутанных в любительской литературе. Во многих источниках указывается на недопустимо высокие потери при КСВ>3…5. Вместе с тем, во многих антеннах используются l/4 шлейфы и трансформаторы (J-антенна, например), резонансные линии питания, схемы согласования на отрезках длинных линий – КСВ во всех этих устройствах нередко превышает 10! И никаких значительных потерь в них не наблюдается… С другой стороны, почти все из практики знают, что антенна питаемая по длинному кабелю с КСВ=3…5 обычно работает гораздо хуже, чем при КСВ=1, но опять же не всегда….

Давайте разбираться. Не подлежит сомнению, что в рассогласованной линии (с КСВ>1) потери выше чем в согласованной. Причин тому две.

1.Первая - возрастают тепловые потери. Дело в том, что эти потери пропорциональны квадрату тока, и заметное их возрастание на тех участках линии, где ток максимален (см. рис. 3.2.3), не компенсируется небольшим снижением их на участках где ток минимален. Это безвозвратное рассеивание ВЧ мощности в тепло, обычно выражаемое как КПД рассогласованной линии. При небольших (менее 1…2 дБ) потерях в согласованной линии a (тех, о которых шла речь в п. 3.2.3) КПД рассогласованной линии h_линии описывается формулой:

          (3.2.12)

где a - потери (затухание) в дБ этой же линии при КСВ=1 (см. п. 3.2.3).

При помощи этой формулы рассчитана следующая таблица:

Табл. 3.2.8. КПД рассогласованной линии

Очевидно, что не так страшно высокое значение КСВ как его малюют, гораздо более сильное влияние оказывает затухание a . В самом деле, при a =1 дБ (что соответствует коаксиалу весьма хорошего качества, длиной 50 м, на частоте 20 МГц – см. табл. 3.2.7), при КСВ=1 КПД составляет 81,3%. Но такой же КПД имеет двухпроводная линия среднего качества (a =0,2 дБ) при КСВ=10, или двухпроводная линия хорошего качества (a =0,1 дБ) при КСВ=20! Это ответ на вопрос почему, во всякого рода резонансных линиях в составе антенн, работающих с высоким КСВ потери невелики – из-за малого затухания a в них.

2. Существует и вторая причина снижения мощности дошедшей до нагрузки по рассогласованной линии. Возникают так называемые «потери рассогласования». Термин, на мой взгляд, редкостно неудачный и запутывающий суть дела. На самом деле это не безвозвратный уход мощности куда-то «на сторону», а всего лишь показатель того, что передатчик не будучи нагружен на оптимальное для себя сопротивление, не отдает в линию всю ту мощность, на которую он способен. То есть это не потери в линии, а снижение мощности «вкачиваемой» в линию передатчиком. Важно отметить, что оставшаяся часть мощности передатчика никуда не рассеивается! Она просто не потребляется линией, поскольку передатчик не развивает на неоптимальной нагрузке всей своей мощности. Поэтому мы будем называть это явление не «потерями рассогласования», а снижением эффективной мощности передатчика из-за рассогласования с нагрузкой. Хоть и длинно, зато точно.

В чём механизм этого явления? Возьмем передатчик, с выходным сопротивлением Rвых равным волновому сопротивлению используемой линии Z0. Например, транзисторный трансивер без согласующего устройства (СУ или тюнер) с фиксированным выходом 50 Ом, работающий на коаксиальный кабель 50 Ом.

Если линия согласована (КСВ=1), отраженной волны нет, входное сопротивление линии со стороны трансивера 50 Ом, и трансивер «увидев» в нагрузке оптимальные для него 50 Ом отдает всю мощность в линию.

Если же КСВ>1, то отраженная волна, вернувшись от антенны к трансиверу, изменит входное сопротивление линии (как правило, появляется реактивная составляющая). На такое комплексное сопротивление трансивер, предназначенный для работы на 50 Ом, уже не сможет отдать полную мощность. Это хорошо известное положение из теории цепей –генератор с внутренним сопротивлением R, передает в нагрузку максимум мощности, если нагрузка равна R, при любом другом сопротивлении нагрузки мощность в ней снижается. Уровень снижения мощности описывается формулой:

          (3.2.13)

где:

Р_вых – мощность передатчика отдаваемая в линию,

Р_{вых мах} – мощность передатчика, которую он развивает на оптимальном для него сопротивлении (КСВ=1).

Обратите внимание – в формулу 3.2.13 не входят ни длина линии, ни частота (в отличие от 3.2.12, где эти два параметра входят в значение a). Это лишний раз подчеркивает, то обстоятельство, что речь здесь идет не о проблемах в линии передачи. То есть при одинаковой величине КСВ, даже если длина линии всего 1 мм, то выходная мощность передатчика снизится точно также как и при длине линии 100 м. Иными словами, формула 3.2.13 выражает снижение мощности передатчика на неоптимальной нагрузке для него нагрузке, причем величина отклонения импеданса нагрузки от оптимума выражена через КСВ линии.

При помощи этой формулы рассчитана таблица 3.2.9.

Чрезвычайно важно отметить тот факт, что снижение эффективной мощности передатчика из-за рассогласования с нагрузкой происходит только случае, если передатчик не имеет возможности быть настроенным на комплексное сопротивление нагрузки (то есть не имеет на выходе СУ).

Итак, в случае передатчика с фиксированным выходным сопротивлением (например, транзисторный трансивер без тюнера) из максимальной Р_{вых мах} мощности до антенны дойдет мощность:

           (3.2.14)

То есть для линии с потерями a = 1 дБ при КСВ = 3 до антенны дойдет 72,3% х 75% (см. табл. 3.2.7 и 3.2.8) = 54%, а при КСВ = 5 – 62,5% х 55,6 = 34,75%. То есть антенной излучиться в 2…3 раза меньшая мощность, что почти соответствует отключению РА. Вот и ответ на вопрос, почему при КСВ в длинной линии 3…5 настолько ухудшается работа антенны.

Если передатчик имеет на выходе СУ (или подстраиваемый П-контур), способный настроится на комплексное входное сопротивление линии (то есть R_{вых пер} = R_{вх линии}, а jX_{вых пер}= - jX_{вх линии}), то снижение мощности передатчика из-за рассогласования отсутствует, ибо он на входе СУ «видит» чисто активное и оптимальное для себя сопротивление). Однако в этом случае добавляются потери в СУ, КПД которого h>_СУ, в зависимости от качества СУ и импеданса, на который оно настраивается, лежит в пределах 80…95%. В этом случае из максимальной Р_{вых мах} мощности до антенны дойдет мощность:

           (3.2.15)

которая будет заметно выше, чем в предыдущем случае (т.к. h_СУ, выше, чем быстро падающее с ростом КСВ b ). Именно поэтому большинство современных трансиверов имеет встроенный тюнер.

Отметим следующий момент: допустим, мы точно настроили СУ на средней частоте диапазона. КСВ между передатчиком и СУ равен 1, и снижения эффективной мощности передатчика из-за рассогласования с нагрузкой нет. Но как только мы изменим частоту (не трогая настроек СУ), из-за изменившегося входного импеданса антенны, изменится и входное сопротивление линии в точке подключения СУ. Но последнее-то настроено на другое (соответствующее середине диапазона) сопротивление линии! Поэтому после трансформации в СУ с входа передатчика получиться уже не прежние 50 Ом, а что-то иное, и КСВ между передатчиком и СУ станет больше 1. В результате в передатчике возникнет снижение эффективной мощности из-за рассогласования с нагрузкой, а в формуле 3.2.14 - еще один множитель b , который должен быть вычислен по формуле 3.2.13 исходя из значения КСВ между передатчиком и СУ. Чтобы избежать этого, желательно подстраивать СУ при перестройке по диапазону, с тем, чтобы КСВ между передатчиком и СУ не превышал 1,2…1,5.

Так какое же значение КСВ в линии считать допустимым? Из вышесказанного ясно, что и при КСВ=3 до антенны может дойти только половина мощности передатчика, и при КСВ = 20 - более 80%. Представляется, что определять максимально допустимый уровень КСВ надо в каждом конкретном случае, задаваясь отношением N = Р_ант/P_{вых мах}. Мне кажется разумным порогом цифра N = 70% (чуть менее 2 дБ суммарного ослабления), то есть из 100 Вт передатчика в даже в самом худшем случае 70 Вт дойдут до антенны.

Случай 1, передатчик с СУ на выходе. Допустим, что СУ имеет КПД 90% (это хорошее СУ). Тогда, чтобы получить N>70% максимально допустимый уровень КСВ (в зависимости от потерь в согласованной линии a ) составит:

Табл. 3.2.10

Отметим важный момент: кроме наличия СУ необходимо, чтобы его диапазон перестройки по выходному импедансу позволял бы настроиться на данный входной импеданс линии.

Случай 2, передатчик с фиксированным и не подстраиваемым R_вых. Тогда, чтобы получить N>70% максимально допустимый уровень КСВ (в зависимости от ) составит:

Табл. 3.2.11

Таким образом, для того чтобы понять, какой максимальный уровень КСВ допустим в Вашем случае, определитесь сначала с длиной и типом линии передачи. Затем на основании справочных данных или по формулам, приведенным в параграфе 3.2.3, вычислите (или по табл. 3.2.7 оцените) величину потерь a в линии (при конкретной длине и рабочей частоте). И в завершение, по таблицам 3.2.10 или 3.2.11 (в зависимости от наличия СУ) оцените какой максимальный КСВ может иметь Ваша антенна.

В завершении этого параграфа еще раз посмотрим на таблицы 3.2.10 и 3.2.11. Видно, что при не подстраиваемом выходе передатчика (табл. 3.2.11) требования к КСВ намного жестче. Но с другой стороны нет особого смысла бороться за снижение потерь в линии до малых значений – разница между a = 1 дБ и a = 0,1 дБ весьма невелика (максимально допустимый КСВ меняется всего от 1,85 до 3,2).

Использование же СУ между передатчиком и линией (табл. 3.2.10) допускает более высокие предельные значения КСВ, причем быстро растущие до очень высоких значений, при уменьшении потерь в линии. При потерях в линии менее 0,2 дБ (длинные высокоомные двухпроводные линии, или короткие и толстые коаксиальные кабели) вполне возможно работать и с КСВ>10. Мы вспомним это свойство, при рассмотрении многодиапазонных антенн, с резонансным питанием.

На УКВ потери в линии a выше, чем на КВ (реально они крайне редко составляют менее 0,5 дБ), поэтому требования по максимальному значению КСВ для УКВ антенн жестче, чем для КВ.

На главную - Main page