OGÓLNE WYMAGANIA przy STROJENIU ANTENY – fakty czy mity?.
Antena nadawczo-odbiorcza musi spełniać dwie funkcje;
1.! Jako antena nadawcza –spełnia dopasowanie obciążenia do źródła!.
2.!! Jako antena odbiorcza - jest filtrem pasmowym przepuszczającym sygnały pożądane i tłumi pozostałe sygnały.
Każdy amator pracuje w pewnym zakresie częstotliwości, zatem antena winna zapewnić pracę w tym zakresie a więc być przestrajalna.
Koniecznym warunkiem do wypromieniowania przez antenę maksymalnej energii przy danej mocy nadajnika jest dostrojenie tej anteny do rezonansu na danej częstotliwości roboczej wówczas impedancja wejściowa Za *stanowi optymalne obciążenie dla TRX.
Dlatego w celu uzyskania jak najbardziej sprawnie działającego całego układu antenowego należy dostroić antenę do częstotliwości roboczej tj. „dopasować antenę do nadajnika”.
Możemy to uzyskać w pewnych granicach przez użycie przestrajanego obwodu antenowego.
Oznaką ze antena jest dostrojona do żądanej częstotliwości jest maksymalny prądy w antenie( nie- przekraczający możliwości obciążenia źródła).
Dlatego przed przystąpieniem do nawiązania łączności należy dostroić antenę do rezonansu. Zwiększa to wówczas moc wypromieniowaną.
Rys.1
Io = jeśli Za = Ztrx i X=0 stąd Io= to w obwodzie płynie maksymalny prąd a moc wydzielona w obwodzie obciążenia P = i jest maksymalna . Moc wydzielana na oporze Ra w obwodzie prądu zmiennego jest równa p= I (sin t ) Rpr. ( moc wypromieniowana ) a tracona p= I (sin t)Rc. Gdzie RA= Rpr+ Rc
Pod pojęciem dopasowania anteny należy rozumieć całość środków mających na celu zapewnienie maksymalnego przekazania energii z TRX do anteny lub z anteny do TRX-a w roboczym zakresie częstotliwości z zastosowaniem fidera bądź bez niego.
Zatem generator(nadajnik)powinien być obciążony taką impedancją , która zapewni najlepsze dopasowanie, a więc optymalną moc wyjściową.
Wymaganie to może być spełnione poprzez zastosowanie układów zdalnego sterowania geometrycznymi wymiarami anteny lub mechanicznymi przełącznikami elementów dopasowania LC.
Patrz antena ; Antena 'Multibander 6-PL' lub podobne z trapami.
Wielu krótkofalowców stosuje stosunkowo proste anteny bez podstrajania starając się zwiększyć pasmowość anteny przez zwiększenie poprzecznego przekroju promieniujących przewodów, odpowiednią konfigurację lub stosując układy dopasowujące ( stałe elementy LC, nierezonansowe transformatory oporu).Impedancję falowa anteny wyrażona jest wzorem; Zfa= 120 ( ln - 0,57 ) . [d- średnica przewodnika, λ – długość fali ]. Na przykład dipol półfalowy w swobodnej przestrzeni o przekroju D=1mm ma impedancję wejściowa Zw = [73,2+j42.5 ]Ω(oma). Natomiast dipol o przekroju D=5mm i l = 0.475 λrez. ma impedancję wejściową Zw = [67+j0]Ω. Obniżenie oporu falowego anteny sprzyja rozszerzeniu jej pasmowych właściwości w punkcie drugiego rezonansu[2].
Doświadczalne dopracowanie dowolnej anteny polega na szeregu pomiarów(pomiar i określeniu pewnych zależności matematycznych) i odpowiedniej korekcji elementów anteny.
Do pomiarów i oceny nastrojenia anteny możemy użyć; analizatora antenowego, mostka szumu (Noise Bridge),miernika natężenia pola EM, miernika SWR.
Każdy typ anteny ma swoją specyfikę co wpływa na metodykę strojenia anteny zatem trudno jest przedstawić gotową receptę na wszystkie przypadki usytuowania anteny i zależności miedzy zmianą parametrów anteny a zmianą jej rozmiarów geometrycznych. Najlepszym rozwiązaniem jest samodzielne dochodzenie do tych recept, co nie oznacza odrzucenie metodyk opisanych w literaturze i publikacjach.
Sam pomiar współczynnika odbicia SWR stosowny do założonej wielkości nie świadczy jeszcze o uzyskaniu całkowitego dopasowania anteny wraz z fiderem .
Po zestrojeniu anteny przechodzimy do wyboru fidera ( linii zasilającej) do anteny tak aby linia zasilająca nie wnosiła strat.( Straty były jak najmniejsze).Jeśli linia zasilająca nie jest obciążona impedancją równą jej impedancji falowej ( Zf),występuje obok fali bieżącej także fala odbita.
Ceną za uniwersalność anteny będzie strata mocy w porównaniu z tą, która byłaby wypromieniowana lub odebrana oraz wzrost poziomu zakłóceń.
W warunkach optymalnych antena powinna przedstawiać rezystancję równą rezystancji falowej linii zasilającej, ta zaś powinna być optymalnie dopasowana do rezystancji wewnętrznej źródła generatora, czyli nadajnika. Wyjścia nadajników odpowiadają z reguły określonym standardom impedancji i poza dostrojeniem do rezonansu nie pozwalają na dopasowanie do dowolnego obciążenia. Podobnie amatorskie odbiorniki na ogół nie mają regulacji impedancji obwodu wejściowego.
Rys. 2
Układ dopasowania tworzą elementy reaktancyjne włączone szeregowo lub równolegle w określonym przekroju linii lub transformatory w postaci odcinków linii, bądź szerokopasmowe transformatory na rdzeniach toroidalnych w.cz.
Do obliczeń transformatora w postaci linii można wykorzystać wzór Zd= lub skorzystać z linku (odnośnik do DJ1ZB^) do obliczania transformatora impedancji lub posłużyć się wykresem Smitha.
Zasadą powinno być: wielkości rzeczywiste [Ra]dopasować ,wielkości urojone [ jX ] kompensować.
Antena dla nadajnika jest odbiornikiem energii - obciążenie to w obwodzie prądu zmiennego w.cz. charakteryzuje się wartością impedancji wejściowej Za którą przyjęto mierzyć na zaciskach wejściowych anteny.
Przy odbiorze antena dla odbiornika (TRX) jest źródłem mającym opór wewnętrzny równy jej impedancji wejściowej Zw” =Za . Jeśli Zw’’ Za to przy odbiorze na wskutek niedopasowania anteny do linii część energii odbitej od linii zostanie przez antenę powtórnie wypromieniowana.
Impedancja wejściowa anteny Za składa się z dwóch części: wejściowego rzeczywistego oporu Ra=(Rpr+ Rc) i wejściowego biernego oporu Xa (reaktancja pojemnościowa lub indukcyjna) Częstotliwości odpowiadające zerowej wartości urojonego oporu anteny Xa =0 przy wartości oporu rzeczywistego mniejszego od maksimum – nazywamy częstotliwością rezonansową natomiast częstotliwość przy której Xa=0 a Ra= maksimum – anty rezonansową . Znajomość impedancji wejściowej Za jest niezbędna do rozwiązania zadania optymalnego przenoszenia energii miedzy anteną i Trx-em za pomocą linii zasilającej. Problem ten możemy stosunkowo prosto rozwiązać posługując się wykresem kołowym dla linii zasilającej (wykresem Smitha).
Posługiwanie się tym wykresem nie jest trudne ale trzeba nabrać pewnej wprawy, rozwiązując proste zadania a z czasem trudniejsze. Osie wielkości urojonych zwinięte są w półokręgi, przy czym + jX tworzy górną połowę koła a także dodatnie pole jX (Im -charakter indukcyjny). Oś –jX dolną połowę, czyli ujemne pole jX( Im-charakter pojemnościowy).
Oś rzeczywistą tworzy poziomą średnicą (Re0).
Na obwodzie wykresu kołowego Smitha jest naniesiona skala l/ . (zewnętrzna skala)
W oparciu o kołowy wykres Smitha za pomocą cyrkla i linijki można obliczyć zadanie dopasowania oporności anteny do linii przesyłowej, czyli znalezienie oporności w dowolnym punkcie linii, jeśli oporność Ra jX (zespolona) jest na końcu linii znana.
Obecnie są do wykorzystania programy komputerowe, i metoda w oparciu o wykres kołowy może wydawać się nieco archaiczna, ale jest zapewne bardzo wygodna. Na wykresie wyeliminowano niezależną zmienną oporności (impedancji) linii Zo = Zf. Wszystkie wyniki odnoszące się do tej wartości są względne. Dane liczbowe oporności np. Za wprowadza się w postaci podzielonej przez impedancję falową linii zasilającej np. Zo=50 Ω(omów).
W tym celu znajdujemy np. Za = 20 +j40 dzieląc(odnosząc) do linii falowej Zo np. 50 . mamy = +j = +j = 0,4 + j 0,8 . Znajdujemy odpowiedni punkt Ra/Zo na kołach które tworzą oś rzeczywistą oraz jX/Zo na półokręgach opisanych na obwodzie wykresu .Punkt wyjściowy znajduje się na przecięciu tych kół Z .(żółty punkt )
Cz2.Linia przesyłowa (kabel współosiowy) o impedancji falowej Zf=50Ω jest obciążony wielkością zespoloną Za=20+j40[Ω].Długość linii zasilającej wynosi l = 17,44m. Długość fali wynosi 81.08m/3.7MHz.
Chcemy wiedzieć jaką impedancją będzie obciążony generator (nadajnik TRX-a).Zakładamy ze współczynnik skrócenia(σ) linii jest bliski 1.(jedności)
Na wykresie nanosimy punkt Z1 o współrzędnych [0.4+j0.8 ] ,następnie kreślimy prostą z punktu środkowego M przechodząca przez punkt Z1 do skali zewnętrznej l/λ (długość linii do generatora),odczytujemy wartość l/λ=0.115. Z punktu M o promieniu M=Z1 wykreślamy za pomocą cyrkla okrąg pomocniczy. Okrąg pomocniczy jest zwany okręgiem stałego WFS. Impedancja wejściowa wzdłuż półfalowego odcinka przybiera różne wartości w tym także wartości rzeczywiste Z2=0.24 (min (1/WFS) oraz Z3=4.01(maksymalny WFS).[4]
Dla linii przesyłowej o długości 17.44m przy fali λ=81.08m fala musi przebyć drogę , dodajemy wartości 0.115+0.215 i otrzymujemy punkt .
Z punktu 0.33l/λ prowadzimy prosta do punktu M w punkcie przecięcia prostej z liną pomocniczą odczytujemy wartości a po od normowaniu Zk=(45-j70)Ω jest to wartość przy generatorze (nadajniku).
Na wykresie możemy odnaleźć punkty w których wartość rzeczywista R/Zf ma tylko wartość urojoną o składowej rzeczywistej 1 są to punkty Z4= 1-j1.5 oraz Z5= 1+j1.6.
Najczęściej spotykanym sytuacją jest to ze ,impedancja przenoszona przez linię ma składową urojoną . Przy strojeniu należy poczynić wszelkie usiłowania aby impedancja wejściowa linii była wyłącznie czynna. Impedancja wejściowa linii Zwe- = U1-/ I-1 z reguły całkowicie odnosi się do anteny (obciążenia),zatem wszystkie czynności związane z dopasowaniem należy dokonać przy antenie. Naszym zadaniem jest aby praktycznie antena przedstawiała sobą oporność rzeczywistą Rpr.
ZA= RA ± J0 (X=0) lub Za= [(Rpr+Rc)±jX(0)]
Z wykresów wynika ze gdy linia miałaby długość pół fali to wartość zespolona nie uległa by zmianie. Jeśli zatem linia będzie miała długość L= λ/2×k×n to przeniesie impedancję jak transformator 1:1 np. dla F= 3.7MHz → L = ×0,66 = 26,75m (k=0,66dla RG58, n- liczba naturalna ). Ponieważ antena w przykładzie ma charakter reaktancji indukcyjnej antenę należy skompensować pojemnością . Znając wartość końcowa impedancji (Zwelinii), długość linii zasilającej oraz współczynnik skrócenia dla fidera możemy określić wartości na końcu linii(przy antenie) przesuwając się po wykresie w kierunku do obciążenia (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara). Pożądanym jest wybór takiej długości fidera przy której straty energii są najmniejsze. Jeśli istnieje tylko jedna fala robocza to wówczas możemy ,,optymalizować” długość linii. (Zmniejszyć straty poprzez wybór odpowiedniej długości fidera ale nie zawsze daje to widoczne efekty). [2]
Jeśli mamy przypadek ze Ztrx = Zf = Za wtedy wejściowa impedancja linii jest czysto czynna i nie zależy od długości linii a w linii występuje tylko fala bieżąca.
Tylko moc wydzielona na rezystancji promieniowania Rpr. jest zamieniana na pole elekromagnetyczne. ( P a= I × Rpr ) Natomiast w zależności od obciążenia Ra i charakteru reaktancji, część energii jest zwracana do generatora. Z punktu widzenia wydajności anteny ta część energii dostarczonej (moc odbita) pozostaje bezużyteczna. Z przekazywaniem mocy czynnej w linii jest związane zjawisko fali bieżącej. Straty w antenie idą głównie na nagrzewanie prądem w.cz. przewodów anteny Pc = I × Rc oraz linii zasilającej. Straty wnosi także środowisko w którym rozprzestrzenia się fala elekromagnetyczna (np. rezystywność gruntu, straty w użytych izolatorach). W antenie zamkniętej płynie głównie prąd przewodzenia ,prądy przesunięcia są małe i możemy je zaniedbać. Sprawność anteny jest tym większa im większy jest stosunek rezystancji promieniowania do rezystancji strat η= . Zgodnie z prawem zachowania energii moc dostarczona do anteny PA równa jest różnicy miedzy falą padającą a odbitą PA = Pp - Po. Znając wartość mocy odbitej i mocy padającej możemy nie tylko określić moc dostarczaną do anteny ,ale określić stopień dopasowania anteny do linii przesyłowej . Z reguły tylko dla jednej częstotliwości wystąpi w linii zasilającej fala bieżąca, najczęściej zachodzącą sytuacją to pojawienie się w linii fali stojącej , wtedy z reguły radioamatorzy stosują tzw. dostrajacze antenowe (skrzynki antenowe).
Cz3.
Przy wielopasmowej pracy anteny występują poważne kłopoty z dopasowaniem linii zasilającej nadajnik. Impedancja każdej anteny pracującej poza swym rezonansem zawiera oprócz składowej rzeczywistej, także składową reaktancyjną i to tym większą im bardziej antena jest odstrojona od częstotliwości rezonansowej wyjścia nadajnika. Układ sprzęgający zwany transmatch (skrzynka antenowa) zdolny jest zapewnić dopasowanie nadajnika do małych i dużych impedancji fidera pracującego z falą stojącą w warunkach niedopasowania anteny. Typowe skrzynki antenowe to filtr składający się co najmniej z 3-elementów LC połączonych w gwiazdę lub trójkąt układ typu T lub Π.
Obwód filtru typu T można przedstawić w postaci dwóch ogniw typu odwrócone L. Ogniwa te dopasowują z jednej strony do źródła impedancji ZTRX z drugiej strony do impedancji obciążenia ZA. Układ transmatch łączymy szeregowo z linią zasilającą. Wskazane jest włączenie w szereg za nadajnikiem dodatkowego filtru dolnoprzepustowego.
Skrzynka antenowa to element cztero zaciskowy mający dwie pary uporządkowanych zacisków, z których jedną parę nazywamy wejściem a drugą wyjściem. W odniesieniu do wejścia i wyjścia czwórnika musi być spełniony następujący warunek równości I1=I ; I2=I
Wielkości związane z wejściem opatrzono wskaźnikiem 1 a wielkości z wyjściem wskaźnikiem 2.
Oznaczenia na rysunku dotyczą wartości skutecznych zespolonych.(nie pokazano oznaczeń)
Schemat czwórnika przedstawiamy jako prostokąt z wyodrębnionymi dwoma parami zacisków w których przyjmujemy umownie prądy , na wejściu zwrócony do ,,pudełka” na wyjściu zgodnie z kierunkiem przekazywania energii ( od pudełka ). Związek między czterema wielkościami opisują równania liniowe. Pominięte zostaną wyprowadzenia równań dla czwórnika. Jednym z parametrów opisujący czwórnik to współczynnik przenoszenia oznaczany jako g=a+jb gdzie : a-współczynnik tłumienia czwórnika a=20log =20log jest on miarą zmiany napięcia lub prądu przy przejściu sygnału od zacisków wejściowych do wyjściowych .
b- współczynnik fazy b= Ψ1-Ψ2 jest on miarą zmiany fazy napięcia lub prądu przy przejściu sygnału od zacisków wejściowych do wyjściowych (różnica faz ).
Oba współczynniki wskazują na sposób przenoszenia sygnału w czwórniku.
Skrzynka antenowa (pasywna) tłumi sygnał rzeczywisty i wprowadza przesunięcia fazowe .
Wnioski;
Z reguły ATU powinno być umieszczone przy antenie.
Układy kompensacyjnie i dopasowujące powinny być umieszczone przy antenie.
Linia nieobciążona impedancja charakterystyczną wnosi dodatkowe tłumienie tym większe im większy jest WFS. (dla WFS=1 , 0dB)
Sprawność skrzynki antenowej umieszczonej przy nadajniku jest tym mniejsza im większy jest współczynnik przenoszenia (w szczególności im większy jest jX)
SWR w zakresie 2 2,5 zwykle jest uważany jako zadowalający w większości przypadków[2]
Należy zwrócić szczególna uwagę na zastosowane materiały na izolatory (tangens kąta stratności). Nie stosuj PLEXIGLAS, GUMY na izolatory w.cz.
Polecam korzystanie z programu MMANA-GAL przy projektowaniu anten oraz ich oceny. Program jest darmowy i bardzo przydatny na wstępnym etapie projektowania i nie tylko.
Zobacz-
http://mmhamsoft.amateur-radio.ca/ lub
www.dl1pbd.de http://zot.hamradio.szczecin.pl/articles.php?article_id=29
Bibliografia
1. Stanisław Bolkowski - Elektrotechnika 2. Biektkow & Charczenko - Pomiary badanie i regulacje anten amatorskich 3. Izjumow & Linde - Podstawy Radiotechniki 4. Jarosław Szóstka – Fale i Anteny 5. K.Lewiński i A.Lewińska - Nomogramy i Tablice radiotechniczne
SQ6GGT-Kazimierz�
Dodatek a
Chcąc posłużyć się wykresem Smitha należy przedstawić wielkości sinusoidalnego przebiegu na liczbach zespolonych .W celu graficznego przedstawienia wielkości zespolonych musimy posłużyć się płaszczyzną Gaussa.
Za= 20+j40; IZaI = sqr(202 +402) = = 44.72 Ω βa=63,43o
Zk= 45-j70; IZkI= sqr(452 +702) = = 83,21 Ω βk=302,73o
Liczby zespolone na płaszczyźnie Gaussa.
Zespolony rezystor nazywamy impedancją Z i definiowany jest jako Z- = U-/I- stad mamy
Ι Z I = sqr(R2+X2) ; kąt tgβ = lub β = arctg
sqr – pierwiastek drugiego stopnia(kwadratowy)
R- składowa rzeczywista ,rezystancja( Re,a); X - składowa urojona ,reaktancja(Im,b)
Impedancję wejściową linii przesyłowej o małych stratach obliczamy z wzoru;
Linia o długości będącej nieparzystą wielokrotnością ćwierć długości fali (1/4λ) obciążona impedancją Zobc Zo transformuje impedancję na początek linii o wartość Zwe=Zo2/ Zobc.
Moderated By c2h5oh: Szkoda że nie jesteś autorem tego wyrwanego z kontekstu wywodu... Wypadało by podać źródło z którego to skopiowałeś i umieścić w znaczniku "code" lub cudzysłów.
Całość dostępna jest tutaj:
www.cxt.pl/~sp6trp/strojenie.doc
