docPełno wymiarowe anteny rezonansowe a problem Współczynnika
download 
Reklamacja Transkrypt
Pełno wymiarowe anteny rezonansowe a problem Współczynnika
Pełno wymiarowe anteny rezonansowe a problem Współczynnika Fali Stojącej (WFS). Piotr SP9LVZ Temat, na który zwróciłem szczególną uwagę podczas prób antenowych wykonanych w lipcu 2006 roku - problem dopasowania anten, a dokładniej konieczności uzyskiwania niskiego współczynnika fali stojącej WFS. Co prowokuje mnie do poruszenia tego tematu? Niestety dyskusje „fachowców” antenowych omawiających swoje wyczyny antenowe, które to słyszałem na popularnej 80-tce, a przez wakacje dużo słuchałem. Uogólniając różnego rodzaju niefortunne wypowiedzi można je sprowadzić do następującego poglądu wyrażanego w tych wywodach: „Antenę trzeba doprowadzać do stanu by WFS był równy 1,0 bo inaczej to nie jest antena i nie da się na niej nadawać” – nic bardziej błędnego!!! Mam nadzieję, że młodzi adepci krótkofalarstwa nie przejmują się takimi pouczeniami i nie zaprzestają pracy gdy stwierdzą, że ich anteny odbiegają od tego „wzorcowego” parametru. Gdzie zatem leży prawda?... Niestety w teorii anten. Problem polega na tym, że trzeba wiedzieć z skąd bierze się fala stojąca w układach antenowych i jaki ma wpływ na straty, czyli pogorszenie nadawania?... Fala stojąca w liniach zasilających pojawia się gdy oprócz fali padającej (przesyłanej z nadajnika do anteny) pojawi się fala odbita (od anteny do nadajnika) jako efekt niedopasowania toru przesyłowego: tj. impedancji nadajnik - linia zasilająca – antena. Współczesne tranzystorowe transceivery są tak konstruowane, że przystosowane są do „anten” o impedancji 50 Ω. Co to oznacza?... Muszą one widzieć taką impedancję od strony linii antenowej, by przekazać maksymalną moc. Niestety taki warunek jest rzadko spełniony. By dokładnie przyjrzeć się tematowi, musimy sobie wyobrazić, z czego skalda się nasz tor od nadajnika do anteny. Po pierwsze mamy właśnie nasz nadajnik (kończący się na gniazdku antenowym transceivera), linie antenową (czyli tzw. kabel zasilający – najczęściej koncentryczny 50 Ω) oraz na końcu antenę, „widzianą” bezpośrednio przez linię zasilającą. Na początek nie jest źle, bo i nasz nadajnik ma impedancję 50Ω jak i linia zasilająca ma impedancję 50 Ω. Na impedancję – wspomnę składa się składowa czynna R (związana z wydzielaną mocą w antenie) i składowa bierna j X (pojemnościowa, bądź indukcyjna) z którą mamy tylko kłopoty!. W prawidłowych warunkach dopasowania składowa czynna powinna być równa R=50 Ω, a składowa bierna j X=0Ω. W przypadku niedopasowania nadajnik – linia zasilająca nastąpi wzrost strat w stopniu końcowym nadajnika co może w skrajnym przypadku doprowadzić do jego uszkodzenia (współczesne transcivery są przed tym zabezpieczone układami obniżającymi moc nadajnika). Gdzie zatem jest problem skoro nadajnik i kabel ma impedancję 50Ω? Problem najczęściej pojawia nam się na styku linia antenowa (kabel zasilający) antena. Najprostszym przypadkiem jest dipol półfalowy, więc na jego przykładzie 1 postaram się wszystko wytłumaczyć. Impedancja promieniowania dipola półfalowego Zpr=Rpr+j Xpr wynosi Zpr= 73,13+j42,54. Oznacza to, że dipol o długości elektrycznej równej połówce fali nie jest w rezonansie na danej częstotliwości. Aby go doprowadzić do rezonansu należy go skrócić by skompensować składową bierną X=j 42,54. Odcinek, o który należy skrócić dipol zależy od średnicy przewodów z jakich został wykonany, a ściślej mówiąc od smukłości tj. stosunku długości fali do średnicy przewodu. Po skróceniu otrzymujemy tzw. rezonansową długość anteny. Skracany dipol zmniejsza też jednocześnie rezystancję promieniowania Rpr, możemy zatem doprowadzić do sytuacji gdy zbliżymy się do impedancji równej nawet 50 Ω, czyli uzyskamy WFS nawet 1,0. Oczywiście na impedancję promieniowania anteny wpływają też inne parametry, np. wysokość zawieszenia, przewodność gruntu, bliskość innych przedmiotów itp. Wszystko to razem wzięte powoduje, że nie wieszamy anten w warunkach laboratoryjnych i u każdego teoretycznie ta sama antena będzie się zachowywać inaczej. Ale idźmy dalej w naszych rozważaniach. Wiemy już, że impedancja anteny zależy od jej długości (oraz smukłości). Oznacza to, że zmiana częstotliwości nadawania będzie wpływać na dopasowanie anteny do linii antenowej, bo sami przecież zmieniamy wtedy parametr długości fali, a antenę dopasowaliśmy wcześniej do jednej konkretnej częstotliwości – tzw. rezonansowej! Nie jest więc możliwe by uzyskać WFS = 1,0 w całym paśmie 80m pracując na dipolu o małej średnicy przewodu, więc nie mieszajmy innym w głowach, że do tego trzeba zawsze doprowadzać! Musielibyśmy cały czas wydłużać, lub skracać naszą antenę, by doprowadzać ją do rezonansu przy zmianie częstotliwości nadawania (teraz może już rozumiemy dlaczego WFS zmienia się wraz z częstotliwością). Dla innych częstotliwości niż rezonansowa antena będzie przedstawiać sobą obok składowej rzeczywistej Rpr również składową bierną j X, co jest jej głównym powodem niedopasowania. Najważniejsze jest jednak to, że zmiany długości wpływają przede wszystkim na składową bierną j X, a w mniejszy stopniu na składową rzeczywistą Rpr!!! Będziemy mieć jednak cały czas niedopasowanie linia zasilająca - antena. Spowoduje to pojawienie się fali odbitej, która wraz z falą padającą wywołuje falę stojącą. Do anteny przechodzi zatem „moc” zmieszona o „moc” odbitą (jednakże moc odbitą nie należy w żadnym przypadku mylić z mocą strat!), straty to jeszcze coś zupełnie innego – to tylko moc odbita. Nasz nadajnik „zobaczy” po prostu to występujące niedopasowanie impedancji linia zasilająca – antena (duży WFS) i zachowa się tak jakby widział niedopasowanie nadajnik – linia zasilająca, czyli „obetnie” moc. Co zatem zdobić by nadajnik nie „obcinał” mocy?... Należy doprowadzić do tego, by nadajnik wdział linię zasilającą ze swojej strony jako impedancję 50 Ω i to niezależnie od wielkości WFS w linii antenowej, a cała moc zostanie przekazana do anteny!... niesamowite, tak?... a jednak prawdziwe. W całej tej zabawie chodzi o skompensowanie pojawiającej się dużej składowej biernej, która jest powodem naszego zmartwienia, bo zmiany składowej czynnej są w tym przypadku bardzo małe i w związku z tym bez większego znaczenia. Kiedyś, w nadajnikach lampowych kompensację składowej biernej zapewniał nam Pi-filtr (nawet w granicach od – 300 do + 300 Ω). Obecnie tę rolę przejmuje na siebie „skrzynka antenowa”. A teraz coś o stratach, bo jak jest linia zasilająca - to i straty muszą być. Każda linia zasilająca wnosi straty, o czym dowiadujemy się z parametrów kabli antenowych. W naszym przypadku tłumieniu ulegają zarówno fala padająca jak i odbita (która gdzieś tam goni pomiędzy skrzynką antenową, a anteną i jest stopniowo wypromieniowana... hi). Straty są zatem związane z tłumieniem kabla i oczywiście stopniem niedopasowania (WFS). Przy małych wartościach WFS (poniżej 2) straty dodatkowe są pomijalne. Przy WFS=4 straty dodatkowe mogą sięgać nawet strat własnych 2 linii (czyli powiększyć stratność kabla o 100%) – w przypadku pasma 80m i np. 27 metrów kabla zasilającego dodatkowe np. 0,5dB – trochę śmieszna sprawa!, nieprawdaż? Po prostu tego nie zauważymy. Jeżeli tylko potrafimy nadajnikowi skompensować niedopasowanie tak by widział „swoje 50 Ω” to możemy na falach krótkich pracować nawet przy WFS 5 i więcej! Oczywiście dodatkowe starty będzie wnosił układ dopasowujący (ale cóż to jest przy standardowych mocach 100W). Jakie wnioski praktyczne trzeba z tego wyciągnąć? W przypadku anten rezonansowych starajmy się doprowadzić długością anteny do najniższego WFS w takim miejscu pasma, by rosnący WFS do poziomu 3-4 obejmował maksymalnie szeroko pasmo w jakim chcemy pracować. Wyższy WFS kompensujmy skrzynką antenową, by nadajnik pracował jak na obciążeniu rzeczywistym zbliżonym do 50 Ω. Gwarantuję, że ani my nie zauważymy słabszego odbioru, a korespondent nie zauważy osłabienia sygnału. To właśnie praktycznie sprawdzałem w te wakacje – zgadza się z teorią!, więc drodzy koledzy – nie przejmujcie się gdy WFS na końcach pasma sięga do wartości „3” z tym normalnie się pracuje... Powyższy tekst dotyczy pełno wymiarowych anten rezonansowych, a nie jakiegoś tam dopasowania trzech metrów drutu poprzez skrzynkę antenową do pasma 80m, co wiąże się z tematem skuteczności anten, ale to już inna bajka! Może opowiem o tym za rok. Wola, 14 sierpnia 2006, Piotr Faltus SP9LVZ 3
