АНТЕННЫЙ ЭФФЕКТ ФИДЕРА

В. Костычев, UN8CB     г. Петропавловск. Казахстан.   

Возникновение антенно-фидерного эффекта  связано  с нарушением по той или иной причине симметрии токов в антенне, что приводит к излучению фидера в режиме передачи и созданию помех различному электронному оборудованию (телевизорам, р /приёмникам, телефонам, домофонам и пр.), а в режиме приёма фидер становится приёмником различного рода помех.

Антенно-фидерный эффект – это частный случай проблемы электромагнитной совместимости электронного оборудования, которой в настоящее время уделяется пристальное внимание.

Электромагнитная совместимость (ElectroMagnetic Combatibility — EMC) — это способность электрооборудования удовлетворительно функционировать в условиях электромагнитных воздействий со стороны окружающей среды, а также не оказывать недопустимого воздействия на эту окружающую среду, которая включает в себя другое электронное оборудование.

Электронные системы кабельной связи, различные сигнальные цепи, цепи телеметрии, а также фидерные линии радиостанций обычно построены по принципу передачи дифференциального сигнала через кабели, состоящие из  пар проводов.

В ЕМС (электромагнитная совместимость) широко используются понятия дифференциального и синфазного  токов, помогающие определить причины помех и выработать пути их уменьшения.

Дифференциальный ток  I_D  (differential-mode)  – это ток в проводах линии, от источника сигналов через первый провод линии к нагрузке и обратно к источнику по второму проводу линии. Дифференциальные токи каждого провода линии равны, но противофазны (разнонаправлены).

Если провода линии расположены вблизи с другими цепями или шиной земли, то между проводами линии и землей возникают дифференциальные напряжения. Это, в частности, приводит к тому, что на земляной шине возникает разность потенциалов, что, в свою очередь, порождает паразитные токи в сигнальных цепях. Это явление возникает из-за паразитных связей или несбалансированности дифференциальных линий.

Эти паразитные токи в сигнальных цепях называются синфазными  токами  I_C (common-mode)

Синфазные токи, текут по обоим проводам линии в одном направлении и равны по величине.

Синфазный сигнал в таких системах представляет собой помеху. Рассмотрим, как возникают такие помехи в линиях  передачи сигналов. Рис.1.

                     Рис.1. Возникновение помех, связанных с передачей сигналов в линии.

Q1 – источник полезного сигнала; Ce- паразитные ёмкости относительно заземлённого корпуса;

Zq , Zs – полные сопротивления источника сигнала и приёмника; Id –дифференциальный ток;

Q2 – источник синфазных помех;  Ic1, Ic2 – синфазные токи; Uc1, Uc2 – синфазные напряжения помех; Ud – напряжение между проводами линии.

Синфазные помехи обусловлены главным образом разностью потенциалов в цепях заземления устройства, например между точками 1 и 2  на рис. 1, вызванной магнитными полями или токами в земле (аварийными, при замыканиях высоковольтных линий на землю, рабочими или токами молнии). Таким образом, в проводах линии 1 и 2 могут протекать токи I₁ и I_2, представляющие собой алгебраическую сумму  дифференциальных и синфазных токов в каждом проводе.

Рассмотрим токи I₁ и I₂, протекающие по проводам 1 и 2 на рис. 1.

Можно разложить эти токи на две составляющие, называемые синфазным I_C (common-mode) и  противофазным I_D  (differential-mode) токами, как показано на Рис.2.

                               Рис.2

I₁=I_C+I_D,

 I₂=I_C–I_D .

Таким образом,  ток I₁ в проводе №1 будет больше тока I₂ в проводе №2, возникнет асимметрия токов линии передачи.

Рассмотрим качественно вклад каждого из этих токов (дифференциальных и синфазных) в излучаемые эмиссии от этой пары проводов. Результирующая напряженность электрического поля E складывается из полей, создаваемых каждым из этих токов.

 Пусть по проводам линии протекают только   дифференциальные токи (противофазные,

противонаправленые). Следовательно, создаваемые ими электрические поля будут также противонаправленными и будут взаимно вычитаться и компенсироваться. Такая линия излучать  в идеале не будет.

 С другой стороны, поскольку по этим проводам протекают ещё и  синфазные токи в каждом из проводов, которые  сонаправлены, то создаваемые ими поля будут складываться, давая  намного больший вклад в результирующее поле, чем противофазные  (дифференциальные) токи. Таким образом, даже малый синфазный ток может создать такой же уровень излучаемого электрического поля, как и большой дифференциальный ток. Поэтому основной причиной излучения электрических полей от реальных изделий является протекание в их проводниках синфазных токов. Синфазные токи часто называют антенными (antenna-mode) токами, а в технике радиосвязи эффект излучения фидерных линий называют антенно-фидерным  эффектом.

Антенно-фидерный эффект возникает не только при питании симметричных антенн несимметричным фидером, но и при питании симметричных антенн симметричной двухпроводной линией передачи, если эта линия расположена несимметрично относительно полотна антенны, земли, зданий и других различных окружающих предметов. В этом случае в проводах линии  возникнут наряду с дифференциальным током и синфазные токи, что приведёт к асимметрии токов в проводах линии и к возникновению антенно-фидерного эффекта.

Среди радиолюбителей бытует мнение, что при питании симметричных антенн несимметричным фидером (коаксиальным кабелем) дифференциальный ток I_D  (передающий мощность от источника в нагрузку) протекает по центральной жиле кабеля  и после антенны по внутренней поверхности оплетки кабеля. А вот синфазный ток  I_C, в отличие от двухпроводной линии, протекает только по одному проводу – по наружной стороне оплётки кабеля, за счёт напряжения Uc, возникающего  между вибратором 1 антенны и землёй. Рис.3.

                                                               Рис.3

Дифференциальный ток протекающий из антенны через точку 2, где соединяются внутренняя и внешняя стороны оплётки кабеля не может течь только по одному из двух, соединённых параллельно проводов. Это противоречит первому закону Кирхгофа. Дифференциальный ток должен течь и по внутренней и по внешней сторонам оплётки кабеля одновременно. А вот согласно уже второму закону Кирхгофа, синфазный ток может течь  по внешней стороне оплётки синфазно с 1/2 дифференциального тока (также как в одном проводе двухпроводной симметричной линии). В сумме ток оплётки кабеля будет больше тока в жиле кабеля, возникнет асимметрия токов, что приведёт к антенному эффекту фидера. Для ослабления синфазного тока в фидере используют симметрирующие устройства.

Литература:  

1.В чем разница между дифференциальным и синфазным током.

      ( http://www.elcomdesign.ru/ingineer/ingineer_24.html).

2.А.С.Кингсеп и др. Основы физики. Т 1. Часть II. Стр. 198.

3.И.В.Гончаренко. Антенны КВ и УКВ. Часть II. Стр. 178 – 182.

В. Костычев, UN8CB     г. Петропавловск. Казахстан.