Попытаюсь в краткой форме сделать обзор простых способов согласования и измерений в АФС (антенно-фидерных системах) в виде путеводителя по книгам:

[1] - К. Ротхаммель "Антенны", М. "Энергия", 1979 г. 3-е издание;

[2] — З. Беньковский, Э. Липинский, "Любительские антенны коротких и ультракоротких ", М."Радио и связь" 1983 г.

Далее по тексту будут приводиться ссылки по указанным номерам книг и будут даны некоторые практические советы. Почему нельзя серьезно относиться к наладке вновь созданных антенно-фидерных устройств с помощью КСВ-метра?

КСВ-метр показывает отношение (Uпрям + Uoтp) к (Unpям - Uoтp), иными словами, во сколько раз отличается импеданс антенно-фидерного факта от волнового сопротивления прибора, например, выход передатчика. По показаниям КСВ-метра нельзя понять, что значит КСВ =3 при сопротивлении выходного каскада 50 Ом. Волновое сопротивление антенно-фидерного тракта в этом случае может быть чисто активным на частоте резонанса и может быть равным 150 Ом или 17 Ом, причем и то и другое равновероятно. На нерезонансной частоте сопротивление будет содержать активную и реактивную составляющие емкостную или индуктивную в разных соотношениях и совершенно непонятно, что надо делать — компенсировать реактивность, или согласовывать волновое сопротивление.

Для точного согласования АФУ необходимо знать: реальную резонансную частоту антенны:

сопротивление антенны;
волновое сопротивление фидера;
выходное сопротивление приемопередатчика.
Целью согласования антенны является выполнение двух условий — добиться отсутствия реактивной составляющей в сопротивлении антенны на используемой частоте и добиться равенства волнового сопротивления антенны и приемопередающей аппаратуры.

Если эти условия выполняются в месте запитки антенны (точка соединения-антенны с фидером), то фидер работает в режиме бегущей волны. Если выполнить условия согласования в месте соединения фидера с приемопередатчиком, а сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления фидера, то фидер работает в режиме стоячей волны. Однако работа фидера в режиме стоячей волны может повлечь за собой искажение диаграммы направленности в направленных антеннах (за счет вредного излучения фидера) и в некоторых случаях может привести к помехам окружающим.

Кроме того, если антенна используется на прием, то на оплетку фидера будут приниматься нежелательные излучения, например, помехи от вашего компьютера. Поэтому предпочтительнее использовать питание антенны по фидеру в режиме бегущей волны. До того как поделиться практическим опытом согласования антенн, несколько слов об основных способах измерений.

Измерение резонансной частоты антенны

Наиболее простой способ измерения резонансной частоты антенны с помощью гетеродинного индикатора резонанса (ГИР). Но в многоэлементных антеннах проводить измерения ГИРом бывает затруднительно или совсем невозможно из-за взаимного влияния элементов антенны, каждый из которых может иметь свою собственную резонансную частоту. Лучше пользоваться другим способом.

Проведение измерений с помощью измерительной антенны и контрольного приемника.

К измеряемой антенне подключается ВЧ-генератор, а на расстоянии 10...20 X от измеряемой антенны устанавливается контрольный приемник с антенной, которая на этих частотах не имеет резонансов — короче VI0. Генератор перестраивается в выбранном участке диапазона и с помощью S-метра контрольного приемника измеряется напряженность поля, Затем строится зависимость напряженности поля от частоты. Максимум соответствует частоте резонанса. Для многоэлементных антенн измерительный приемник располагается в главном лепестке диаграммы направленности измеряемой антенны.

Одним из вариантов является использование передатчика, мощностью в несколько Ватт, в качестве ВЧ-генератора, и простого измерителя напряженности поля (см. 14рис. 14-20). Необходимо учитывать, что при подобных измерениях вы можете создавать помехи окружающим.

Практический совет — при измерениях в диапазоне 144 - 430 МГц не держите в руках измеритель напряженности поля с тем, чтобы ослабить влияние тела на показания прибора. Закрепите прибор над полом на высоте 1-2 метра на диэлектрической подставке, например, дерево или стул и снимайте показания, находясь на расстоянии 2 ... 4 метра, не попадая в зону между прибором и измеряемой антенной

Измерение с помощью генератора и антенноскопа.

Этот способ (см. [1] рис 14-16) применим в основном на НF и не дает точных результатов, но позволяет попутно оценивать и сопротивление антенны. Суть измерений заключается в следующем. Известно, что антенноскоп позволяет измерять полное сопротивление (активное + реактивное). Как правило, антенны запитывают в пучности тока (минимум входного сопротивления).

На частоте резонанса отсутствует реактивность, поэтому на резонансной частоте антенноскоп будет показывать минимальное сопротивление, а на всех остальных частотах чаще всего оно будет больше. Отсюда и последовательность измерений, перестраивая генератор, измеряют входное сопротивление антенны. Минимум сопротивления соответствует резонансной чистоте.

Антенноскоп необходимо подключать прямо к точке питания антенны, а не через кабель!

Практическое наблюдение.

Если рядом с вами находится мощный источник радиоизлучения (теле или радиостанция), из-за наводок антенноскоп никогда не будет балансироваться "в ноль" и производить измерения становится практически невозможно.

Очень удобно определять резонансную частоту вибраторов с помощью измерителя АЧХ. Подключив выход измерителя АЧХ и детекторную головку к антенне, определяют частоты, на которых видны провалы в АЧХ. На этих частотах антенна резонирует и происходит отбор энергии с выхода прибора, что хорошо видно на экране прибора. Для измерений подходят практически любые измерители АЧХ (X1-47, X1-50, X1-42, СК4-59).Вариант измерений с помощью анализатора спектра (СК4-60) в режиме с длительным послесвечением и внешнего генератора.

В качестве внешнего генератора можно использовать генератор гармоник на HF с шагом 10 кГц, на 144 МГц с шагом 100 кГц, на 430 МГц с шагом 1 МГц. На частотах до 160 МГц наиболее равномерный спектр с высокой интенсивностью гармоник дает схема генератора гармоник на интегральной микросхеме К155ИЕ1. В диапазоне 430 МГц достаточный уровень гармоник можно получить в схеме с накопительным диодом 2А609Б (см. схема калибратора 50 МГц из СК4-60).

Измерение сопротивление в АФУ

Самый простой и доступный по цене серийно выпускаемый прибор для измерений активного сопротивления и фазы сигнала, а значит и реактивной составляющей — это измерительный мост. Существует несколько модификаций измерительных мостов для использования с 50 и 75 омным трактом на различные диапазоны частот до 1000 МГц — Р2 33 ... Р2-35.

В радиолюбительской практике чаще всего используют более простой вариант измерительного моста, предназначенного для измерений полного сопротивления (антенноскоп). Конструкция его, в отличие от мостов Р2-33(35) очень проста и легко повторяется в домашних условиях (см. [1] стр.308-309).

Полезно помнить некоторые замечания, касающиеся сопротивлений в АФС Длинная линия с волновым сопротивлением Zтp и с электрической длиной l /4, 3l /4 и т.д. трансформирует сопротивление, которое можно рассчитать по формуле

Zтp = Ö (Zвx Zвых) , (либо по рис. 2.39 [2]

В частном случае, если один конец отрезка λ/4 разомкнуть, то бесконечное сопротивление на этом конце отрезка трансформируется в ноль на противоположном конце, иначе, короткое замыкание. Подобные устройства также используют для трансформации больших сопротивлений в малые.

Внимание! Эти виды трансформаторы эффективно работают только в узком частотном диапазоне, ограниченном долями процентное от рабочей частоты.

Длинная линия с электрической длиной кратной λ/2 вне зависимости от волнового сопротивления этой линии трансформирует входное сопротивление в выходное с отношением 1:1 и их используют для передачи сопротивлений на необходимое расстояние без трансформации сопротивлений, либо для переворачивания фазы на 180 град. В отличие от ХУ4 линий, линии Х/2 обладают большей широкополосностью.

Если антенна короче, чем вам необходимо, то на рабочей частоте сопротивление антенны имеет реактивную составляющую емкостного характера. В случае, когда антенна длиннее, на рабочей частоте антенна имеет реактивность индуктивного характера. Разумеется, на рабочей частоте нежелательную реактивность можно компенсировать введением дополнительной реактивности противоположного знака. Например, если антенна длиннее, чем это необходимо, индуктивную составляющую можно компенсировать включением последовательно с питанием антенны емкости. Значение необходимого конденсатора можно рассчитать для нужной частоты, зная значение индуктивной составляющей (см. рис 2.38/2J), или его надо подобрать экспериментально.

Введение пассивных дополнительных элементов обычно понижает входное сопротивление антенны, например, для "квадрата" с ПО 120 Ом до 45 -75 Ом. Ниже приводятся теоретические значения наиболее часто встречающихся вибраторов (вибраторы находятся в свободном от окружающих предметов пространстве), антенн и фидеров:

полуволновый вибратор с запиткой в пучности тока (в середине) — 70 Ом, при расстройке на +/-2% реактивное сопротивление iX изменяется практически линейно от -25 до +25 с нулем на частоте резонанса;
полуволновый вибратор с запиткой с помощью Т-образной схемы согласования—120 Ом;
петлевой вибратор с одинаковыми диаметрами всех проводников 240...280 Ом, при расстройке +/- 1% реактивного сопротивления нет, но при расстройках более 2% реактивное сопротивление iX резко возрастает до +/-50 и более (см. рис 2.93 [21):
петлевой вибратор с различными диаметрами проводников (см. таб. 1.15 [1] или рис. 2.90 [2]) — до 840 Ом;
двойной петлевой вибратор с одинаковыми диаметрами всех проводников— 540 ...630 Ом;
двойной петлевой вибратор с различными диаметрами проводников (см. таб. 1.16 [1] или рис 2.91[2]) —до 1500 Ом;
четвертьволновый вертикальный вибратор с противовесами под углом 135 град по отношению к вибратору — 50 Ом;
четвертьволновый вертикальный вибратор с противовесами под углом 90 град по отношению к вибратору — 30 Ом;
вибратор в виде квадрата длиной лямбда — 110...120 Ом;
вибратор в виде квадрата длиной 21 (два витка) — 280 Ом;
вибратор в виде треугольника (дельта) — 120 ... 130 Ом;
lnverded-V с углом раскрыва 90 град — 45 Ом;
Inverted-V с углом раскрыва 130 град — 65 Ом;
волновой канал, оптимизированный на максимальное усиление — 5...20 Ом;
волновой канал, оптимизированный на наилучшее согласование — 50 Ом;
двухпроводная линия (Рис 2.26 [2]) - 200..320;
две параллельные коаксиальные линии Z=7S Ом - 37.5 Ом;
то же, четвертьволновый трансформатор Zвx =50 Ом - Zвых”28 Ом;
то же, четвертьволновый трансформатор Zвx =75 Ом - Zвыx = 19 Ом;
две параллельные коаксиальные линии Z = 50 Ом - 25 Ом;
то же, четвертьволновый трансформатор Zвx = 50 Ом - Zвыx =12.5 Ом;
то же, четвертьволновый трансформатор Zвx =75 Ом - Zвыx =8,4 Ом;
трансформатор из трех параллельных линий Z = 50 Ом Zвx = 50 - Zвых = 5.6 Ом;
то же Z = 50 Ом Zвx = 75 - Zвыx =3.7 Ом;
Измерение степени согласования

Эти измерения желательно делать уже после согласования, описанного в и. 5 для оценки качества согласования. Простой прибор для определения степени согласования открытых двухпроводных линий с антенной - обычная неоновая лампочка или ГИР. При перемещении лампочки вдоль линии передачи, яркость ее свечения не должна изменяться (режим бегущей волны) Как вариант измерений — прибор, состоящий из петли связи, детектора и стрелочного индикатора (см. Puc.14.8 [1]).

Двухламповый индикатор (см. рис. 14.7[1]). Настройкой добиваются, чтобы лампочка подключенная к плечу, близкому к антенне, не светилась, а в противоположном плече свечение было максимально. При малых уровнях мощностей вместо лампочки можно использовать детектор и стрелочный индикатор.

Приборы для определения степени согласования в коаксиальных трактах

Измерительная линия — прибор, который применим для измерения степени согласования в коаксиальных и волноводных линиях начиная с УКВ и заканчивая сантиметровым диапазоном волн. Конструкция его несложная — жесткий коаксиальный кабель (волновод) с продольной щелью во внешнем проводнике, вдоль которой перемещается измерительная головка с измерительным зондом, опущенным в щель. Перемешан измерительную головку вдоль тракта, определяют максимумы и минимумы показаний, по соотношению которых судят о степени согласования (режим бегущей волны — показания не изменяются по всей длине измерительной линии).

Измерительный моет (см. рис. 14.18 [1]) позволяет измерять КСВ в линиях передачи до 100 Ом на HF и VHF при подводимой мощности около сотен милливатт. Очень простая в изготовлении конструкция, не содержит моточных и конструктивных узлов, критичных к точности изготовления.

КСВ-метр на основе рефлектометров.

Описано множество конструкций подобных приборов (см. рис.14-14 [1]). Они позволяют контролировать состояние АФС в процессе работы в эфире.

КСВ-метр на основе измерителей АЧХ.

Они очень удобны для изучения качества согласования на любых частотах, вплоть до 40 ГГц. Принцип измерений — измерительный комплект приборов состоит из измерителя АЧХ и направленного ответвителя, соединенных в следующую схему на рис.1.

Рис.1.

1 — измеритель АЧХ (Х1-47)

2 — низкоомная детекторная головка из комплекта XI-47

3 — направлений ответвитель, например, для диапазона 144 МГц подойдет, НО991-03 из комплекта к прибору СК4-60.

4 — измеряемая антенна.

Высокочастотный сигнал с выхода Х1-47 поступает на вывод 3 направленного ответвителя и далее через вывод 2 на измеряемую антенну. На частотах, где антенна имеет высокий КСВ, появляется отраженный сигнал и его энергия возвращается на вывод 2 направленного ответвителя. Отраженный сигнал с вывода 2 поступает только на вывод 1, детектируется детекторной головкой и отображается на экране X1-47. Уровень отраженного сигнала зависит от частоты.

Перед началом измерений необходимо откалибровать схему. Для этого вместо измеряемой антенны подключается безиндуктивный эквивалент антенны сопротивлением 50 (75) Ом и следует убедиться в отсутствии отраженного сигнала (КСВ= 1). Далее, отключив эквивалент, отмечают уровень сигнала для КСВ равного бесконечности. Все промежуточные значения КСВ будут отображаться на экране прибора между 0 и максимальным значением.

Подключая эквиваленты антенны сопротивлением 750м, 100 Ом, 150 Ом отмечают на экране прибора значения КСВ соответственно 1.5, 2, 3. В качестве измерителя АЧХ можно использовать анализатор спектра СК4-60 и внешний генератор, в зависимости от диапазона волн, в котором производятся измерения (Г4-151 до 500 МГц, Г4-76 до 1.3 ГГц, Г4-82 5.6ГГц, Г4-84 10 ГГц). На частотах до 500 МГц в качестве внешнего генератора можно использовать генераторы гармоник.

Два замечания:

направленные ответвители вносят переходное ослабление около 15 дБ для источника сигнала, поэтому для измерений необходимы источники сигнала довольно высокого уровня;
направленные свойства ответвителей (развязка и направленность) обычно не превышают 20...30 дБ, поэтому измерения необходимо выполнять не в логарифмическом, а линейном масштабе отображения
Некоторые полезные способы измерений

Измерения с помощью антенноскопа.

Определение точной электрической длины W4 линии (приведено в [1] стр.308 312). Для этого линию одним концом подключают к антенноскопу, а второй оставляют разомкнутым. Далее, изменяя частоту генератора, определяют самую низкую частоту, на которой достигается баланс моста при нулевом сопротивлении. Для этой частоты электрическая длина линии равна точно l /4.

Измерение волнового сопротивления линии Zтp.

Следует подключить резистор 100 Ом к свободному концу линии и измерить антенноскопом сопротивление Z-изм на другом конце линии и рассчитать волновое сопротивление линии, пользуясь формулой:

Zтр = Ö(100*Zизм)

Проверка точности размеров l /2 трансформирующей линии.

Измеряемую линию подключают к антенноскопу, ко второму концу линии подключают резистор 300 Ом и устанавливают генератором частоту, на которой линия l/2 должна трансформировать напряжение 1:1. Антенноскопом измеряется сопротивление, которое должно быть равно 300 Ом, если линия точно равна l/2 для этой частоты.

Определение коэффициента укорочения линии передачи.

Для измерений используется отрезок линии длиной несколько метров (длина X). Замыкается один конец линии и, изменяя частоту генератора, находится минимальное значение частоты F на которой антенноскоп балансируется. Это означает, что линия трансформирует сопротивление 1:1 и для этой частоты ее электрическая длина соответствует l /2 с учетом коэффициента укорочения. Далее повышая частоту, можно будет найти следующий баланс моста, соответствующий 2l/2 и т.д.

Длина l/2 для частоты L = 300/(2F), а коэффициент укорочения K = X/L. Например, если длина линии Х = 3.3 метра, а баланс произошел на частоте F=30 МГц, то L = 5 метров, а К = 0,66. Обычные значения коэффициентов укорочения для коаксиальных линий — 0.66, для ленточных кабелей — 0.82, для открытых двухпроводных линий — 0.95. Локализация неоднородностей в фидере.

При необходимости определить расстояние до неоднородности в фидере (короткое замыкание или обрыв), не демонтируя фидер, можно сделать следующим образом. При обрыве или КЗ в фидере, максимальный КСВ будет наблюдаться на частотах, где линия работает как трансформатор l/2, а также на кратных частотах независимо от диапазона, выбранного для измерений.

Фидер отключается от трансивера и подключается к выводу 2 направленного ответвителя. Девиация частоты выбирается таким образом, чтобы было удобно производить измерения периода КСВ. Период в мегагерцах, соответствует полосе частот, на которых линия работает как l/2 отрезок с учетом укорочения.

Допустим, частотный интервал между максимумами КСВ равен 3 МГц, значит, частота на которой линия сейчас работает как трансформатор l/2, равна 6МГц и это соответствует длине волны 50 метров (т.е. до неоднородности 50 метров без учета коэффициента укорочения линии). Зная коэффициент укорочения линии, можно о точностью определить действительное расстояние до неоднородности. Например, если линия выполнена коаксиальным кабелем с коэффициентом укорочения 0,66, то в нашем примере расстояние от передатчика до обрыва (КЗ) в коаксиальном кабеле равно 33 метра.

Измерение коэффициента укорочения кабеля.

Измерения производятся также, как в предыдущем случае, но к выводу 2 направленного ответвителя подключается измеряемый кабель длиной несколько метров. Допустим, измеряется коэффициент укорочения кабеля длиной 33 метра. Измеренная электрическая длина кабеля равна 50 метров, значит коэффициент укорочения равен 33/50=0,66 .

Проверка кабеля 50 Ом на отсутствие неоднородностей.

К выводу 2 подключается проверяемый кабель, на другом конце которого подключена согласованная нагрузка 50 Ом. На экране прибора должна наблюдаться ровная линия, если в кабеле нет неоднородностей.

Порядок настройки антенны

В качестве примера, приведу несколько слов о порядке настройки рамочной антенны - треугольник - для диапазона 80 метров, используя способы измерений, приведенные выше. Необходимо согласовать выходной каскад передатчика (50 Ом) с антенной коаксиальным кабелем 50 Ом. Если нет возможности измерить сопротивление антенны и найти ее резонансную частоту, подключившись прямо в точке запитки, то подключаем трансформирующую линию l/2 между приборами и антенной.

Таким образом, пользуясь трансформирующими свойствами линии (1:1) можно проводить измерения не непосредственно у антенны, а на другом конце линии. Одним из описанных способов, измеряем сопротивление антенны и ее резонансную частоту. Если резонансная частота антенны немного смещена, изменением геометрических размеров антенны, добиваемся резонанса на нужной частоте. Обычно сопротивление такой антенны равно 120 Ом и для согласования антенны с кабелем необходимо применить трансформатор 1:2.4.

Этот трансформатор можно сделать, используя трехпроводный ШПТЛ с отношением Rвых = 4/9 (см. Бунин, Яйленко "Справочник радиолюбителя-коротковолновика"). После изготовления трансформатора, подключаем к высокоомному входу трансформатора резистор сопротивлением 120...130 Ом, а к другому входу подключаем антенноскоп и измеряем входное сопротивление и коэффициент трансформации. Подключив трансформатор между РА и линией питания, и используя ВЧ-амперметр, проверяем ток в антенне (см. рис. 14,2 [1]). Лучше измерять ток после РА с помощью калиброванного ВЧ-амперметра и рассчитать поглощаемую мощность.

Если окажется, что мощность меньше, чем на эквиваленте антенны, значит согласующее устройство вносит реактивность, которую необходимо компенсировать. Для этого последовательно с ВЧ-амперметром включается переменный конденсатор 10...500 пФ, подстраивая который, надо добиться максимума в показаниях ВЧ-амперметра. В случае, если с помощью конденсатора не удается увеличить ток в антенне, его надо заменить на вариометр и подобрать компенсирующую индуктивность.

После подбора компенсирующей реактивности, измеряется ее значение и она заменяется на элемент с постоянным значением. После настройки согласующего устройства, его надо поместить в герметичный корпус и перенести в точку подключения антенны и коаксиального кабеля. Для полноты картины еще раз требуется проверить согласование с помощью КСВ-метра.

Несколько советов по подключению компьютеров

Многие жалуются, что их настольный компьютер сильно мешает приему радиостанций. Причиной этого явления в большинстве случаев является плохое согласование антенны и оплетка коаксиального кабеля - фидера антенны - принимает излучения компьютера, которые в виде помехи попадают на вход приемника. Проверить это предположение просто. Отсоедините кабель от входа приемника и, если помехи исчезнут, значит основной путь попадания помех от компьютера на вход приемника по оплетке кабеля.

После тщательного согласования антенны с помощью приведенных ниже способов, можно в значительной мере избавиться от помех по приему и от неустойчивой работы цифровых узлов при передаче. Второе необходимое условие для удобства работы с компьютером — тщательное заземление всех приборов. Заземление на трубу отопления не годится! Третий путь — заключить все кабели, идущие от компьютера, в экран и очень желательно пропустить каждый из них сквозь ферритовое кольцо 2000 НМ (по паре витков).

Можно также пропустить сквозь кольцо и антенный кабель (для дополнительного симметрирования кабеля и устранения распространения ВЧ-сигналов по его оплетке). Иногда источником помехи является монитор и кабели, идущие к нему. Попробуйте включить - выключить монитор из сети при работающем и загруженном компьютере. Если уровень помехи изменяется, то рекомендуется отдельно заземлить шасси монитора, а точку заземления шасси необходимо подобрать экспериментально по минимуму помех.

А. Дощич, (UY0IL)