НА ГЛАВНУЮ - - адрес этой страницы -- http://ra6foo.qrz.ru/fider-loss.html --
версия 02 08 2010 - - НА ГЛАВНУЮ
на страницу Потери в фидерном тракте
РАСЧЕТЫ ФИДЕРНЫХ СИСТЕМ: расчет согласования. RFSimm99
Усиление, шумовой параметр G/T, потери в системе и КСВ определяют не только качество
модели и грамотное исполнение и установка антенны, но и ПОТЕРИ и РАССОГЛАСОВАНИЕ
в ФИДЕРНОМ РАКТЕ, состоящем из кабелей, разьемов,коаксиальных реле, трансформаторов,
стыков и тройников.
О потерях в элементах согласования ходят ужасные страшилки, в которых они завышены
в десятки и сотни раз. Напротив, в самом согласовании допускаются ошибки, приводящие
к заметному рассогласованию и КСВ в фидерной системеи между фидером и источником,
за что порой расплачивается антенна - "настройкой", вернее расстройкой ее на величину
рассогласования, вносимого фидером, но с обратным знаком, так чтобы трансивер был
согласован с входом фидера.
На этой станице разговор только о РАССОГЛАСОВАНИИ в фидерной системе.
РАССОГЛАСОВАНИЕ в фидере и элементах согласования. Расчет в RFSimm99
Способы соединения антенн в стек и трансформаторы рассмотрены на других страницах. Ошибки и неточности их изготовления приводят к рассогласованию. Вопрос согласования имеет место даже в простом случае: антенна, кабель и трансивер- все 50 Ом. По простой причине- кабель может иметь отклонение от 50 Ом в пределах допуска по ГОСТ или ТУ (+-4%), а часто и значительно больше, до 20 %. Несложно расчитать, что КСВ в кабеле будет до 1,04 и до 1,2 с оответственно, а рассогласование с трансивером (КСВ между трансивером и входным сопр. кабеля) от 1 если длина кабеля кратна полуволнам на расчетной частоте, до 1,08 и 1,44 соответственно при длине, кратной нечетным четвертям длины волны. Крайние значения КСВ несложно расчитать в уме, а как меняется КСВ в полосе частот можно видеть на графике в программе RFSimm99rus Описание и ZIP 1 Мб. Сначала немного о самой программе.
RFSimm99
На снимке с эрана пример расчета возможных значений КСВ в полосе частот 140...150 МГц для
случая, когда нагрузка (антенна) имеет 50 Ом во всем диапазоне частот, кабель 50 Ом +-4% длиной
22.2 м. В ней есть возможность ввода допусков на параметры элементов фидерной системы и
расчет возможных значений КСВ в пределах разброса допусков и в нужной нам полосе частот.
В параметры кабеля вместо К укор. вводится скорость распространения ЭМВ в кабеле.
Для кабеля с сплошной ПЭ изоляцией умножим V света 299,792 миллионов м/с на К укор. кабеля
0,658 = 197,37 Mм/с. Нажав кн. Simulate открывается окно графиков.
В верхнем ряду кнопок выбрать "Декартова сист. координат", "Линейное качание частоты" и
"Номинальное знчение" В ячейках под графиком установить граничные частоты свипирования.
Слева и (или) справа выбрать "S11", в выпадающих списках "Линейно V", у углов поля графиков
выбрать диапазон значений S11. По умолчанию он от 0 до 1,0 что соответствует КСВ от 1,0 до
"бесконечность". S11 связан с КСВ формулой: КСВ = 1+S11/1-S11. Подробнее о S11 на стр.
Измерения . На фото справа таблица для перевода S11 в КСВ.
Открыв эту ссылку можно сохранить
и распечатать на принтере таблицу. У меня она накленна на боковом обрамлении монитора.
. 
По умолчанию расчет графика ведется для номинальных значений элементов, в данном случае
для кабеля точно 50 Ом, поэтому линия зависимости S11 от частоты будет лежать на нулевой линии
и не видна. Чтобы получить график возможных значений S11 (КСВ) от частоты в пределах допуска
кабеля по волновому сопротивлению и (или) длине, в его установках надо включить разброс по
допуску и установить его значения (при этом один из плюсов заменить на минус). Затем нажать кн.
"Свипирование по разбросу", установить число качаний и нажать ОК.
На графике видно, что на частотах 142,22 и 146,66 МГц S11=0. На этих частотах кабель работает
как многополуволновый повторитель и независимо от его волнового сопротивления не вносит
рассогласования. На частотах140.00, 144.44 и 148.88 МГц S11 достигает 0,04, что соответствует КСВ 1,08.
Периодичность в 4,44 МГц не зависит от частоты.
Это свойство используется для точного определения К укор. кабеля с помощью мостового КСВ
метра с установленной на нем заглушкой кз вместо эталона. Разделив частоту на количество
максимумов (минимумов) КСВ до нее при разомкнутом и то же - при закороченном дальнем конце
кабеля, получим периодичность, соответствующую частоте, на которой кабель работает как
полуволновый. Зная его физическую длину, несложно расчитать К укор. (например в программе
в этом примере сотый минимум не на 444.00, а на 444.48 МГц, значит кабель имеет длину 1/2λ
на частоте 4.4448 МГц, что значительно точнее, чем замер короткого 1/2 волнового отрезка. 1λ
он будет иметь на частоте вдвое выше, 8.8896 МГц, или в λ 33.724 м. Разделив 22.2 м на 33.724
м получаем К укор. = 0.658 который и был в расчете).
Расчет рассогласования
Один из примеров расчета уже приведен. Далее рассмотрим другие применяемые на практике решения трансформации и конструкции фидерных систем и возможное или неизбежное рассогласование в них.
1. Две антенны 50 Ом 435 МГц на кабель 50 Ом через кабели 75 Ом, как 13/4 трансформаторы.
Часто используемый вариант. Здесь взяты кабели 75 Ом с сплошным ПЭ и К укор. 0,658
длиной 1,475 м или 13/4 λ, соединенные встык пайкой с кабелем снижения 50 Ом.
Голубая линия на графике соответствует значениям S11 (КСВ) при 75 Омном кабеле,
семейство кривых красного цвета -значения S11 в пределах отклонения от 75 Ом от +4 до -6% в
диапазоне частот 430...440 МГц. Самая нижняя кривая графика соответствует кабелю 75 - 6% = 70,5 Ом,
близкому к тому, что требуется (70.7) для полного согласования на расчетной частоте 435 МГц.
С таким кабелем S11 на крайних частотах 430 и 440 МГц не превышает 0.082 что соотв. КСВ = 1,18.
При отклонении в пределах допуска в сторону больших значений, 75 +4%, КСВ на расчетной частоте
до 1,18, а на краях диапазона до 1,27.
Здесь, как и в других примерах ниже, следует отметить, что есть вероятность, что входное
сопротивление антенн Za. как комплексная величина R +- Jx, может оказаться комплиментарным
или близким к нему в полосе частот сопротивлению на выходе кабеля в точке подключения:
Ra=R, a Jxa=Jx, но с обратным знаком. Такие случаи приводят к КСВ в полосе частот ниже
ожидаемого и встречались в практике. Но не менее вероятно, что окажется противоположным
и ухудшит согласование.
2. Тот же стек, но кабели 75 Ом и кабель снижения 50 Ом соединены с помощью тройника и разьемов 50 Ом
Здесь показана модель реального случая как ответ на вопрос, почему при хорошо согласованных в диапазоне 430 МГц антеннах КСВ в стеке оказался около 2. Казалось бы, плечи тройника с разьемами, как участки 50 Ом длиной 32 мм, не должны существенно ухудшить согласование. Их длину обычно не включают в длину трансформатора. В RFSimm это выглядит так:
Здесь шкала S11 развернута полностью, до 1.0, диапазон сканирования от 415 до 440 МГц. Зеленая линия- участок 430...440 МГц. S11 имеет в нем значения от 0,26 до 0.4, что соответствует КСВ от 1,7 до 2,3, те самые "около 2". Включив плечи тройника в длину трансформатора, можно сместить минимум S11 с частоты 419 МГц на 435 МГц, но участок тройника 50, а не 75 Ом, также вносит рассогласование и результирующий КСВ без учета допусков будет от 1,15 в центре до 1,35 по краям диапазона. Напомню, в схеме с прямой пайкой мы имели 1,13 и 1,22.
Потери при рассогласованных нагрузках фидера
Нагрузки у нас две, одна при передаче, это антенна, другая при приеме - входная цепь трансивера.
Очевидно, что они всегда разные, кроме идеального и маловероятного случая на одной из частот,
когда и антенна и приемный вход на этой частоте имеют чисто активное сопротивление, равное
волновому фидера. В остальных случаях мы имеем разный КСВ в фидере и разные потери при
приеме и при передаче. Здесь важно подчеркнуть, что иных потерь ПОСТУПИВШЕЙ в фидер
мощности, кроме потерь в самом фидере, в том числе и из за КСВ в нём, нет.
Известно, что мощность в нагрузке максимальна, когда сопротивление нагрузки равно внутреннеу
сопротивлению источника, и при их отличии сотавляет часть от нее, равную отношению меньшего
сопротивления к большему. Должен сразу сказать, что вопросы рассогласования входа приемника
для достижения минимума шума и рассогласования выходных цепей передатчика для получения
максимальной полезной мощности и (или) КПД тенератора не противоречат сказаному здесь, но
очень обширны и здесь не рассматриваются.
Вся мощность, принятая антенной, поступает на вход приемника, также как и вся мощность,
сгенерированная передатчиком, поступает на вход антенны, независимо от КСВ в фидере,
но за вычетом потерь в нем при этом КСВ. И разговор здесь может идти не о потерях мощности,
а о неполной генерации мощности трансивером при передаче из за его работы на несогласованную
нагрузку в виде входного сопротивления фидера и о неполном приеме мощности поля ЭМВ антенной
из за ее работы на несогласованную нагрузку в виде входного сопротивления фидера,
подключенного к ней. Подробнее здесь
на стр. 13...22.
на страницу Потери в фидерном тракте