НА ГЛАВНУЮ - -
адрес этой страницы -- http://ra6foo.qrz.ru/ua3tw2.html -- версия 01 0 2020 НА ГЛАВНУЮ
Все материалы страницы принадлежат Николаю Смирнову, UA3TW. Моё лишь оформление в виде html
ФАЗИРОВАННЫЕ ВЕРТИКАЛЫ, РАСЧЁТ С НУЛЯ.
Так как изучение фазированных вертикалов здесь будет на виртуальных примерах, то всё здесь виртуальное, включая приёмопередатчики, к которым подключаются виртуальные антенны. То место, где в виртуальной модели антенны подключается приёмопередатчик, называется источником и на рисунке обозначается кружочком. Источники здесь могут быть двух видов, генераторы тока и генераторы напряжения. Поэтому начнём с них, что это такое.
ГЕНЕРАТОРЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Генератором тока называется источник, который даёт стабильный ток, не зависящий от нагрузки на источник. Это не реальная вещь, а такая теоретическая штука. Например, генератор тока 1 ампер обеспечивает ток 1 ампер даже если подключить к нему в качестве нагрузки сухую деревяшку. Он обеспечит протекание тока в 1 ампер через эту сухую деревяшку, пусть её сопротивление при этом будет 1000 мегом. Просто он выдаст напряжение на выходе 1000 миллионов вольт. Тогда по закону Ома ток получится 1 ампер.
Это идеализация, так как реально такой генератор создать невозможно. На практике генератор тока всегда не идеальный и выполняет свою функцию с какой-то заданной точностью. Например, если величина нагрузки на такой генератор примерно 100 Ом, а мы подключаем её к генератору вместе с последовательно включенным сопротивлением 10 кОм, которое будет в этом случае играть роль внутреннего сопротивления генератора, то величина тока через нагрузку будет мало зависеть от величины нагрузки, меняйся она в пределах 100 Ом хоть до нуля – ток через неё будет определяться сопротивлением 10 кОм. В этом примере не идеальность генератора тока будет выражаться числом 1 процент – соотношением сопротивления нагрузки и внутренним сопротивлением генератора. У идеального генератора тока внутреннее сопротивление равно бесконечности. С генератором напряжения всё наоборот – он должен обеспечить на нагрузке заданное напряжение в любом случае, хоть на короткозамкнутой цепи. При этом ток и мощность источника будут равны бесконечности. Внутреннее сопротивление генератора напряжения равно нулю. Ещё я могу часто путать, иногда называя это генератором, иногда источником, но подразумеваю одно и то же.
МОДЕЛИРУЮЩИЕ ПРОГРАММЫ И ИХ ИСТОЧНИКИ
Это идеализация, так как реально такой генератор создать невозможно. На практике генератор тока всегда не идеальный и выполняет свою функцию с какой-то заданной точностью. Например, если величина нагрузки на такой генератор примерно 100 Ом, а мы подключаем её к генератору вместе с последовательно включенным сопротивлением 10 кОм, которое будет в этом случае играть роль внутреннего сопротивления генератора, то величина тока через нагрузку будет мало зависеть от величины нагрузки, меняйся она в пределах 100 Ом хоть до нуля – ток через неё будет определяться сопротивлением 10 кОм. В этом примере не идеальность генератора тока будет выражаться числом 1 процент – соотношением сопротивления нагрузки и внутренним сопротивлением генератора. У идеального генератора тока внутреннее сопротивление равно бесконечности. С генератором напряжения всё наоборот – он должен обеспечить на нагрузке заданное напряжение в любом случае, хоть на короткозамкнутой цепи. При этом ток и мощность источника будут равны бесконечности. Внутреннее сопротивление генератора напряжения равно нулю. Ещё я могу часто путать, иногда называя это генератором, иногда источником, но подразумеваю одно и то же.
Нам известны моделирующие программы MMANA и EZNEC. В них для питания виртуальных антенн применяются виртуальные источники. В распоряжении MMANA есть только источники напряжения. В EZNEC есть и те и другие, по выбору.
Для моделирования антенн с активным питанием удобно применять источники тока и вот почему. Мы все радиоспециалисты или грамотные радиолюбители и знаем, что если в полуволновых элементах текут токи с нужной фазой и нужной амплитуды, то они сформируют поля, такие, что антенна будет излучать в нужную сторону. Мы даже навскидку знаем, какие это должны быть фазы и амплитуды, например, для четырёх вертикалов, расположенных по углам квадрата (4SQ), все токи одинаковы по амплитуде, а фазы такие: передний элемент -90 град. боковые 0 град. задний +90 град. Поэтому при моделировании мы просто включаем источник тока в основание каждого вертикала, туда, куда реально подключается кабель. В таблице источников мы пишем, какой ток даёт каждый источник и с какой фазой. Так как ток течёт только в вертикал, путей ответвления у него нет, то и в вертикале этот же ток течет, и поле соответствующее формируется. При этом источнику тока всё равно, какое у данного вертикала входное сопротивление и как на него влияют другие вертикалы, ток он обязан обеспечить, иначе он не может называться источником тока. Т.е. при питании от источников тока мы можем не обращать внимания на все сложные нюансы взаимодействия элементов, так как принудительно навязываем нужные токи в элементах. Это очень удобно на первом этапе. Ну и диаграмма направленности сформируется правильная, как учили.
Итак, мы имеем виртуальную удобную лабораторию, где можно быстро, легко и точно проводить измерения. Можно и реальную лабораторию сделать, поставить в поле вертикалы, положить радиалы, под каждым вертикалом поставить генераторы сигналов, сделать им большое внутреннее сопротивление, чтобы они были генераторами тока, синхронизировать их по частоте, сделать устройства фазового сдвига, наставить измерителей фаз и амплитуд и полей и проводить измерения, смотреть, где, как и что. Наверное, это не в 1000 раз сложней, а поболе. Но вот у нас есть виртуальная лаборатория и можно посмотреть, где, как и что.
ЧТО ПОЛУЧАЕТСЯ В ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ
Для моделирования антенн с активным питанием удобно применять источники тока и вот почему. Мы все радиоспециалисты или грамотные радиолюбители и знаем, что если в полуволновых элементах текут токи с нужной фазой и нужной амплитуды, то они сформируют поля, такие, что антенна будет излучать в нужную сторону. Мы даже навскидку знаем, какие это должны быть фазы и амплитуды, например, для четырёх вертикалов, расположенных по углам квадрата (4SQ), все токи одинаковы по амплитуде, а фазы такие: передний элемент -90 град. боковые 0 град. задний +90 град. Поэтому при моделировании мы просто включаем источник тока в основание каждого вертикала, туда, куда реально подключается кабель. В таблице источников мы пишем, какой ток даёт каждый источник и с какой фазой. Так как ток течёт только в вертикал, путей ответвления у него нет, то и в вертикале этот же ток течет, и поле соответствующее формируется. При этом источнику тока всё равно, какое у данного вертикала входное сопротивление и как на него влияют другие вертикалы, ток он обязан обеспечить, иначе он не может называться источником тока. Т.е. при питании от источников тока мы можем не обращать внимания на все сложные нюансы взаимодействия элементов, так как принудительно навязываем нужные токи в элементах. Это очень удобно на первом этапе. Ну и диаграмма направленности сформируется правильная, как учили.
Итак, мы имеем виртуальную удобную лабораторию, где можно быстро, легко и точно проводить измерения. Можно и реальную лабораторию сделать, поставить в поле вертикалы, положить радиалы, под каждым вертикалом поставить генераторы сигналов, сделать им большое внутреннее сопротивление, чтобы они были генераторами тока, синхронизировать их по частоте, сделать устройства фазового сдвига, наставить измерителей фаз и амплитуд и полей и проводить измерения, смотреть, где, как и что. Наверное, это не в 1000 раз сложней, а поболе. Но вот у нас есть виртуальная лаборатория и можно посмотреть, где, как и что.
Наша виртуальная лаборатория будет в виде модели для проги EZNEC, смотреть будем на рисунки, которые я буду давать в виде скриншотов с монитора, там и надписи буду делать.
Рисунок первый называется 4SQ_160_4sources.EZ (ссылка на модель в EZNEC)
В нашей лабораторной установке 4 независимых источника тока, подключенных каждый к своему вертикалу, фазы и амплитуды выставлены в таблице (скрин 1).
Дальнее поле, сформировавшееся в результате работы всей системы, измерено и результат выведен в виде диаграммы направленности (ДН) на экран.(скрин 2) ДН нас устраивает. По каждому источнику мы можем посмотреть, что у него за конкретная нагрузка, в которую он толкает свой табличный ток. Для этого есть средства, а именно мы запускаем измерение КСВ и смотрим какой КСВ по каждому отдельному источнику и какие каждый из источников «видит» входные сопротивления при правильной работе антенны. Перебираем источники и видим, что для первого источника, питающего передний элемент с фазой -90 град. входное элемента будет 46-j39 Ом, (скрин 3) для второго, питающего задний элемент, -1,3-j99 Ом, для третьего и четвёртого, питающих боковые элементы, по 31-j100 Ома. Это мы всё проделали в проге EZNEC, но можно то же проделать в проге 4nec2, она бесплатная и легко скачивается и кроме того открывает и EZNEC файлы. На рисунке сами вы не можете перебирать источники, как я могу их перебирать, имея программу, там только первый источник, для переднего вертикала, (скрин 3) так что придётся мне поверить, что для других вертикалов получаются те самые числа, которые я написал, а где в проге я перебирал источники, я на рисунке показал красным.(скрин 3)
Можно сделать и в MMANA, хотя в ней нет источников тока, но если последовательно с каждым источником напряжения включить большое (по сравнению с сопротивлением нагрузки) сопротивление, здесь вполне хватит по 10 кОм, так как входное вертикалов, как мы видим, примерно по 100 Ом, не более, то можно считать, что имеем дело с источниками тока. В MMANA тоже можно посмотреть КСВ и входные сопротивления по каждому из источников и если вычесть из них по 10 кОм, то получим те же самые значения, что и в EZNEC.
КАК НАМ НРАВЯТСЯ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Рисунок первый называется 4SQ_160_4sources.EZ (ссылка на модель в EZNEC)
В нашей лабораторной установке 4 независимых источника тока, подключенных каждый к своему вертикалу, фазы и амплитуды выставлены в таблице (скрин 1).
Дальнее поле, сформировавшееся в результате работы всей системы, измерено и результат выведен в виде диаграммы направленности (ДН) на экран.(скрин 2) ДН нас устраивает. По каждому источнику мы можем посмотреть, что у него за конкретная нагрузка, в которую он толкает свой табличный ток. Для этого есть средства, а именно мы запускаем измерение КСВ и смотрим какой КСВ по каждому отдельному источнику и какие каждый из источников «видит» входные сопротивления при правильной работе антенны. Перебираем источники и видим, что для первого источника, питающего передний элемент с фазой -90 град. входное элемента будет 46-j39 Ом, (скрин 3) для второго, питающего задний элемент, -1,3-j99 Ом, для третьего и четвёртого, питающих боковые элементы, по 31-j100 Ома. Это мы всё проделали в проге EZNEC, но можно то же проделать в проге 4nec2, она бесплатная и легко скачивается и кроме того открывает и EZNEC файлы. На рисунке сами вы не можете перебирать источники, как я могу их перебирать, имея программу, там только первый источник, для переднего вертикала, (скрин 3) так что придётся мне поверить, что для других вертикалов получаются те самые числа, которые я написал, а где в проге я перебирал источники, я на рисунке показал красным.(скрин 3)
Можно сделать и в MMANA, хотя в ней нет источников тока, но если последовательно с каждым источником напряжения включить большое (по сравнению с сопротивлением нагрузки) сопротивление, здесь вполне хватит по 10 кОм, так как входное вертикалов, как мы видим, примерно по 100 Ом, не более, то можно считать, что имеем дело с источниками тока. В MMANA тоже можно посмотреть КСВ и входные сопротивления по каждому из источников и если вычесть из них по 10 кОм, то получим те же самые значения, что и в EZNEC.
Мы видим, что входные сопротивления получились сильно разные и некоторые совсем дикие – для заднего элемента вообще отрицательная активная часть и огромная реактивная часть, да и остальные не подарок – везде большие реактивные части. Что же с этим делать?
Но как мы знаем, у нас вертикалы соединяются с центральным устройством четвертьволновыми линиями. Может, они помогут? Ну, они чудес не сотворят и преобразуют полученные нами входные сопротивления строго по закону трансформации четвертьволновой линией. Но интересно, что получится. Для этого в виртуальной лаборатории проложим от вертикалов четвертьволновые линии к центру системы и запитаем антенну от 4-х источников через линии, пусть 75-и омные (скрин 4). Результат на рисунке 4SQ_160_4sources_TLs75 (ссылка на модель в EZNEC)
Для разнообразия я выбрал импеданс для второго источника, т.е. для заднего вертикала. (скрин 5) Полный комплект импедансов такой. Передний 64+j61 задний -0,7+j56 боковые по 16+j51. Тоже ничего хорошего.
ПОЧЕМУ ИСТОЧНИКИ НАПРЯЖЕНИЯ
Но как мы знаем, у нас вертикалы соединяются с центральным устройством четвертьволновыми линиями. Может, они помогут? Ну, они чудес не сотворят и преобразуют полученные нами входные сопротивления строго по закону трансформации четвертьволновой линией. Но интересно, что получится. Для этого в виртуальной лаборатории проложим от вертикалов четвертьволновые линии к центру системы и запитаем антенну от 4-х источников через линии, пусть 75-и омные (скрин 4). Результат на рисунке 4SQ_160_4sources_TLs75 (ссылка на модель в EZNEC)
Для разнообразия я выбрал импеданс для второго источника, т.е. для заднего вертикала. (скрин 5) Полный комплект импедансов такой. Передний 64+j61 задний -0,7+j56 боковые по 16+j51. Тоже ничего хорошего.
Могли заметить, что в модели 4SQ_160_4sources_TLs75 уже не источники тока а источники напряжения, (скрин 6 синим).
Это почему? Потому, что через четвертьволновые линии. Нам что надо для работы антенны? Чтобы в вертикалах были токи одинаковые по амплитуде и имели нужные фазы, -90, 0, +90. А у четвертьволновой линии есть свойство. Свойство такое – ток в нагрузке четвертьволновой линии равен напряжению на входе линии, делённому на волновое сопротивление линии. А волновое сопротивление линии у нас 75 Ом, чисто рациональное число. И если мы поделим на него наши табличные напряжения, то ничего не изменится в смысле фаз, только амплитуды токов в основаниях вертикалов станут другими, но по-прежнему равными по амплитудам и сохранившими соотношения фаз. Потому и ДН не изменилась. А вот если бы мы поставили источники тока, то ДН бы развалилась.
Но результаты по-прежнему странные. У нас конечная цель какая – запитать антенну от направленного ответвителя, мы это твёрдо знаем. Мы знаем, что это такая штука, которая имеет два нужных нам выхода, на одном фаза 0 град, на втором 90 град. Причём так получится, только если к этим выходам подключать нагрузки чисто активные и с сопротивлением, равным сопротивлению этого направленного ответвителя. Пока нам нечего к нему подключать, так как нет активных равных нагрузок. Ну да ничего. Боковые элементы мы соединим в параллель, подключив их кабели к одному источнику 0 град. Сопротивление при этом упадёт вдвое, т.е. станет 8+j25,6. Передний элемент питается фазой -90 град, запитаем его фазой +90 град, добавив в его линию питания ещё полволны. В результате получим модель антенны с питанием от двух источников 0 и +90 град. (скрин 7) 4SQ_160_2sources_TLs75 (ссылка на модель в EZNEC)
смотрите рисунок под этим названием.
Итак, получили питание от двух источников, +90 град. (передний и задний элементы) и 0 град. (боковые элементы). Входные такие: для переднего вместе с задним 11+j35,5 для боковых 8+j25,5. По-прежнему вряд ли годятся для подключения к НО.
НЕОБХОДИМЫ ШУНТЫ
Это почему? Потому, что через четвертьволновые линии. Нам что надо для работы антенны? Чтобы в вертикалах были токи одинаковые по амплитуде и имели нужные фазы, -90, 0, +90. А у четвертьволновой линии есть свойство. Свойство такое – ток в нагрузке четвертьволновой линии равен напряжению на входе линии, делённому на волновое сопротивление линии. А волновое сопротивление линии у нас 75 Ом, чисто рациональное число. И если мы поделим на него наши табличные напряжения, то ничего не изменится в смысле фаз, только амплитуды токов в основаниях вертикалов станут другими, но по-прежнему равными по амплитудам и сохранившими соотношения фаз. Потому и ДН не изменилась. А вот если бы мы поставили источники тока, то ДН бы развалилась.
Но результаты по-прежнему странные. У нас конечная цель какая – запитать антенну от направленного ответвителя, мы это твёрдо знаем. Мы знаем, что это такая штука, которая имеет два нужных нам выхода, на одном фаза 0 град, на втором 90 град. Причём так получится, только если к этим выходам подключать нагрузки чисто активные и с сопротивлением, равным сопротивлению этого направленного ответвителя. Пока нам нечего к нему подключать, так как нет активных равных нагрузок. Ну да ничего. Боковые элементы мы соединим в параллель, подключив их кабели к одному источнику 0 град. Сопротивление при этом упадёт вдвое, т.е. станет 8+j25,6. Передний элемент питается фазой -90 град, запитаем его фазой +90 град, добавив в его линию питания ещё полволны. В результате получим модель антенны с питанием от двух источников 0 и +90 град. (скрин 7) 4SQ_160_2sources_TLs75 (ссылка на модель в EZNEC)
смотрите рисунок под этим названием.
Итак, получили питание от двух источников, +90 град. (передний и задний элементы) и 0 град. (боковые элементы). Входные такие: для переднего вместе с задним 11+j35,5 для боковых 8+j25,5. По-прежнему вряд ли годятся для подключения к НО.
И вот получается, что параллельно кабелям со стороны концов, идущих к НО, надо подключить какие-то реактивности, какие-то катушки или конденсаторы, которые компенсировали бы входные реактивности. Почему параллельно а не последовательно? Можно подключить последовательно с первым кабелем реактивность –j35.5 а со вторым –j25.5 и получить входное 11 и 8 Ом активных. Но так не получится, так как на другом конце последовательной реактивности фаза будет уже другая. Поэтому параллельно, тем более, что параллельное включение одновременно увеличивает сопротивление. Это как в параллельном контуре, увеличивается сопротивление на резонансе, физика та же. Так как у нас реактивности плюсовые, то компенсировать
будем конденсаторами, подключаемыми параллельно источникам. Посмотрим, что получится.
Модель и картинка с тем же названием
4SQ_160_2source_TLs75_shunts(ссылка на модель в EZNEC)
Импедансы получились такие: по +90 град. 124 Ома (скрин 8) по 0 град. 89 Ом Шунты: по +90 град. 2235 пФ, по 0 град. 3130 пФ (скрин 9)
Такие значения уже вполне можно подключать к направленному ответвителю, но сам ответвитель лучше делать на 100 -110 Ом. Если самому делать, то не всё ли равно, на какое сопротивление мотать? А согласовать вход 100 Ом с трансивером 50 Ом легко какой-нибудь П или Т цепью.
При других высотах вертикалов и при других волновых сопротивлениях четвертьволновых линий получаются другие шунты и другие сопротивления под направленный ответвитель, но под 50 Ом получить не просто. Обычно получают компромисс – импедансы получаются ближе к 75 омам а питают от 50-омного ответвителя, немного проигрывая в усилении и немного имея на балластном резисторе.
ПОЛНАЯ МОДЕЛЬ
Импедансы получились такие: по +90 град. 124 Ома (скрин 8) по 0 град. 89 Ом Шунты: по +90 град. 2235 пФ, по 0 град. 3130 пФ (скрин 9) Такие значения уже вполне можно подключать к направленному ответвителю, но сам ответвитель лучше делать на 100 -110 Ом. Если самому делать, то не всё ли равно, на какое сопротивление мотать? А согласовать вход 100 Ом с трансивером 50 Ом легко какой-нибудь П или Т цепью.
При других высотах вертикалов и при других волновых сопротивлениях четвертьволновых линий получаются другие шунты и другие сопротивления под направленный ответвитель, но под 50 Ом получить не просто. Обычно получают компромисс – импедансы получаются ближе к 75 омам а питают от 50-омного ответвителя, немного проигрывая в усилении и немного имея на балластном резисторе.
Так как EZNEC 6 позволяет моделировать направленный ответвитель, то напоследок модель с направленным ответвителем, т.е. прямо от трансивера, от одного источника. Картинка 4SQ_160_1source_TLs75_shunts.(ссылка на модель в EZNEC)
Ответвитель здесь 100-омный. Его элементы помечены красными рамками. (скрин10)
Шунты помечены синими рамками. (скрин 11)
Усиление и подавление помечены оранжевой рамкой. (скрин 12)
Ток через балластную нагрузку помечен зелёной рамкой. (скрин 13)
А вот как люди делают без шунтов и у них вроде работает – до меня не доходит. Сколько ни пробовал – везде плохое подавление получалось. (В виртуальной лаборатории, разумеется)
Николай Смирнов UA3TW
март 2020
Ответвитель здесь 100-омный. Его элементы помечены красными рамками. (скрин10)
Шунты помечены синими рамками. (скрин 11)
Усиление и подавление помечены оранжевой рамкой. (скрин 12)
Ток через балластную нагрузку помечен зелёной рамкой. (скрин 13)
А вот как люди делают без шунтов и у них вроде работает – до меня не доходит. Сколько ни пробовал – везде плохое подавление получалось. (В виртуальной лаборатории, разумеется)
Николай Смирнов UA3TW
март 2020