2.1. Основные параметры антенн

Для правильного выбора подходящей антенны и ее настройки необходимо учитывать основные параметры. Рассмотрим их более подробно.

Волновое сопротивление. Как и вся аппаратура Си-Би, стандартные антенны Си-Би диапазона имеют волновое сопротивление 50 Ом. В большинстве случаев они подключаются с помощью 50-омного коаксиального кабеля с разъемом типа PL-259. Собственное волновое сопротивление большинства антенн отличается от величины 50 Ом. Поэтому в большинстве случаев между антенной и фидером включено согласующее устройство. Волновое сопротивление нельзя измерить обычным тестером.

Полоса рабочих частот — это полоса частот, на которые антенна может быть настроена.

Полоса пропускания или количество каналов — это диапазон частот, в котором антенна работает без дополнительной настройки. К сожалению, значение КСВ на границе полосы пропускания обычно не указывается в параметрах, поэтому трудно объективно сравнить полосы пропускания различных моделей антенн. Так как шаг сетки частот между каналами равен 10 кГц, то по количеству каналов можно определить полосу пропускания антенны:

Полоса (кГц)=10 кГц*Количество каналов

Минимальное значение КСВ — это минимальное значение КСВ в середине полосы пропускания. Обычно на границе полосы пропускания КСВ должно быть не более 2,0.

Коэффициент усиления антенны. Этот параметр показывает, во сколько раз изменяется сигнал на выходе данной антенны по сравнением с некоторой эталонной, при приеме одной и той же радиостанции. К сожалению, усиление антенн измеряется в относительных единицах, но не всегда указывается, относительно какой антенны указано усиление. Поэтому при выборе антенны ориентироваться на приведенный коэффициент усиления следует с большой осторожностью. Более длинные антенны обычно имеют большее усиление. Спиральные антенны и антенны, имеющие удлинительную катушку в средней части штыря, имеют несколько большее усиление, чем антенны равного размера, имеющие удлинительную катушку в основании.

Максимальная подводимая мощность. Этот параметр показывает, какую максимальную мощность может иметь передатчик при использовании данной антенны. При превышении максимально допустимой подводимой мощности может произойти электрический пробой или тепловое разрушение элементов антенны. Все промышленные антенны позволяют использовать передатчики с разрешенной в России мощностью в 10 Вт.

Ветроустойчивость. Для базовых и автомобильных антенн этот параметр определяет максимально допустимую скорость ветра. При большой скорости ветра может произойти разрушение антенны. Этот параметр наиболее важен для районов с ураганными ветрами и при использовании автомобильных антенн на магнитном основании.

Для настройки и согласования антенн используются различные приборы: измерители коэффициента стоячей волны (КСВ), гетеродинные индикаторы резонанса (ГИР), индикаторы напряженности электромагнитного поля, высокочастотные мостовые схемы. Схема простейшего индикатора напряженности электромагнитного поля приведена в разделе "Контрольные приемники".

2.2. Гетеродинный индикатор резонанса

Задача антенны — преобразовать с максимально высоким коэффициентом полезного действия энергию генерируемых передатчиком высокочастотных колебаний в энергию электромагнитного поля и излучить ее в виде электромагнитных волн. Для получения максимального электрического и магнитного поля обычно используется явление резонанса, которое проявляется в многократном усилении электрического и магнитного полей в колебательном контуре при совпадении собственных и вынужденных

колебаний. Для определения резонансных частот элементов антенно-фидерных устройств используют гетеродинные индикаторы резонанса. На рис. 2.1 приведена схема такого устройства.

Рис. 2.1

Конструктивно ГИР монтируется в небольшой металлической коробочке. На лицевой панели устанавливается индикаторный прибор и конденсатор переменной емкости, снабженный шкалой настройки. На боковой стороне корпуса устанавливается разъем, к которому подключается катушка индуктивности L1. Для перекрытия диапазона 25...40 МГц катушка имеет следующие параметры:

диаметр каркаса 20 мм, длина намотки 30 мм, обмотка состоит иг 9 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,6 мм с отводом от второго витка (считая от нижнего по схеме). При использовании набора сменных катушек прибор перекрывает диапазон частот от 3,0 до 150 МГц. ГИР используется для определения резонансных частот LC контуров, антенн и отрезков коаксиального кабеля. Работа прибора основана на поглощении высокочастотной энергии исследуемым контуром или антенной в момент совпадения их собственной резонансной частоты и частоты настройки ГИР. В этот момент показания индикаторного прибора имеют резкий провал. Этот провал тем больше, чем сильнее связь между ГИРом и колебательным контуром и чем выше добротность этого контура.

Для точного измерения резонанса необходимо, чтобы ГИР был индуктивно связан с антенной в точке пучности тока. Как известно, пучность тока располагается на расстоянии 1/4 длины волны от конца вибратора. К этой точке и следует подносить ГИР. Изменяя частоту настройки прибора, находят "провал" в показаниях индикатора и считывают в этот момент соответствующую частоту на шкале. Эта частота и является резонансной частотой. Необходимо помнить, что индикация резонанса происходит не только на основной частоте, но и на гармониках. Если частота резонанса антенны измеряется в непосредственной близости от земли, то она смещается в сторону более низких частот. При подъеме антенны на мачту резонансная частота сместится вверх на 0,2...0,4 МГц. Используя ГИР, можно подобрать длину коаксиального кабеля для работы в режиме настроенной линии передачи (электрическая длина такой линии равна целому числу полуволн). Для этого один конец кабеля закорачивают, а к другому подносят ГИР и определяют резонанс вблизи частоты 27 МГц. Постепенно укорачивая кабель, добиваются резонанса на средней частоте используемого диапазона.

2.3. Измеритель КСВ

Непосредственно подключить антенну можно лишь к портативной радиостанции. Во всех остальных случаях антенна подключается к приемопередатчику с помощью высокочастотного фидера. Назначение фидера — передать с минимально возможными потерями сигнал от передатчика в антенну при передаче и от антенны к приемнику при приеме. Для того, чтобы максимум мощности сигнала был передан от передатчика в антенну, необходимо согласование выходного сопротивления передатчика, волнового сопротивления фидера и сопротивления антенны. Вся Си-Би аппаратура разрабатывается и выпускается с выходным сопротивлением 50 Ом. Поэтому, для обеспечения согласования, в Си-Би технике в качестве фидера используется коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Если в качестве фидера используется не стандартный коаксиальный кабель, а какой-либо суррогат или кабель с другим волновым сопротивлением, то эффективность работы Си-Би аппаратуры упадет. В отдельных случаях применение нестандартного кабеля может даже привести к выходу аппаратуры из строя. Конструктивно коаксиальный кабель состоит из центральной жилы, внутреннего изолятора, внешней оплетки и внешнего изолирующего слоя. Часто при покупке кабеля неизвестна ни его марка, ни его волновое сопротивление. Тем не менее с помощью простых измерений можно установить волновое сопротивление. Для этого нужно удалить защитную изоляцию и оплетку и измерить диаметр центральной жилы и внешний диаметр внутренней изоляции. Значение волнового сопротивления коаксиального кабеля со сплошной полиэтиленовой изоляцией можно вычислить по формуле:

W=91*Lg(D/d), где W — волновое сопротивление кабеля, Ом;

D —диаметр внутренней изоляции, мм;

d — диаметр центральной жилы, мм.

Практически, наиболее широко распространены кабели с волновым сопротивлением 50 Ом (у которых отношение D/d находится в пределах от 3,3 до 3,7) и кабели с волновым сопротивлением 75 Ом (у которых отношение D/d находится в пределах от 6,5 до 6,9). Кабели с волновым сопротивлением 75 Ом обычно применяются в телевизионной и видео технике. Волновое сопротивление коаксиальных кабелей не изменяется при прокладке его вблизи других кабелей, по металлическим крышам и т. д. Однако при прокладке кабеля необходимо обеспечить целостность его внешней защитной оболочки и не допускать изгибов с малым радиусом. Конец кабеля, подключенный к антенне, должен быть защищен от попадания влаги внутрь кабеля.

Степень согласования оценивают с помощью коэффициента стоячей волны (КСВ). Если линия и нагрузка согласованы, то КСВ=1, если волновое сопротивление линии и сопротивление нагрузки различаются, то КСВ>1. При этом в линии образуются максимумы и минимумы тока и напряжения. Коэффициент стоячей волны определяется как отношение максимального значения тока или напряжения к минимальному:

KCB=Umax/Umin или KCB=lmax/lmin

Если сопротивление нагрузки больше сопротивления линии (Zн>Zл), KCB=Zн/Zл. Если сопротивление нагрузки меньше сопротивления линии (Zн<Zл), KCB=Zл/Zн. Измеритель КСВ позволяет измерить напряжение падающей и отраженной волны.Схема измерителя приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2

Основу измерителя составляет измерительная линия L1. Для ее изготовления необходимо использовать кусок 50-омного коаксиального кабеля длиной около 150 мм. С кабеля удаляется внешняя защитная оболочка. Затем оплетка сдвигается с концов к середине. Между оплеткой кабеля и полиэтиленовой изоляцией центральной жилы протягивается провод МГТФ 0,15. После этого следует снова надеть оплетку и растянуть ее на изоляции центральной жилы. Затем оплетка фиксируется на концах нитками. Длина внешних отрезков провода МГТФ до переключателя должна быть минимальной.

Принцип действия измерителя КСВ очень прост. Он включается в разрыв линии передачи, причем расположение коаксиальных разъемов Х1, Х2 не имеет значения, так как прибор электрически симметричен. Резистор R1 устанавливают в среднее положение. При работающем передатчике потенциометр R2 регулируют так, чтобы в положении переключателя "падающая волна" индикатор давал полное отклонение. Затем переключатель устанавливают в положение "отраженная волна" и производят измерение напряжения отраженной волны Uo. По полученному результату определяют значение КСВ по формуле:

KCB=(100+Uo)/(100-Uo)

Можно проградуировать шкалу прибора непосредственно в единицах КСВ. При отношении напряжений прямой и отраженной волны 100:0; 100:20: 100:40; 100:60; 100:80 КСВ составляет соответственно 1,0; 1,5; 2.3; 3,0; 5,7. Коэффициент полезного действия линии передачи связан с КСВ. На многих приборах имеется шкала, показывающая потери в зависимости от КСВ. Если такой шкалы нет- то можно воспользоваться следующей таблицей:

Даже при идеальном согласовании фидера с обеих сторон мощность сигнала в антенне меньше мощности сигнала, вырабатываемого передатчиком. Это связано с тем, что при прохождении сигнала по кабелю уменьшается его уровень, происходит затухание сигнала. Для характеристики кабелей разных марок используется удельное затухание. Удельным затуханием принято называть такое затухание, которое испытывает сигнал заданной частоты, проходя по кабелю длиной 1 м. Удельное затухание измеряется в децибелах на метр (дБ/м) и приводится в справочных данных на каждый тип кабеля. Для уменьшения затухания используется внутренний изолятор с минимальными потерями. Наименьшими потерями обладает воздух, поэтому в наиболее высококачественных коаксиальных кабелях в качестве изолятора центральной жилы используется пористый полиэтилен или другой изолятор с несплошным заполнением. В кабелях с такой изоляцией центральной жилы уменьшается (становится ближе к 1) и коэффициент укорочения.

Дополнительное уменьшение потерь достигается серебрением проводников коаксиального кабеля. Параметры некоторых типов коаксиальных кабелей приведены в Приложении. Затухание сигнала в линии заданной длины определяется по формуле:

К=В*L, где К — коэффициент ослабления;

В — удельное затухание;

L — длина линии.

При проведении измерений КСВ необходимо учитывать, что затухание сигнала в кабеле приводит к погрешности измерений. Это объясняется тем, что и падающая и отраженная волны испытывают затухание. В этом случае КСВ можно рассчитать по формуле:

КСВ=(Uпрям+Uотр.К)/(Uпря-Uотр.К), где КСВ — коэффициент стоячей волны;

Uпрям — измеренное напряжение падающей волны;

Uoтp — измеренное напряжение отраженной волны;

К — коэффициент ослабления отраженной волны.

Коэффициент ослабления рассчитывается по формуле:

K=B*2*L

В этой формуле коэффициент 2 учитывает тот факт, что сигнал испытывает ослабление при передаче от трансивера к антенне и на обратном пути. Так как при использовании кабеля РК50-7-15 удельное затухание на частотах Си-Би составляет 0,04 дБ/м, то при длине кабеля 40 м отраженный сигнал будет испытывать затухание 40*2*0,04=3,2 дБ. Это приведет к тому, что при реальном значении КСВ, равном 2,0, прибор покажет только 1,5; при реальном значении 3,0 прибор покажет около 2,0. В литературе [18] Описан панорамный КСВ-метр, позволяющий наглядно контролировать процесс настройки антенны, а в [19] описано согласующее устройство, объединенное с КСВ-метром.

2.4. Устройства согласования

Трансиверы в Си-Би технике рассчитаны на применение 50-омной нагрузки. Однако, даже при использовании 50-омного кабеля нельзя гарантировать, что нагрузка также составит 50 Ом. Величина нагрузки будет зависеть от степени согласования кабеля и антенны. Степень согласования антенны и кабеля определяется КСВ. При значении КСВ более 3 может выйти из строя выходной каскад передатчика. Если по каким-либо причинам нельзя точно согласовать антенну, то для защиты выходного каскада можно использовать устройство согласования или, как его еще называют, "мэтчер". Еще раз нужно подчеркнуть, что "мэтчер" позволяет согласовать величину нагрузки с волновым сопротивлением трансивера, но полного восстановления эффективности работы антенно-фидерной системы не происходит. Схема подключения КСВ-метра и согласующего устройства в антенно-фидерный тракт приведена на рис 2.3.

Рис. 2.3

. Схема согласующего устройства изображена на рис. 2.4.

Согласующее устройство представляет собой параллельный резонансный контур с отводами. Катушка намотана на тороидальном каркасе из фторопласта с внешним диаметром 20 мм, внутренним диаметром 10 мм и толщиной 5 мм. Обмотка расположена равномерно по окружности и содержит 12 витков провода ПЭВ диаметром 0,8 мм и имеет отводы от каждого витка. Настройка в резонанс осуществляется конденсатором переменной емкости С2. Подбирая положение переключателя SA1, добиваются минимального значения КСВ.

В качестве устройства согласования часто используют П-контур с конденсаторами переменной емкости в качестве органов регулировки. Схема такого устройства приведена на рис. 2.5.

Катушка L1 имеет параметры: диаметр 10 мм, длина намотки 25 мм, провод ПЭВ диаметром 1,0 мм, число витков 7. Конденсатор С2 определяет степень связи с антенной, а С1 настраивает контур в резонанс. Согласование начинают при слабой связи с антенной (С2 имеет максимальную емкость). Уменьшая величину С2 и подстраивая С1 до получения резонанса, добиваются минимального значения КСВ.

В литературе [20] описан П-контур, применяемый для согласования малогабаритных антенн. Так как малогабаритные антенны имеют низкое сопротивление, то и выход портативной станции также "низкоомный". Если портативную радиостанцию предполагается использовать со стационарной антенной, то требуется согласовать "низкоомный" выход станции с 50-омным кабелем. Для этой цели также можно использовать П-контур.

2.5. Использование 75-омного кабеля

Трансиверы и антенны в Си-Би технике рассчитаны на применение 50-омного коаксиального кабеля. Однако 75-омный кабель получил значительно большее распространение, так как применяется в телевизионной технике. Кроме того, 50-омный кабель обычно значительно дороже сравнимого с ним по затуханию 75-омного. Непосредственное подключение 75-омного кабеля к 50-омной аппаратуре приведет к повышению КСВ до 1,5. Такое повышение КСВ с точки зрения энергетических потерь не очень существенно, так как приводит к потере только 4% мощности передаваемого сигнала. Такое небольшое изменение мощности даже не каждым прибором можно зафиксировать, а на слух оно тем более незаметно. Соединение трансивера с 50-омным выходом и 50-омной антенны с использованием 75-омного кабеля приведет к потере мощности в двух 50/75-омных переходах. При этом общие потери составят 1-0,96*0,96=0,078 (7,8%). Такими потерями также можно пренебречь. Попутно можно отметить, что использовать 50-омный кабель для подключения телевизионных антенн не стоит, так как это приводит к получению многоконтурного изображения. В этом случае контрастность повтора, составляющая несколько процентов от контрастности основного изображения, вполне заметна на экране.

Вместе с тем отличие КСВ от 1 приводит к изменению режима выходного каскада передатчика, а КСВ более 3 может привести к выходу его из строя. Кроме того, при КСВ, отличном от 1, сам кабель начинает работать как паразитная антенна. Это приводит к искажению диаграммы направленности, "собиранию" дополнительных радиопомех от электроприборов, расположенных вблизи кабеля, и усилению мешающего воздействия на радиоприемники, телевизоры и другую электронную технику. Поэтому целесообразно всегда стремиться к возможно более точному согласованию передатчика и антенно-фидерной системы.

Существует несколько сравнительно простых способов, позволяющих обеспечить согласование 75-омного кабеля с 50-омной Си-Би техникой. Наиболее просто использовать четвертьволновый коаксиальный трансформатор сопротивлений. В качестве такого трансформатора следует использовать отрезок 60-омного коаксиального кабеля длиной 182 см, который включается между выходом трансивера и 75-омным кабелем (рис. 2.6).

60-омный кабель встречается нечасто, поэтому можно использовать комбинацию двух четвертьволновых трансформаторов, составленных из параллельно включенных отрезков 50- и 75-омных кабелей (рис. 2.7).

Трансформатор, составленный из двух параллельных отрезков 75-омного кабеля, имеет волновое сопротивление 37,5 Ом и преобразует сопротивление 750м в 18,750м. Трансформатор, составленный из параллельных отрезков 75- и 50-омного кабеля, имеет волновое сопротивление 30 Ом и преобразует сопротивление 18,75 Ом в 48 Ом. Использование четвертьволновых трансформаторов обеспечивает согласование в полосе частот, составляющей 10% от средней частоты. Поэтому при использовании кабелей с известным коэффициентом укорочения (а для кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией он составляет 0,66) никакой настройки не требуется. При наличии измерителя КСВ можно использовать согласующий П-контур, схема которого приведена на рис. 2.8.

Катушка индуктивности намотана медным изолированным проводом диаметром около 1 мм на оправке диаметром 10 мм

и содержит 7 витков. Конденсаторы могут быть составлены из нескольких включенных параллельно. При мощности передатчика до 10 Вт можно использовать любые керамические конденсаторы. П-контур монтируется в небольшой коробочке, спаяной из фольгированного стеклотекстолита. Монтаж осуществляется непосредственно на выводах соединителей. Настройка осуществляется путем сжатия и растяжения витков катушки L1 до получения минимального КСВ. Дополнительным преимуществом использования П-контура является значительное подавление внеполосных гармонических излучений передатчика, которые могут вызывать помехи телевидению и радиовещанию.

Можно также воспользоваться свойством фидерной линии длиной, равной целому числу полуволн. Линия такой длины имеет входное сопротивление равное сопротивлению, подключенному к другому концу линии. Если к 75-омному кабелю такой длины подключена 50-омная антенна, то Си-Би трансивер будет работать на согласованную 50-омную нагрузку. Для обеспечения работы фидерной линии в режиме полуволнового повторителя необходимо учитывать коэффициент укорочения длины волны в коаксиальном кабеле. Для кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией он составляет величину 0,65...0,66. Длина волны в кабеле может быть рассчитана по формуле:

L=K*300/f, где L — длина волны, м;

f — частота, МГц;

К — коэффициент укорочения.

Необходимо отметить, что с увеличением количества полуволн, укладывающихся в длине кабеля, уменьшается полоса частот, в которой такой кабель работает в режиме полуволнового повторителя сопротивлений. Тем не менее, при длине кабеля до 40...50 метров, этот способ согласования можно использовать в Си-Би диапазоне. Ниже приведена таблица длин кабелей, которые работают как полуволновые повторители. Расчет произведен для трех частот, соответствующих середине сетки "С", середине сетки "D" и началу сетки "D". Первый столбец соответствует работе только в сетке "С", второй в сетке "D", а третий при работе в обеих сетках.

Необходимо учесть, что расчет длин полуволновых повторителей произведен с учетом стандартного коэффициента укорочения (0,66). На практике он может несколько отличаться от указанного, поэтому при наличии измерительных приборов необходимую длину кабеля можно подобрать экспериментально. Для этого берется кабель длиной несколько больше расчетной. К концу кабеля подключается нагрузка 50 Ом. Для уменьшения индуктивности и получения требуемой мощности рассеивания нагрузка составляется из нескольких резисторов МЛТ-2. Можно, например, включить параллельно 3 резистора по 150 Ом. Второй конец кабеля через измеритель КСВ подключается к трансиверу и производится измерение КСВ в начале, середине и конце сетки. Минимальное значение КСВ (около 1,0) должно наблюдаться на частоте ниже расчетной. Постепенно укорачивая кабель, добиваются минимального значения КСВ на требуемой частоте.

2.6. Переменный аттенюатор

При градуировке 8-метров, измерении чувствительности приемников, настройке антенн большую помощь может оказать переменный аттенюатор. Аттенюатор это устройство, позволяющее уменьшать (ослаблять) электрический сигнал в заданное число раз. Переменный аттенюатор позволяет изменять величину ослабления. В радиотехнике величина ослабления и усиления часто указывается в логарифмических единицах — децибелах. Соотношение между относительными единицами (разами) и децибелами приведено в таблице:

На рис. 2.9 изображена схема аттенюатора, позволяющего изменять затухание через 1 дБ в пределах от 0 до 51 дБ. Аттенюатор состоит из 6 П-образных звеньев, которые могут быть включены в различных комбинациях (на схеме условно показаны два звена). Величины резисторов для звеньев различным ослаблением приведены в таблице:

Ослабление более 20 дБ на одно звено делать нецелесообразно, так как при этом увеличивается погрешность и зависимость ослабления от частоты сигнала.

В аттенюаторе могут применяться только пленочные резисторы. Применение проволочных резисторов недопустимо из-за их значительной индуктивности.

Резисторы подбираются с помощью цифрового омметра с точностью не хуже 1%. При необходимости требуемую величину сопротивления можно получить при параллельном или последовательном соединении двух резисторов. Величины этих резисторов должны отличаться примерно в десять раз. Мощность резисторов определяет допустимую подводимую к аттенюатору мощность. При использовании аттенюатора только в режиме приема мощность резисторов может быть любой. Из практики установлено, что аттенюатор, выполненный на резисторах МЛТ-0,25, выдерживает кратковременное включение (2...3 секунды) и в тракте передачи 4-х ваттного трансивера.

Рис. 2.9

Конструктивно аттенюатор смонтирован в коробке, спаянной из фольгированного стелотекстолита. Размеры коробки определяются в основном габаритами применяемых сдвоенных тумблеров. При использовании тумблеров типа МТЗ размеры коробки составляют 25х50х140 мм. На торцевых стенках коробки установлены коаксиальные разъемы СР 50-73. Возможно применение и других типов сдвоенных тумблеров и коаксиальных разъемов. Точность подбора резисторов можно проверить, измерив величину ослабления постоянного напряжения с помощью цифрового мультиметра. При этом необходимо помнить о необходимости подключения к выходу аттенюатора нагрузочного резистора 50 Ом.

Как использовать переменный аттенюатор на практике? Часто корреспонденты просят оценить, какое увеличение сигнала на приеме дает применение усилителя мощности. Оценка "на слух" очень субъективна, да и обычные S-метры дают неточные результаты. Переменный аттенюатор позволяет провести такое измерение с точностью до 1 дБ. Для этого переменный аттенюатор включается между трансивером и антенным кабелем, как показано на рис. 2.10.

Рис. 2.10

Устанавливается нулевое затухание и по стрелочному S-ме-тру отмечается уровень сигнала при работе без усилителя. Затем корреспондент включает усилитель и сигнал на приеме возрастает. С помощью переключателей на аттенюаторе добиваются прежнего показания S-метра. Затухание аттенюатора при этом оказывается равным усилению усилителя мощности. Аналогично можно проводить и сравнение различных антенн у одного корреспондента, а также снимать диаграмму направленности поворотной антенны. Для обеспечения точности измерений необходимо, чтобы оба корреспондента работали в стационарных условиях, уровень помех был значительно меньше уровня сигнала, а связь и уровень сигнала не менялись с течением времени.