Очень важно, чтобы импеданс антенны был правильно согласован с ее фидером, и есть несколько методов, которые можно использовать: трансформаторы импеданса — балуны и разветвители, антенные тюнеры, согласующие шлейфы и т. д.
При проектировании или установке антенной системы очень важно убедиться, что импеданс источника сигнала или фидера соответствует импедансу антенной системы. Обеспечение точного согласования импеданса обеспечивает оптимальную передачу мощности и, следовательно, оптимальную эффективность. Это может быть важно, когда используются системы радиосвязи или широковещательные передатчики, поскольку в этих ситуациях решающее значение имеют характеристики антенны.
В то время как некоторые антенные системы используют высокий уровень КСВ в двойном или открытом механизме подачи проволоки, для обеспечения оптимальной передачи мощности в конечном итоге потребуется хорошее согласование с передатчиком. Кроме того, если передатчик увидит плохое совпадение, он не будет работать эффективно, а в некоторых случаях может возникнуть вероятность повреждения. Любой радиопередатчик или вещательный передатчик, работающий на разумном уровне мощности, должен иметь хорошее согласование импеданса. Для приема обеспечение хорошего согласования обеспечит получение наилучшего сигнала, хотя иногда потребность в высокоэффективных антеннах не так важна.
Необходимость согласования антенн
Одной из основных причин, по которой требуется хорошее согласование между антенной и фидером, является обеспечение низкого уровня стоячих волн, КСВ. Также называемый КСВ — коэффициентом стоячей волны по напряжению, низкий уровень КСВ часто требуется для удовлетворительной работы передающей антенны. Хотя потребность в очень хорошо согласованной комбинации фидера и антенны не так необходима для приема, для передачи это может иметь решающее значение. Мощность, передаваемая от передатчика через фидер, достигает антенны. При плохом совпадении мощность будет отражаться обратно вдоль фидера. Отраженная мощность создаст стоячие волны вдоль фидера. В различных точках фидера будут пики напряжения и тока. Стоячие волны могут вызвать несколько проблем для передающих систем:
- Пики напряжения и тока могут повредить фидер: В некоторых случаях возможно, что пики напряжения и тока могут повредить фидер, если его пределы превышены. Высокий уровень тока может вызвать местное нагревание и, возможно, расплавить фидер. Высокое напряжение может привести к разрушению изоляции. И то, и другое маловероятно, потому что для возникновения этих проблем фидер должен работать очень близко к своим пределам.
- Усилитель мощности передатчика может быть поврежден: если высокие уровни отраженной мощности достигают усилителя мощности передатчика, это может привести к выходу из строя устройств вывода. Современные полупроводниковые приборы могут практически мгновенно выйти из строя при превышении максимального уровня напряжения. Кроме того, избыточный ток, вызванный стоячими волнами отраженной мощности, также может привести к выходу из строя устройств вывода.Ввиду этого многие усилители имеют встроенную схему защиты для снижения уровня мощности передатчика, чтобы не превышались номинальные параметры выходного устройства. Потеря мощности сигнала может привести к более низким уровням сигнала на приемнике и может привести к отказу линии радиосвязи.Другие выходные усилители имеют достаточный запас по номиналам, чтобы приспособиться к высоким уровням КСВ и отраженной мощности. Однако это увеличивает стоимость и нежелательные возможности усилителя, которые обычно не нужны.
- Потеря сигнала из-за высокого КСВ: Тот факт, что мощность отражается от антенны, приводит к потере мощности или сигнала. Это снизит эффективность антенной системы.
По ряду причин полезно, чтобы вся антенная система работала с низким уровнем отраженной мощности.
Примечание по коэффициенту стоячей волны, КСВ и КСВ:
Стоячие волны часто связаны с радиочастотными фидерами, и они генерируются, когда существует несоответствие между импедансом фидера и импедансом нагрузки. При несоответствии мощность отражается, и объединенные напряжения и токи прямой и отраженной мощности образуют вдоль фидера стоячие волны.
Согласование антенны
Чтобы антенная система обеспечивала хорошее согласование с фидером и не отражала мощность обратно к передатчику, часто используется схема согласования антенны в той или иной форме. Эти схемы согласования могут принимать различные формы: от катушек индуктивности, действующих как автотрансформаторы в основании антенны, трансформаторов, таких как балуны, в точке питания антенны, до блоков настройки или согласования, которые можно использовать для обеспечения переменного согласования в диапазоне. частот. Соответствующие заглушки также могут использоваться вместе с множеством других методов.
Следует также отметить, что некоторые антенны, особенно ВЧ антенны, могут использовать открытый механизм подачи проволоки, способный работать с высоким уровнем КСВ. Эта форма фидера будет иметь очень низкий уровень потерь и может выдерживать высокие уровни КСВ. Однако, в конечном счете, перед передатчиком необходима определенная форма согласования, чтобы передатчик мог видеть правильный импеданс для удовлетворительной работы. Различные методы обеспечения хорошего совпадения будут описаны в следующих разделах, хотя некоторые методы могут рассматриваться как частично совпадающие.
Антенные тюнеры. Согласующие устройства
Одной из широко используемых форм согласования для антенны является использование блока настройки или согласования на основе n индуктивности / конденсатора. Эти схемы настройки или согласования антенны могут принимать различные формы. Они могут быть встроены в печатную плату для небольших передатчиков в электронном оборудовании — от радиоустройств ближнего действия, системы Bluetooth и т. д., где необходимо согласовать небольшие антенны с высоким уровнем импеданса с передатчиком / приемником для обеспечения оптимальной работы. Их также можно использовать с ВЧ передающей и приемной антеннами для обеспечения оптимального согласования.
Эти ВЧ антенные тюнеры, ATU, часто размещаются в отдельном корпусе и имеют элементы управления, позволяющие им согласовывать передатчик и антенну в используемых диапазонах частот и диапазонах. Этими ATU можно управлять вручную, хотя существует растущая тенденция к возможности управлять ими с приемопередатчика ВЧ-диапазона и выполнять автоматическую настройку.
Примечание по блоку настройки антенны:
Блоки настройки антенны можно использовать различными способами для настройки или согласования антенны. Это особенно полезно, когда речь идет о передающих станциях, поскольку позволяет защитить передатчик от высоких уровней стоячих волн и результирующих пиков напряжения и тока, которые могут привести к повреждению выходных устройств.
Согласующий трансформатор в вертикальных антеннах
Часто необходимо обеспечить некоторую форму преобразования импеданса внутри самой антенны. Часто вертикальные антенны необходимо запитывать коаксиальным кабелем сопротивлением 50 Ом, но импеданс вертикальной антенны обычно ниже: часто около 20 Ом. При таком импедансе и использовании стандартного коаксиального кабеля сопротивлением 50 Ом будет значительное рассогласование. Чтобы преодолеть это, в основание антенны обычно помещают согласующий трансформатор. Часто это может быть простая катушка с отводом, чтобы обеспечить правильное преобразование импеданса.
Балуны
Согласование антенны включает в себя не только согласование импеданса. Это очень важно, но еще одним аспектом согласования антенн является обеспечение перехода от симметричных систем к несимметричным. Это часто происходит из-за того, что многие антенны, такие как дипольная антенна, имеют симметричный вход, тогда как для питания антенны часто используется коаксиальный кабель. Коаксиальный кабель представляет собой несимметричный фидер, и, хотя это очень удобная форма фидера, необходимо сделать подходящий переход между несимметричным коаксиальным фидером и симметричной дипольной антенной. Существует множество форм балунов, которые можно использовать, каждая из которых имеет немного разные физические характеристики, но всегда обеспечивает переход от сбалансированного к несбалансированному. Часто балуны, но не всегда, используют соотношение витков 1:1, потому что импеданс антенны и импеданс фидера достаточно согласованы, и дополнительное преобразование импеданса не требуется.
Примечание по антенным балунам:
Балуны используются со многими антеннами и их системами питания для перехода от сбалансированной к несбалансированной системе или наоборот. Они могут принимать различные формы и использоваться во многих антенных системах.
Шлейфы согласования импеданса
Согласующие шлейфы состоят из отрезков линии передачи, обычно либо коаксиального, либо симметричного фидера, которые обрезаются до определенной длины для обеспечения требуемого преобразования импеданса. Закороченный шлейф может быть сконструирован так, чтобы получить реактивное сопротивление любого значения. Это может действовать как устройство согласования импеданса, которое компенсирует реактивную часть комплексного импеданса. Недостатком этих шлейфов является то, что они изменяют свое значение в зависимости от частоты и поэтому обеспечивают только узкополосное решение. Новый шлейф требуется, если производится какое-либо значительное изменение частоты. В дополнение к этому, эти шлейфы могут занимать значительную длину в зависимости от используемой частоты.
Дельта-матч
Часто необходимо иметь антенный элемент, питаемый не от центра, с разрывом проводника в центре. Это особенно полезно для лучевых антенн Yagi, где физическая конструкция, особенно на ВЧ, означает, что антенну можно сделать намного более надежной с помощью непрерывного полуволнового элемента.
Это можно легко согласовать с помощью так называемого дельта-согласования — оно получило свое название от формы устройства согласования импеданса. Дельта-согласование работает, потому что оно питает антенну в точках, где соотношение напряжения и тока таково, что импеданс намного выше. Это очень полезно для таких антенн, как Yagi, где импеданс фидера намного ниже 50 Ом из-за близости используемых паразитных элементов. Стоит отметить, что дельта-согласование антенн по-прежнему требует использования симметричного фидера. Это означает, что для любого перехода на несбалансированный фидер, такой как коаксиальный кабель, потребуется балун для преобразования фидера из сбалансированного в несбалансированный.
Гамма-соответствие
Во многих отношениях гамма-сопоставление очень похоже на дельта-сопоставление. Опять же, он использует непрерывный проводник для ведомого элемента, но вместо этого он соединяется с центром антенного элемента, который часто соединяется со штангой конструкции антенны, такой как Yagi, которую можно рассматривать как потенциал Земли. Затем он использует соединение со смещением, питаемое через конденсатор, чтобы удалить реактивные элементы импеданса питания.
Гамма-совпадение или гамма-подача имеет два основных преимущества. Во-первых, это позволяет сконструировать основной элемент антенны из одного цельного проводника, что очень полезно с точки зрения физической конструкции, особенно для больших антенн, где важна механическая прочность. Однако согласование гаммы также обеспечивает несбалансированный вход, и поэтому коаксиальный кабель может быть подключен непосредственно к нему без необходимости использования балуна. Недостатком является наличие конденсатора, который необходимо подрезать для обеспечения оптимальной производительности. Согласование антенны — увлекательная тема, которая может значительно улучшить характеристики антенны. Очень важно, чтобы многие антенны были хорошо согласованы с фидером и, в конечном счете, с источником, если они должны обеспечивать наилучшие характеристики. К счастью, есть много способов, с помощью которых можно обеспечить хорошее совпадение, и для каждой ситуации обычно имеется ряд очень хороших решений. Это может быть особенно полезно для систем, где необходимо очень эффективно использовать мощность передатчика: системы радиосвязи, радиолинии передачи данных, микроволновые линии связи, радиовещание и т.п.