Linie przesyłowe protokóŁ pomiarowy



Pobieranie 217.59 Kb.
Strona2/3
Data29.04.2016
Rozmiar217.59 Kb.
1   2   3

4. Strojenie anteny

Jak zestroić antenę w sposób prawidłowy ?

Potrzebujemy do tego reflektometru (tzw. SWR) i sztucznego obciążenia. Rozpoczynamy od zestrojenia linii przesyłowej czyli przewodu. Do jednego końca kabla podłączamy sztuczne obciążenie a z drugiej reflektometr i radio. Strojenie przeprowadzamy na środku pasma. Wstępnie docinamy kabel do długości odpowiadającej nieparzystej ilości ćwiartek fali razy współczynnik skrócenia (0,66 dla kabli z izolacją polistyrenową: przykład: 3 razy 2,75[ćwiartka fali: 11m : 4 = 2,75] razy 0,66=5,445m) i dodajemy 30 centymetrów na docinanie. Ucinamy po 3 cm i po każdorazowym ucięciu kontrolujemy zestrojenie. W praktyce SWR kabla nie powinien przekraczać 1,05. W miarę możliwości zastosujmy gruby kabel gdyż ma on zazwyczaj dużo mniejsze tłumienie niż kable cienkie. Poza tym jest on najczęściej podwójnie ekranowany co wpływa korzystnie na ilość emitowanych zakłóceń.

Biorąc pod uwagę, że linia przesyłowa została już zestrojona możemy wziąć się za strojenie anteny. Najlepiej wykonać to w miejscu jej zamontowania. Reflektometr podłączamy do anteny za pomocą kabla pomiarowego. Kabel taki powinien mieć długość równą długości polowy fali (lub jej krotności) razy współczynnik skrócenia zastosowanego kabla. Typowo dla kabli z izolacją polistyrenową współczynnik ten wynosi 0,66 ( kable typu WL, WD, RG, RK ). Z drugiej strony reflektometru podłączamy linię zasilającą i przystępujemy do strojenia. Dokonujemy go na interesującym nas zakresie pasma. Ustawiamy radio na pierwszym kanale wybranego zakresu i po przejściu na nadawanie kalibrujemy miernik ustawiając wskazówkę na ostatniej podziałce skali (najczęściej oznaczanej SET). Przełącznik w mierniku ( w zależności od posiadanego) powinien być ustawiony w pozycji FWD, TEST. Po skalibrowaniu przełączamy miernik w pozycję REF, SWR i odczytujemy wskazanie. Tą samą operację powtarzamy dla ostatniego kanału interesującego nas zakresu. Obserwując wskazania możemy stwierdzić czy antena jest za długa czy za krótka. Jeśli na początku pasma SWR jest większy niż na końcu oznacza to, że antena jest za krótka. Jeśli na niskich kanałach SWR jest lepszy niż na wysokich antena jest za długa. Odpowiednio do tego należy antenę stroić przez skracanie lub wydłużanie anteny. Najczęściej wykonuje się to stroikiem na końcu anteny poprzez jego wsuwanie lub wysuwanie.

Oprócz metody, często stosuje się drugą, która jest zdecydowanie prostsza. Wystarczy do radia jak najkrótszym odcinkiem przewodu podłączyć reflektometr i do niego linię zasilającą wraz z anteną. Dalej należy przystąpić do strojenia jak w poprzednim przykładzie. Choć sposób ten nie jest na pewno tak dobry jak poprzedni to jest często stosowany z niezłym skutkiem. Na koniec należy wspomnieć jeszcze, że całość fali stojącej powstającej w kablu na skutek niedostrojenia wraca do radia i jest zamieniana w stopniu końcowym w ciepło. Tak więc jeśli obudowa radia parzy to reflektometr w dłoń i do pracy przy antenie.

Ogólnie należy stwierdzić, że SWR=1,2 jest wynikiem dobrym, SWR=2,0 dostatecznym i możliwym do przyjęcia, SWR=3,0 może już spowodować trwałe uszkodzenie nadajnika. Należy zawsze dążyć do uzyskania jak najlepszego SWR.



5. Anteny do radiotelefonów CB

W tym rozdziale zapoznamy się z antenami, czyli urządzeniami służącymi do zamiany energii fal elektromagnetycznych na napięcie w.cz. lub odwrotnie. Anteny CB pracują w dwie strony,to znaczy zarówno przy nadawaniu, jak i przy odbiorze, a parametry ich nie zależą od kierunku przepływu energii. Od prawidłowo zaprojektowanego i wykonanego systemu antenowego zależą w dużej mierze sukcesy radiostacji, a przede wszystkim zasięgi łączności. Gorsze wyniki osiągnąć można przy złej, niedopasowanej antenie i nadajniku o mocy kilkuset W, niż przy dobrym systemie antenowym i mocy kilkuset mW. System antenowy składa się z następujących części:


— części promieniującej, zwanej także promiennikiem lub radiatorem,

— linii zasilającej (kabel antenowy),

— układu dopasowania anteny do nadajnika (często pomijany ze względu na znormalizowaną impedancję 50 Ω).

5.1. Część promieniująca

Zadaniem promiennika jest wypromieniowanie w przestrzeń dostarczonej do niego energii w.cz. Każdy promiennik antenowy charakteryzuje się impedancją wejściową, polaryzacją, współczynnikiem kierunkowości, zyskiem i zakresem częstotliwości. W CB wykorzystuje się najczęściej ćwierćfalowe anteny pionowe (GP) o wysokości 2,75 m (α/4). W rzeczywistości długość tych anten jest mniejsza, szczególnie jeśli chodzi o radiotelefony przewoźne i przenośne.


Do rozważań teoretycznych promiennik traktowany jest jako obciążenie nadajnika. Przy długości α/4 i dobrym systemie uziemień, impedancją wejściowa takiego promiennika ma charakter czynny R. Jeśli ta wartość odpowiada impedancji linii zasilającej Zo, to mamy do czynienia z maksymalną sprawnością systemu antenowego. Przy nadawaniu następuje maksymalne przekazanie energii w.cz. między linią zasilającą a promiennikiem, a przy odbiorze między promiennikiem, a linią zasilającą.
W praktyce jednak, szczególnie gdy chodzi o anteny samochodowe czy przenośne, długość 2,75 m jest nie do przyjęcia. Z tego względu stosuje się promienniki krótsze, a to z kolei powoduje, że należy uwzględniać składową bierną X. Impedancja wejściowa takiego promiennika wyraża się wzorem:
Z = R ± j X
Jego układem zastępczym jest szeregowe połączenie oporności czynnej R i oporności biernej indukcyjnej (+jX) lub pojemnościowej (-jX) — rysunek 1.

Rys.1 Schemat zastępczej anteny pionowej


Składowa bierna nie zużywa mocy, ale pogarsza czułość promiennika, zmniejsza przenoszenie energii z linii zasilającej, wpływa na wzrost zakłóceń emitowanych przez nadajnik. Z tego też względu musi ona być zrównoważona za pomocą układów kompensujących, przyłączonych szeregowo do promiennika.

Promienniki krótsze od α/4 fali promieniowanej wykazują charakter oporności biernej pojemnościowej i w celu zestrojenia wymagają przyłączenia szeregowego cewki. Inaczej mówiąc, przez dołączenie indukcyjności w pobliżu strzałki prądu (u podstawy promiennika), doprowadza się antenę do rezonansu. Łatwo zauważyć, że im krótsza jest antena, tym większa jest jej oporność pojemnościowa i tym większa musi być indukcyjność dołączona w szereg.



Rys.2 Zależność między długością promiennika anteny a indukcyjnością cewki wydłużającej.
Na rysunku 2 przedstawiono zależność między długością anteny a indukcyjnością, którą należy dołączyć. Anteny krótsze są wygodne w eks­ploatacji i montażu, ale mają mniejszą sprawność objawiającą się tym, że sygnały są słabiej odbierane i słabiej słyszana jest nasza stacja.

Promienniki dłuższe od α/4 fali mają charakter oporności biernej indukcyjnej (+jX). W celu dopasowania takiej anteny dokonuje się jej ,,skrócenia" przez włączenie w szereg u podstawy promiennika dobranej pojemności. Ten sposób jest jednak rzadko stosowany przy antenach CB.


Cechą charakterystyczną części promieniującej jest, jak już wspomniano, rezystancja charakterystyczna. Jest to umowna wartość wyrażona w Ω, za pomocą której określa się moc wypromieniowaną przez antenę. Przyjmując rezystancję anteny R i dopływający do niej prąd I, moc wyniesie I2 • R.
W przypadku ćwierćfalowej anteny pionowej o długości promiennika i czterech przeciwwag 2,75 m umocowanych poziomo, impedancja wyniesie około 35Ω. Poprzez odgięcie przeciwwag do dołu uzyskuje się potrzebną impedancję 50Ω.
Oprócz impedancji i długości promiennika podstawowymi jego paramet­rami są:

— częstotliwość robocza (liczba kanałów, dla których antena pracuje prawid­łowo),

— WFS (współczynnik fali stojącej) określający przy prawidłowym montażu stopień dostrojenia anteny,

— maksymalna moc doprowadzona do anteny,

— masa anteny,

— zysk anteny.


Ten ostatni parametr, podawany w dB, charakteryzuje wzmocnienie w kierunku maksymalnego promieniowania. Mówi ono o tym, ile razy większe jest uzyskane natężenie pola w stosunku do promiennika wzorcowego. Z reguły w skróconej handlowej informacji nie podaje się, o jaki promiennik wzorcowy chodzi: czy o dipol półfalowy, czy o promiennik izotropowy (wielokierunkowy). Może to spowodować wiele nieporozumień. Wiele wytwórni (zapewne w celach reklamowych) zysk anteny odnosi do promiennika izotropowego, bowiem w stosunku do dipola półfalowego daje to wartość większą o 2,15 dB.
Szerokość przenoszonych częstotliwości zależy w dużym stopniu od smukłości promiennika, czyli stosunku wysokości do średnicy. Im większa smukłość, tym węższe pasmo przenoszenia anteny. Wiele firm produkujących anteny stosuje smukłość około 300. Oznacza to, że promiennik o wysokości na przykład 3 m, ma średnicę 1 cm. Pojemnościowe obciążenie górnego końca promiennika znacznie zwięk­sza szerokość ponoszonych przez antenę częstotliwości.

5.2 LINIA ZASILAJĄCA
Linia zasilająca, zwana także fiderem, ma za zadanie doprowadzenie do części promieniującej anteny energię w.cz. z możliwie najmniejszymi stratami.
Najważniejszym parametrem linii zasilającej jest jej impedancja charak­terystyczna, zwana inaczej opornością falową Zo. Jest to stosunek napięcia do prądu biegnącej przez linię fali. Przy zamknięciu linii na końcu rezystancja R = Zo w linii wystąpi tylko fala bieżąca, czyli cała energia przesłana przez linię zostanie wydzielona na rezystancji. Jeżeli impedancja charakterystyczna linii jest różna od R, to w linii wystąpi fala stojąca, zaś część energii zostanie odbita od anteny. Im większe będzie niedopasowanie, tym większa fala stojąca wystąpi w linii i tym większy będzie współczynnik odbicia. Współczynnik fali stojącej jest zawsze większy od 1 i jest równy stosunkowi obu impedancji:
WFS = Zo/Z lub Z/Zo
W przypadku braku dopasowania sygnał z nadajnika jest częściowo zatrzymany w przewodzie i tam ulega rozproszeniu, nie docierając do anteny. Współczynnik większy od 2 powoduje zauważalny spadek emitowanego sygnału (tablica 1) i nadmierne grzanie się tranzystorów w stopniu końcowym nadajnika. WFS większy od 3 może już spowodować uszkodzenie stopnia końcowego. Dodatkowo występuje rozstrojenie obwodów końcowych, a tym samym wzrost emisji częstotliwości niepożądanych. Niedopasowana linia zasila­jąca powoduje promieniowanie niepożądanej energii w.cz.


WFS


Strata mocy %


1


0


1,3


2


1,5


3


1.7

6


2


11

3


25

4


38

5


48

6


55

10

70

Tablica 1. Straty mocy w zależności od współczynnika fali stojącej

Widać więc, że znajomość wartości impedancji linii zasilającej jest niezbędna. Nieznaną impedancję kabla można wyznaczyć doświadczalnie jednym z dwóch sposobów. Pierwszy polega na pomiarze średnicy żyły środkowej oraz średnicy ekranu. Dla kabla 50Ω stosunek D/d jest zbliżony do 3,5, dla 75Ω zaś D/d jest większy i wynosi około 5,5. Drugi sposób wymaga użycia reflektometru oraz rezystorów bezindukcyjnych, np. 50Ω/4 W. W przypadku linii 50Ω WFS powinien być zbliżony do 1 (rysunek 4).



Rys.4 Określenie impedancji kabla antenowego
Na rynku spotkać można wiele typów kabli koncentrycznych. Przy­kładowe typy kabli wraz z ich charakterystycznymi parametrami zamieszczono w tablicy 2 poniżej.


Oznaczenie


Zo

[Ω]



D [mm]


Co

[pF/m]



Tłumienie

[dB/100m]




Krajowe 200 MHz


Wl.50-0,96/2,95


50


5,0


100


24


WDSO-0,90/2,95


50


5,0


100


22


Wdek50-0,90/2,95


50


5.6


100


22


WL.50-2,25/7,25


50


10,3


100


11


WD50-5.0/17.3


50


22,0


100


5,6


ZSRR 300 MHz


RK6


52


12,4


96


12


RK19


52

4,2


96


32


RK28


52


11,4


96


15


RK47


52


10,3


96


14


RK48


50


13,5


100


13


USA 170 MHz


RG58C


50


5,0


97


22


RG8


52


10,5


97


9


RG17


52


22,0


97


4,8


RG213


50


10,5


97


9

Przy długości do 20 m można stosować popularne kable o średnicy 6 mm. Przy długościach znacznie większych od 20 m należy liczyć się ze znacznym tłumieniem kabla. Najprościej przyjąć zasadę, że im kabel grubszy, tym lepszy, bo ma mniejsze tłumienie.

Znany jest jeszcze jeden parametr linii zasilającej, zwany współczyn­nikiem szybkości lub współczynnikiem skrócenia (0,5-1l). Dla kabli z izolacją polistyrenową współczynnik ten wynosi 0,66. Oznacza to, że jeżeli idealna linia z dielektrykiem powietrznym wykaże właściwości rezonansowe przy długości α/4, to przy zastosowaniu kabla z dielektrykiem polistyrenowym jej długość będzie wynosiła 0,66*α/4. Jeżeli mamy do dyspozycji kabel o nieznanym współczynniku skrócenia, to jego wartość można wyznaczyć doświadczalnie przy pomocy GDO(Grip Dip Oscylator). W tym celu dołączamy do dowolnego końca kabla pętlę o średnicy około l cm, składającą się z jednego zwoju drutu, do której zbliżamy cewkę GDO i pokręcamy skalą przyrządu. Najmniejsza częstotliwość, przy której kabel wykaże właściwości rezonansowe (przyrząd wykaże spadek napięcia w.cz., tzw. „dip") odpowiadać będzie elektrycznej długości jednej ćwiartki fali. Następnie z podanego niżej wzoru wyznaczamy poszukiwany współczynnik
γ =f*l/81

gdzie: f - częstotliwość [MHz] zmierzona za pomocą GDO,

l - długość kabla [m]
Określony w ten sposób współczynnik pozwala na wstępne przyjęcie potrzebnej długości kabla antenowego jako wielokrotność γ α/2. Dokładne określenie tej długości możliwe jest przez pomiar WFS i stopniowe przycinanie kabla po kilka cm.

5.3 Układ dopasowania do nadajnika
Układ dopasowania do nadajnika ma na celu zapewnienie pobrania przez linię zasilającą zakończoną promiennikiem możliwie największej części energii w.cz. wytworzonej w nadajniku. Jak wiadomo z dotychczasowych rozważań, warunki takie zaistnieją w przypadku dopasowania impedancji wyjściowej obciążenia nadajnika do linii zasilającej antenę. Impedancja wyjściowa nadaj­nika jest z reguły znormalizowana i wynosi 50Ω (spotyka się urządzenia, gdzie wynosi 75Ω).

Stosowanie zewnętrznego układu dopasowującego umożliwia dołączenie kabla o innej impedancji charakterystycznej niż 50Ω. Układ taki daje jeszcze jedną korzyść w postaci dodatkowego tłumienia częstotliwości harmonicznych, czyli zmniejsza możliwość powstania zakłóceń.


W handlu spotyka się wiele układów dopasowujących praktycznie do każdej anteny i każdego kabla koncentrycznego. Na rysunku 5 przedstawiono przykładowy schemat takiego układu wraz z wewnętrznym reflektometrem. Dostrojenie konden­satorów w tym układzie przeprowadza się w taki sposób, aby uzyskać największą moc przekazywaną do anteny przy jak najmniejszym współczynniku WFS.



Rys. 5. Schemat ideowy układu DRAGON DS-100, tzw. „matcher" (układ dopasowania z reflektometrem i wskaźnikiem mocy)
Warto wiedzieć, że w przypadku kiedy impedancja wyjściowa nadajnika jest zgodna z impedancja anteny i impedancja kabla zasilającego (dopasowanie), w linii zasilającej nie wytwarza się fala stojąca (w tym przypadku długość linii może być dowolna). Taki przypadek jest bardzo trudny do osiągnięcia i w linii powstaje zwykle mniejsza lub większa fala stojąca. Jak wiadomo, falę stojącą wynikłą z niedopasowania linii zasilającej do impedancji wyjściowej nadajnika można zmniejszyć przez dostrojenie obwodów wyjściowych. Trudniej natomiast jest skompensować niedopasowanie powstałe między anteną a linią zasilającą. Różne sposoby dopasowania anteny do linii zasilającej przedstawiono na rysunku 6.

Rys.6 Sposoby dopasowania anteny do linii zasilającej

Najlepsze dopasowanie uzyskuje się przy stosowaniu tzw. strojonej linii zasilającej. Linię taką uważa się za zestrojoną, jeśli ma ona długość α/2 lub n α/2 pomniejszone o znany nam już współczynnik skrócenia. Impedancja takiej linii zasilającej jest rzeczywista w każdym węźle napięcia lub prądu, czyli następuje transformacja impedancji anteny w stosunku 1:1. Inaczej mówiąc, wyjście nadajnika „widzi" tylko impedancję anteny, nie licząc oczywiście strat. Przy podanej wyżej długości linii wystarczy tylko dopasować ją do nadajnika, co można łatwo zrealizować za pomocą typowych filtrów Π lub tzw. skrzynek antenowych.

Dostrojenie fabrycznej anteny do właściwej częstotliwości pracy można przeprowadzić po jej zainstalowaniu, przez wydłużenie lub skrócenie promiennika (często za pomocą specjalnego stroika, pokrętła itp.).
6. Opis elementów
6.1. Sztuczne obciążenie

Sztuczne obciążenie to bardzo prosty w wykonaniu a zarazem bardzo pomocny przyrząd. Jedyne o czym należy pamiętać przy jego budowie to utrzymanie rezystancji 50Ω i sumarycznej mocy oporników większej niż moc wyjściowa radia.

                                                          

Do budowy należy użyć oporników bezindukcyjnych. W przypadku budowy obciążenia na dużą moc do łączenia oporników należy użyć zacisków, gdyż na skutek znacznego nagrzewania się oporników lutowania mogą ulec stopieniu.



6.2. Reflektometr
Reflektometr (SWR) jest przyrządem umożliwiającym określenie współczynnika fali stojącej (WFS). Można nim sprawdzić antenę oraz stwierdzić, czy moc wytworzona przez stopień końcowy jest rzeczywiście doprowadzona do anteny i wypromieniowana w przestrzeń. Przyrząd ten włącza się między wyjście nadajnika (transceivera) i linię antenową.Za pomocą reflektometru można również skontrolować moc doprowadzoną do anteny oraz stroić wyjście nadajnika. Moc przesyłana przez linię antenową nie jest całkowicie wytracona w antenie i pewna jej część powraca do nadajnika. Obie fale, niosące moc padającą i odbitą, tworzą falę stojąca. Przy niedopasowaniu oporności obciążenia i oporności falowej WFS jest większy od 1. Przy pełnym dopasowaniu WFS=1.
Przykładowy schemat układu reflektometru:


A jak zmierzyć SWR? - Ustawiamy przełącznik w pozycji CAL i po podaniu sygnału kręcąc potencjometrem doprowadzamy wskazówkę do końca skali. Następnie przełączamy przełącznik w pozycję SWR i odczytujemy wartość. Pamiętając, że wartość powyżej 3 może uszkodzić trwale stopień mocy nadajnika, SWR=2 można przyjąć jako wartość, która powinna być absolutnym maksimum!!

6.3 Matcher
Matcher jest urządzeniem pozwalającym na "sztuczne" dopasowanie anteny do wyjścia nadajnika. Fabryczne urządzenia tego typu mają zazwyczaj dwa pokrętła oznaczone jako TUNE i LOAD. Pokrętło TUNE znajduje się bliżej nadajnika i służy do wstępnego dopasowania. Dokładne dostrojenie odbywa się za pomocą pokrętła LOAD. Trzeba powiedzieć, że matcher umożliwia lepsze dopasowanie nawet zupełnie przypadkowych anten. Poza tym zmniejsza niebezpieczeństwo powstawania zakłóceń i uszkodzenia nadajnika. Po zestrojeniu anteny za pomocą matchera warto sprawdzić moc przekazywaną do anteny, gdyż nieraz zdarza się, że urządzenia te znacznie ją ograniczają. Aby tego dokonać trzeba podłączyć reflektometr między wyjście matchera a linię zasilającą.
Przykładowy schemat układu matchera:


1   2   3


©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna