Въведение
Когато разглеждаме радиооборудване, често виждаме термини като характерен импеданс, импеданс на антената, импеданс на предавателя и т.н. Тази статия обяснява значението на съгласуваните импеданси при изграждането на радио система и значението на VSWR (коефициент на стояща вълна на напрежението).
Какво е импеданс?
В електрическите вериги терминът съпротивление, R (или омично съпротивление), се използва за описание на елементи, които възпрепятстват потока от електрони във верига, например резистори.
Тъй като обаче радиото използва високочестотни радиочестоти, които се състоят от променливи във времето синусоидални напрежения и токове, трябва да вземем предвид не само съпротивлението, но и реактивното съпротивление (обозначено със символа "X").
Реактивните елементи в радиочестотните вериги са съставени от кондензатори (произвеждащи отрицателно реактивно съпротивление) и индуктори (произвеждащи положително реактивно съпротивление). Терминът "импеданс" обикновено се отнася до комбинираната сума на съпротивлението и реактивното съпротивление. В комплексна нотация това е:
Тъй като реактивното съпротивление представлява „съхранена енергия“, то не е много полезно. Съпротивлението R (обикновено наричано радиационно съпротивление), което представлява преобразуването в радиочестотна енергия, е наша цел да увеличим максимално тази стойност.
Импеданси на антената и кабела
След като обяснихме наличието на индуктивност и капацитетно съпротивление, които допринасят за общия импеданс на радиочестотната верига, можем да започнем да разбираме импеданса на всички радиочестотни компоненти.
Предавателните линии, като например коаксиалните кабели, се състоят от вътрешен проводник и външен проводник (или екран), както е показано по-долу.
Въпреки че физически има само 2 проводника, за предавателя той е кабел, привидно съставен от разпределена индуктивност и капацитет, както е показано на еквивалентната схема. С други думи, предавателната линия има характерен импеданс, Zo . Характерните импеданси на кабела могат да бъдат с произволна стойност и зависят от размерите и диелектричните свойства на кабела. Но най-често те се продават като 50 или 75Ω, като стойността е отпечатана върху външната обвивка, както е показано.
Важното е съвпадението на импеданса тук, защото ако импедансът на натоварването и характеристичният импеданс на кабела са еднакви (Zload = Zo), теоретично предавателят вижда товара, сякаш преносната линия не е там. Предавателят може да прехвърли цялата енергия към товара. Реалните преносни линии обаче имат загуби, така че този пренос никога не може да бъде напълно идеален.
Подобно на кабела, антената може да се състои само от метални проводници, но и тя съдържа реактивни компоненти. По-долу е показано изображение на разпределените индуктивности и капацитети по протежение на антената, както се вижда от системата.
От това следва, че антената също има импеданс, който варира в зависимост от физическите свойства на антената, като например дължината и дебелината на диполните елементи. По-късно ще видим как импедансът на антената е свързан с резонансната точка на антената и КСВН.
Импеданс и резонанс на антената
В други статии се споменава резонанса и как задаването на дължината на дипола на антената на 1/2 от дължината на вълната успява да постигне това условие. Диполът съдържа реактивно съпротивление под формата на разпределен капацитет и индуктивност. При регулиране на дължината на дипола, резонансната точка настъпва, когато реактивното съпротивление "X" падне почти до нула, както се вижда от следващата таблица:
| Дължина на дипола, L | Реактивно съпротивление, X | Импеданс, Z |
|---|---|---|
| L > λ/2 | +X | Антената е индуктивна |
| L = λ/2 | 0 | Антената е резонансна, Z = 72Ω |
| L < λ/2 | -X | Антената е капацитивна |
В резонансната точка антената представлява чисто съпротивление към предавателя от около 72Ω. Тъй като нормалните радио системи не работят във вакуум, действителната стойност е по-близо до 50Ω, което съвпада идеално с нашия коаксиален кабел.
Увеличаването или скъсяването на дължината на дипола под 1/2 дължина на вълната ще увеличи реактивното съпротивление и антената няма да бъде правилно съгласувана с останалата част от системата. В някои приложения, където средата не позволява инсталирането на антени с пълен размер, ще трябва да се използват антени с по-къси размери от половината дължина на вълната (което прави антената по-капацитивна). Чрез добавяне на известна индуктивност под формата на „натоварваща бобина“ към основата, този допълнителен капацитет може да бъде неутрализиран.
Коефициент на стояща вълна на напрежение <VSWR>
Когато съществува несъответствие на импеданса между товар (напр. антена) и останалата част от системата, мощността от предавателя тече към антената и част от мощността се отразява обратно към предавателя. Тези прави и отразени вълни се интерферират взаимно, за да създадат стоящи вълни по предавателната линия. Като разгледаме максималната и минималната амплитуда на напрежението на стоящата вълна, можем да изчислим КСВ (VSWR).
Отразената мощност не е желателна, тъй като в идеалния случай цялата мощност от предавателя трябва да се абсорбира от товара. Стоящите вълни могат да причинят нагряване на кабела или да повредят предавателя.
Коефициент на отражение.
Коефициентът на отражение или "Γ" описва тенденцията на насочената напред вълна да се отразява обратно към предавателя, вместо да бъде погълната от товара. Това зависи от товара, Z L, и импеданса на кабела, Zo, описан от уравнението:
Чрез заместване на различни стойности можем да обобщим какво се случва с Γ, когато променим стойността на натоварването, както следва:
| Натоварване, Z L | Коефициент на отражение, Γ | % отразена мощност |
|---|---|---|
| Отворена верига | +1 | 100% |
| Z L = Zo | 0 | 0% |
| Късо съединение | -1 | 100%, обърнато |
- Коефициентът на отражение може да бъде само между -1 и +1.
- Коефициентът на отражение трябва да е нула, когато няма отражение.
След като знаем коефициента на отражение, Γ, можем да изчислим VSWR чрез това уравнение. |Γ| представлява само величината (в горната таблица и "+1", и "-1" са еквивалентни на "1").
Ако включим изчислението на VSWR от предишната ни таблица и вземем предвид величината на коефициента на отражение:
| Натоварване, Z L | Коефициент на отражение, |Γ| | % отразена мощност | КСВ |
|---|---|---|---|
| Отворена верига или късо съединение | 1 | 100% | ∞ |
| 0.8 | 64% | 9.0 | |
| 0.6 | 36% | 4.0 | |
| 0,4 | 16% | 2.3 | |
| 0.2 | 4% | 1.5 | |
| Z L = Zo | 0 | 0% | 1 |
КСВ (VSWR) варира от 1 или 1:1 (идеално) до безкрайност. Когато товарът или импедансът на антената, Z (независимо дали е реален или комплексен), се променят, получаваме различни стойности на КСВ, които попадат в този диапазон. По-специално, тъй като импедансът на антената зависи от размерите на нейните проводници, които самите те се измерват в дължини на вълните на работната честота, ще има оптимална проектна честота, при която антената е тясно съгласувана със Zo и произвежда нисък КСВ. Например, ANT-400-R има диаграма на КСВ, както е показано по-долу. Проектната честота за тази антена е в долния пик, където КСВ е 1,2424.
Заключение
КСВ може да се използва в повечето случаи за определяне на ефективността на вашата радио система, но не винаги предсказва работата на антената. Например, резистор от 50 ома или „фиктивен товар“ ще даде перфектно КСВ от 1.0, но би създал много лоша антена.
Когато не е възможно да се установи добро съвпадение на импеданса с вашата антена, може да се използва съгласуващо устройство между предавателя и антената. Това обаче позволява на предавателя да вижда само перфектно натоварване и не е задължително да подобри работата на антената.
