Система согласования и питания антенны радиоустройств.

Введение

Радиопередатчик или приемник подключается к антенне, которая излучает или принимает радиоволны. Система подачи антенны, или антенный фидер, – это кабель или проводник, а также другое сопутствующее оборудование, соединяющее передатчик или приемник с антенной и обеспечивающее совместимость этих двух устройств. В радиопередатчике передатчик генерирует переменный ток радиочастоты, а система подачи подает этот ток в антенну, которая преобразует мощность тока в радиоволны. В радиоприемнике входящие радиоволны индуцируют небольшие переменные токи в антенне, а система подачи передает этот ток приемнику для обработки сигнала. Для эффективной передачи радиочастотного тока, линия связи, соединяющая передатчик или приемник с антенной, должна быть специальным типом кабеля, называемым линией передачи. На микроволновых частотах часто используется волновод – полая металлическая труба, предназначенная для передачи радиоволн. В параболической (тарельчатой) антенне система подачи обычно включает в себя также подающую антенну (рупор), которая излучает или принимает радиоволны. Особенно в передатчиках система подачи является критически важным компонентом, осуществляющим согласование импедансов антенны, линии передачи и передатчика. Для этого система подачи может включать в себя схемы, называемые блоками настройки антенны или согласующими сетями, расположенные между антенной и линией передачи, а также между линией передачи и передатчиком. На антенне точкой подключения является точка на активном элементе антенны, к которой присоединяется линия передачи.

Компоненты

В передатчике, антенным питанием считается совокупность компонентов между конечным усилителем передатчика и точкой подключения антенны. В потребительских беспроводных устройствах, работающих на фиксированных частотах, согласующая сеть не регулируется и заключена в корпус устройства. В мощных передатчиках, таких как радиовещательные станции и передатчики, способные работать на различных частотах, например, коротковолновые, антенный тюнер является регулируемым. Изменения частоты передатчика или настройки выходной ступени передатчика или антенны обычно приводят к изменению импеданса, поэтому после любых работ с передатчиком или антенной необходимо проверить коэффициент стоячей волны (КСВ) и настроить согласующую сеть. Для настройки согласующей сети самым простым прибором для измерения степени рассогласования между линией передачи и антенной является КСВ-метр (измеритель коэффициента стоячей волны), который показывает значение КСВ на линии: отношение максимального и минимального напряжения или тока в линии. Значение 1:1 указывает на согласование импедансов, то есть нагрузка полностью резистивная, и вся мощность поглощается, а отражения нет. Более высокое значение указывает на рассогласование и отраженную мощность. Согласующая сеть настраивается до тех пор, пока КСВ не опустится ниже допустимого предела. К другим, более продвинутым приборам относятся импедансные мосты и антенные анализаторы. Поскольку в передатчике с согласованным импедансом сопротивление источника передатчика равно импедансу линии передачи и сопротивлению нагрузки антенны, и все они включены последовательно в линии передачи и потребляют одинаковую мощность, максимальная мощность, которая может быть передана в антенну, составляет 50% выходной мощности передатчика; остальные 50% рассеиваются в виде тепла сопротивлением на выходной ступени передатчика. (Согласованная линия передачи действительно рассеивает небольшое количество мощности на небольшом сопротивлении, но большая часть ее кажущегося активного сопротивления – это просто напряжение, необходимое для компенсации индуктивной и емкостной реактивности линии передачи, которые сами по себе не вызывают потерь.) В радиоприемниках рассогласование импеданса с антенной вызывает аналогичное уменьшение энергии сигнала от антенны, достигающей приемника, которое также не превышает 50% мощности принятого сигнала, а мощность, поступающая на приемник, значительно снижается при рассогласовании и высоком КСВ. Однако потери на частотах ниже 10–20 МГц не являются серьезной проблемой, поскольку собственный тепловой шум приемника значительно ниже атмосферного шума, уже присутствующего в сигнале, поэтому слабый сигнал от антенны можно просто усилить в приемнике для компенсации потерь от рассогласования, не вызывая существенного увеличения шума. На частотах выше 20 МГц атмосферный шум свободно излучается в пространство, и поэтому в принятых сигналах он достаточно низок, чтобы приблизиться к уровню собственного шума приемника; на этих частотах ВЧ и УВЧ усиление ухудшает отношение сигнал/шум, и согласование импеданса принимаемого сигнала становится важной задачей для приема слабых сигналов.

In a transmitter, the antenna feed is considered to be all components between the transmitter's final amplifier and the antenna's feedpoint. In consumer wireless devices that operate at fixed frequencies the matching network is not adjustable and is enclosed in the device's case. In large transmitters like broadcasting stations and transmitters that may operate on different frequencies like shortwave stations, the antenna tuner is adjustable. Changes in the transmitter frequency or adjustments to the transmitter output stage or antenna typically change the impedance, so after any work is done on the transmitter or antenna the SWR must be checked and the matching network adjusted. To adjust the matching network the simplest instrument to measure the degree of mismatch between the feedline and the antenna is called an SWR meter (standing wave ratio meter), which reports the standing wave ratio (SWR) on the line: The ratio of the adjacent maximum and minimum voltage or current on the line. A ratio of 1:1 indicates an impedance match, meaning that the load is completely resistive so all of the power is absorbed and none is reflected. A higher ratio indicates a mismatch and reflected power. The matching network is adjusted until the SWR is below an acceptable limit. Other more advanced instruments are impedance bridges and antenna analyzers. Since in an impedance matched transmitter, the transmitter's source resistance is equal to the feedline impedance and the antenna load resistance, and both are in series on the feedline and consume equal power, the maximum power that can be delivered to the antenna is 50% of the transmitter's output power; the other 50% is dissipated as heat by the resistance in the transmitter's output stage. (The matched feedline does dissipate a small amount of power through a small resistance, but the majority of its apparent resistive impedance is merely the voltage required to overcome the inductive and capacitive reactances of the feedline, which in and of themselves cause no loss.) In radio receivers an impedance mismatch with the antenna causes a similar reduction in the signal energy from the antenna that reaches the receiver, which is also a maximum of 50% of the power of the intercepted signal, and power delivered to the receiver is far less when the line is mismatched and SWR is high. However, loss at frequencies below 10~20 MHz is not much of a problem, because the thermal noise floor in receivers is far below atmospheric noise already embedded in the signal, so a weak signal from the antenna can simply be amplified in the receiver to compensate for power lost from any mismatch, without noticeably contaminating it with noise. At frequencies above 20 MHz atmospheric noise radiates freely into space, and so is low enough in received signals that it approaches the level of the receiver's own internally generated noise; at those VHF and UHF frequencies, amplification degrades the signal to noise ratio, and receive signal impedance matching is an important concern for receiving faint signals.

Сбалансированные и несбалансированные корма

Линии передачи и их подключенные компоненты могут быть классифицированы как сбалансированные, в которых обе стороны линии имеют одинаковое сопротивление относительно земли, например, дипольные антенны и параллельные линии, или несбалансированные, в которых одна сторона линии соединена с землей, например, монопольные антенны и коаксиальный кабель. Для соединения сбалансированных и несбалансированных компонентов используется двухпортовое устройство, называемое балуном. Балун – это трансформатор, осуществляющий согласование между сбалансированными и несбалансированными компонентами линии передачи. Например, для подачи питания на дипольную антенну от несбалансированной линии, такой как коаксиальный кабель, линия питания подключается к антенне через балун. Без балуна несбалансированная часть тока будет течь по внешней поверхности оплетки коаксиального кабеля, заставляя эту поверхность действовать как антенна.