Определение антенны
 Скачать 0.88 Mb.
|
|
КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) - полный аналог VSWR ( Voltage Standing Wave Ratio ). Этот параметр обязательно оговаривается в технических требованиях на передающее устройство. КСВН=2, означает, что отражается 11% мощности. В практике построения и технического обслуживания систем радиосвязи всегда возникает необходимость проведения измерения электрических параметров всех компонентов, составляющих систему радиосвязи. Одним из основных таких компонентов является антенно-фидерный тракт , важнейшая характеристика которого - коэффициент стоячей волны КСВ. Что такое КСВ? О чем говорит величина этого параметра? Каковы допустимые пределы его изменения? Какое влияние он оказывает на эффективность работы всей радиосвязи? Как правильно измерить КСВ и как адекватно оценить результат измерения? Электромагнитная волна движется в линии от источника к нагрузке. Такая волна называется падающей. Если сопротивление нагрузки Zн равно волновому сопротивлению линии Zо, то вся энергия падающей волны поглощается нагрузкой. В любом другом случае (Zн не равно Zо) в нагрузку переходит только часть энергии, а остальная отражается от неё и движется по линии назад к источнику сигнала. Эта волна называется отражённой. Если Zн = Zо, то амплитуда тока вдоль линии постоянна, если Zн ≠ Zо, то отражённая волна накладывается на падающую, возникает интерференция, в результате чего в линии имеет место неравномерное распределение тока. Если линия короткозамкнута на конце или полностью разомкнута, то происходит полное отражение падающей волны, и минимумы в распределении тока достигают нуля — линия не передаёт активную мощность. }{ Антенны GSM 9 из 43 Мерой согласования линии с нагрузкой служит коэффициент стоячей волны КСВ (в англоязычной литературе SWR): где Р падв и Р отр — мощность падающей и отражённой волн соответственно. КСВ является показателем рассогласования линии, то есть мерой, показывающей, насколько отличается импеданс нагрузки линии Zн от её волнового сопротивления Zо. Например, в частном случае чисто активной нагрузки Zн = Rн, КСВ = 2 говорит о том, что Rн отличатся в два раза от Zо. Но в какую сторону, большую или меньшую, т. е. Rн = 2Zо или Rн = Zо/2 по величине КСВ сказать невозможно. КСВ определяется относительно данного сопротивления Zо. Очевидно, что одна и та же нагрузка относительно различных значений волнового сопротивления (например, для двух разных линий) даст разные значения КСВ. 3.4.1 Потери в рассогласованной линии (КСВ > 1) Этот вопрос, вместе с примыкающим к нему вопросом о допустимой величине КСВ, в литературе является одним из наиболее запутанных. Во многих источниках указывается на недопустимо высокие потери при КСВ > 3...5. Вместе с тем, во многих антеннах используются λ/4 шлейфы и трансформаторы (J-антенна, например), резонансные линии питания, схемы согласования на отрезках длинных линий - КСВ во всех этих устройствах нередко превышает 10. И никаких значительных потерь в них не наблюдается. С другой стороны, почти все из практики знают, что антенна, питаемая по длинному кабелю с КСВ = 3...5, обычно работает заметно хуже, чем при КСВ = 1, но опять же не всегда... Не подлежит сомнению, что в рассогласованной линии (с КСВ > 1) потери выше, чем в линии согласованной. Причин тому две. Первая - возрастают тепловые потери. Эти потери пропорциональны квадрату тока, и резкое их возрастание на тех участках линии, где ток максимален, не компенсируется небольшим снижением их на участках, где ток минимален. Это безвозвратное рассеивание мощности высокочастотного сигнала в тепло, обычно выражаемое, как коэффициент полезного действия (КПД) рассогласованной линии. При небольших ( менее 2 дБ) потеряхYв согласованной линии КПД рассогласованной линии - КПД лин описывается формулой: КПД лин ≈ 1/(1+0,115•Y•(КСВ+1/КСВ)), (1) , где Y — потери (затухание) в дБ этой же линии при КСВ = 1, КСВ — КСВ в данной линии (относительно её Zо). При помощи этой формулы рассчитана Таблица 3 потерь в %. Таблица 3 КСВ Y = 2дБ Y = 1 дБ Y = 0,5 дБ Y = 0,2 дБ Y = 0,1 дБ 1 68% 81,3% 89,6% 95,6% 97,8% 1,5 66,7% 80,1% 88,9% 95,2% 97,6% 2 63,5% 77,7% 87,5% 94,6% 97,2% 3 56,6% 72,3% 83,9% 92,9% 96,3% 5 45,5% 62,5% 76,9% 83,6% 94,3% 10 30% 46,2% 63,2% 81,1% 89,6% 20 17,8% 30,2% 46% 68,4% 81,3% Из Таблицы 3 видно, что не так страшен высокий КСВ, как зачастую принято считать. Гораздо более сильное влияние оказывает затухание Y. В самом деле, при Y = 1 дБ (что соответствует коаксиалу весьма хорошего качества, длиной 50 м, на частоте 20 МГц), при КСВ = 1 КПД составляет 81,3%. Но такой же КПД }{ Антенны GSM 10 из 43 имеет двухпроводная линия среднего качества (Y = 0,2 дБ) при КСВ =10 или двухпроводная линия хорошего качества (Y = 0,1 дБ) при КСВ = 20! Это ответ на вопрос, почему во всякого рода резонансных линиях в составе антенн, работающих с высоким КСВ, потери невелики — из-за малого затухания Y в них. Вторая - возникают так называемые «потери рассогласования передатчика». Термин достаточно неудачный и запутывающий суть дела. На самом деле это не безвозвратный уход мощности куда-то «на сторону», а всего лишь показатель того, что передатчик, не будучи нагружен на оптимальное для себя сопротивление, не отдаёт в линию всю ту мощность, на которую он способен. То есть это не потери в линии, а снижение мощности, отдаваемой в линию передатчиком. Вопрос о том, куда девается остальная мощность передатчика, из той же оперы, что и вопрос, куда девается 50 Вт мощности у стоваттной лампочки, включенной в сеть не прямо, а через тиристорный регулятор, и поэтому светящей лишь вполнакала? Никуда не девается - просто не потребляется лампочкой. Так и у передатчика — оставшаяся часть мощности передатчика никуда не рассеивается! Просто передатчик не развивает на неоптимальной нагрузке (нагрузка с КСВ > 1, аналог — лампочка, включённая через регулятор и поэтому святящая вполовину) полной своей мощности, которую он может отдать на согласованной нагрузке (нагрузка с КСВ = 1, аналог — лампочка, включенная прямо в сеть и светящая во всю свою мощь). Поэтому это явление не «потери рассогласования», а снижение эффективной мощности передатчика из-за рассогласования с нагрузкой. В чём механизм этого явления? Возьмём передатчик с выходным сопротивлением R вых равным волновому сопротивлению используемой линии Zо. Например, транзисторный трансивер без согласующего устройства с фиксированным выходом 50 Ом, работающий на коаксиальный кабель 50 Ом. Если отражённой волны нет, входное сопротивление линии со стороны трансивера 50 Ом, и трансивер, «увидев» в нагрузке оптимальные для него 50 Ом, отдаёт всю мощность в линию. Если же КСВ > 1, то отражённая волна, вернувшись от антенны к трансиверу, изменит входное сопротивление линии (как правило, появляется реактивная составляющая). На такое комплексное сопротивление трансивер, предназначенный для работы на 50 Ом, уже не сможет отдать полную мощность. Это хорошо известное положение из теории цепей – генератор с внутренним сопротивлением R передаёт в нагрузку максимум мощности, если нагрузка равна R, при любом другом сопротивлении нагрузки мощность в ней снижается. Уровень снижения мощности (потери) В описывается формулой: В = Р вых / Р вых макс = 4 / (2+ КСВ+1/КСВ), (2) , где Р вых — мощность передатчика, отдаваемая в линию; Р вых мах — мощность передатчика, которую он развивает на оптимальном для него сопротивлении ( при КСВ = 1); КСВ — относительно выходного сопротивления передатчика R вых , т. е. КСВ между передатчиком и линией. Обратите внимание, что это не тот же самый коэффициент стоячей волны, что в формуле (1) (там - КСВ в линии). Величина обоих КСВ (в линии, и между передатчиком и линией) совпадает только в одном случае, когда R вых =Z о (например, к 50-омному передатчику подключен 50-омный же кабель). Если же R вых не равно Z о, то величины коэффициентов стоячей волны в формулах (1) и (2) будут разными. Но надо понимать, что это физически разные КСВ, относящиеся к разным устройствам (линии и передатчику соответственно). В формулу (2) не входят ни длина линии, ни частота (в отличие от формулы (1), где эти два параметра входят в значение Y). Это лишний раз подчеркивает то обстоятельство, что речь здесь идет не о проблемах в линии передачи. То есть при одинаковой величине КСВ между передатчиком и линией, даже если длина последней всего 1 мм, то выходная мощность передатчика из-за рассогласования снизится ровно настолько же, как и при длине линии 1 км. Иными словами, формула (2) выражает снижение мощности В передатчика на неоптимальной для него нагрузке, причем величина отклонения импеданса нагрузки от оптимума выражена через КСВ между передатчиком и линией (относительно R вых ). При помощи этой формулы рассчитана Таблица 4: КСВ 1 2 3 4 5 7 10 20 В 100% 88% 75% 64% 55,6% 44% 33% 18,1% В случае передатчика с фиксированным выходным сопротивлением и R вых =Z о (например, транзисторный трансивер без тюнера) из максимально возможной Р вых мах мощности до антенны дойдет: Р АНТЕННЫ = Р ВЫХ. МАКС • КПД ЛИНИИ • В (3) То есть для линии с потерями Y = 1дБ при КСВ = 3 до антенны дойдет 72,3%•75% (см. Таблицы. 1 и 2) = 54%, а при КСВ = 5 → 62,5%•55,6 = 34,75%. То есть антенной излучается в 2…3 раза меньшая мощность. }{ Антенны GSM 11 из 43 Это ответ, почему при высоком КСВ в длинной линии настолько может снизиться дошедшая до антенны мощность. 3.4.2 Выводы по КСВ 1. Отражённая от нагрузки мощность Р ОТР не является мощностью потерь В и не рассеивается ни в линии, ни в передатчике. На величину Р ОТР понижается активная выходная мощность передатчика, не имеющегосогласующего устройства(СУ) на выходе (неоптимальный входной импеданс линии просто не позволяет передатчику развить всю мощность, на которую он способен). 2. КСВ в линии не зависит от её длины. Он определяется только соотношением комплексного сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению линии. Величина КСВ одинакова в любой точке линии. Поэтому совершенно бесполезно пытаться уменьшить КСВ в линии (т. е. КСВ относительно волнового сопротивления линии Zо) подбором её длины. 3. Если выходное сопротивление передатчика R ВЫХ = Z о (например, к 50-омному передатчику подключен 50- омный же кабель), то КСВ между передатчиком и линией не может быть уменьшен изменением длины линии. 4. Если R ВЫХ передатчика не равно Zо (например, к 50-омному передатчику подключён 75-омный кабель), то изменением длины линии можно добиться снижения КСВ между передатчиком и линией. Но КСВ в линии при этом останется неизменным. Необходимо помнить, что это два разных коэффициента стоячей волны. Первый определяет КПД линии (в формуле (1)), второй — уровень снижения мощности передатчика из-за рассогласования (в формуле (2)). 5. СУ между ТХ и линией не изменяет КСВ в линии между СУ и антенной. Оно лишь обеспечивает оптимальную нагрузку для передатчика (т. е. снижает КСВ между передатчиком и СУ до 1), на которую он отдаёт полную мощность. 6. Высокий КСВ далеко не всегда является синонимом плохой антенны и больших потерь. 7. Величина КСВ ничего не говорит об эффективности излучения антенны. Скажем, КСВ = 1 можно получить, подключив к линии вместо антенны согласованный резистор. Ясно, что излучения в этом случае не будет вовсе, хотя КСВ и будет равен 1. 8. Частота, на которой КСВ достигает минимума, не в любом случае равна резонансной частоте антенны. То есть не всегда можно, ориентируясь на минимум КСВ настраивать антенну в резонанс. 4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СИГНАЛА При распространении сигнал, излучённый антенной, может огибать поверхность Земли, отражаться от верхних слоев атмосферы либо распространяться вдоль линии прямой видимости. 4.1. Дифракция электромагнитных волн При огибании поверхности Земли (см. Рис.7) путь распространения сигнала в той или иной степени повторяет контур планеты. Передача может производиться на значительные расстояния, намного превышающие пределы прямой видимости. Данный эффект имеет место для частот до 2 МГц. На способность сигналов, принадлежащих данной полосе частот, повторять кривизну земной поверхности влияет фактор дифракции электромагнитных волн. Данное явление связано с поведением электромагнитных волн при наличии препятствии. Рис.7 Распространение околоземных волн (частота до 2 МГц) }{ Антенны GSM 12 из 43 Рассеяние электромагнитных волн указанного диапазона в атмосфере происходит таким образом, что в верхние атмосферные слои эти волны не попадают. 4.2 Распространение волн вдоль линии прямой видимости Если частота радиосигнала превышает 30 МГц, то огибание им земной поверхности и отражение от верхних слоев атмосферы становятся невозможными. В этом случае связь должна осуществляться в пределах прямой видимости (Рис.8). При связи через спутник сигнал с частотой свыше 30 МГц не будет отражаться ионосферой. Такой сигнал может передаваться от наземной станции к спутнику и обратно при условии, что спутник не находится за пределами горизонта. При наземной связи передающая и принимающая антенны должны находиться в пределах эффективной линии прямой видимости. Использование термина «эффективный» связано с тем, что волны сверхвысокой частоты искривляются и преломляются атмосферой. Рис.8 Распространение сигнала вдоль линии видимости (частота > 30 МГц) Степень и направление искривления зависят от различных факторов. Однако, как правило, искривления сверхвысокочастотных волн повторяют кривизну поверхности Земли. Поэтому такие волны распространяются на расстояние, превышающее оптическую линию прямой видимости. 4.3 Передача сигнала в пределах линии прямой видимости Для любой системы связи справедливо утверждение, что принимаемый сигнал отличается от переданного сигнала. Данный эффект является следствием различных искажений в процессе передачи. При передаче аналогового сигнала искажения приводят к его случайному изменению, что проявляется в ухудшении качества связи. Если же передаются цифровые данные, искажения приводят к появлению двоичных ошибок - двоичная единица может преобразоваться в нуль и наоборот. Рассмотрим различные типы искажений, а также их влияние на пропускную способность каналов связи в пределах прямой видимости. Наиболее важными являются следующие типы искажений: o затухание или амплитудное искажение сигнала; o потери в свободном пространстве; o шум; o атмосферное поглощение. 4.3.1 Затухание При передаче сигнала в любой среде его интенсивность уменьшается с расстоянием. Такое ослабление, или затухание, в общем случае логарифмически зависит от расстояния. Как правило, затухание можно выразить, как постоянную потери интенсивности (в децибелах) на единицу длины. При рассмотрении затухания важны три фактора. 1. Полученный сигнал должен обладать мощностью, достаточной для его обнаружения и интерпретации приёмником. 2. Чтобы при получении отсутствовали ошибки, мощность сигнала должна поддерживаться на уровне, в достаточной мере превышающем шум. 3. При повышении частоты сигнала затухание возрастает, что приводит к искажению. }{ Антенны GSM 13 из 43 Первые два фактора связаны с затуханием интенсивности сигнала и использованием усилителей или ретрансляторов. Для двухточечного канала связи мощность сигнала передатчика должна быть достаточной для четкого приёма. В то же время интенсивность сигнала не должна быть слишком большой, так как в этом случае контуры передатчика или приёмника могут оказаться перегруженными, что также приведет к искажению сигнала. Если расстояние между приёмником и передатчиком превышает определённую постоянную, свыше которой затухание становится неприёмлемо высоким, для усиления сигнала в заданных точках пространства располагаются ретрансляторы или усилители. Задача усиления сигнала значительно усложняется, если существует множество приёмников, особенно если расстояние между ними и передающей станцией непостоянно. Третий фактор списка известен, как амплитудное искажение. Вследствие того, что затухание является функцией частоты, полученный сигнал искажается по сравнению с переданным, что снижает чёткость приёма. Для устранения этой проблемы используются методы выравнивания искажения в определённой полосе частот. Одним из возможных подходов может быть использование устройств, усиливающих высокие частоты в большей мере, чем низкие. |