При экспериментировании с антенной часто важно определить её импеданс в точке подачи на различных частотах в рабочем диапазоне. Измерить КСВ достаточно просто, но иногда нам нужно знать больше деталей, чем это, в частности, комплексное сопротивление в точке подачи. К счастью, в настоящее время на рынке представлено несколько недорогих антенных анализаторов.
На импеданс точки питания влияет близость антенны к земле, поэтому для получения значимых результатов мы обычно хотим проводить измерения с помощью антенны на разумной высоте. Если у вас нет очень длинных рычагов или очень длинной стремянки (не рекомендуется), это означает подключение анализатора к антенне через отрезок линии передачи. Теперь у нас проблема: за исключением очень особых случаев, импеданс, который мы измеряем с помощью анализатора, не будет соответствовать импедансу точки подачи антенны. Эффект от такого «преобразования линии передачи» может быть экстремальным. Например, импеданс в точке питания 25 Ом может измеряться в 100 Ом на анализаторе, подключенном к антенне через коаксиальный кабель длиной волны в четверть длины волны 50 Ом.
Процесс преобразования лучше всего визуализировать со ссылкой на диаграмму Смита — пример показан справа. Здесь импеданс в точке питания 80-метровой антенны, представленный точкой 1, составляет [22 + j6] Ом.
Определение длины линии передачи эквивалентно вращению этой точки по часовой стрелке вокруг центра диаграммы — чем длиннее линия передачи, тем дальше точка поворачивается вокруг диаграммы — и потери в линии переместят точку 2 ближе к центру диаграммы.
В показанном примере линия длиной 10 м преобразовала точку 1 [22 + j6] в точку 2 [82 + j45]. Попутно обратите внимание, что линия длиной в половину длины волны поворачивает точку на 360° и (игнорируя любые потери в кабеле) оставляет импеданс неизменным.
Итак, задача состоит в том, чтобы, учитывая измерения, сделанные в точке 2, вычислить импеданс антенны в точке 1. В хорошие (или они были плохими?) прежние времена мы бы решили проблему графически с помощью диаграммы Смита или углубились в какую-нибудь довольно сложную математику; к счастью, сегодня всё намного проще. Существует множество программ радиочастотного анализа, которые сделают эту работу за нас, в том числе некоторые доступны онлайн. Автор статьи регулярно пользуется апплетом Калькулятор линий передачи, написанным W9CF. Чтобы использовать эти инструменты, нам нужно знать:
- Характеристический импеданс линии
- Коэффициент скорости линии
- Физическая длина линии
- Характеристики потерь в линии
Если известен тип кабеля, его характеристический импеданс, коэффициент скорости и характеристики потерь можно найти в таблицах производителей. Физическую длину, конечно, можно измерить, но это должно быть сделано точно, и часто бывает трудно точно определить, какие две точки представляют концы линии. Предпочтительнее производить приблизительное измерение длины, а затем калибровать линию, используя известную нагрузку; калибровка также устраняет любую неопределённость относительно коэффициента скорости. Вот как это работает:
Линия связи между 10-метровой однодиапазонной шестилучевой тестовой антенной и анализатором Palstar ZM30 составляет около 26 футов по коаксиальному каналу RG174. Перед выполнением измерений на антенне помещён резистор 22 Ом на конце антенны коаксиального кабеля и измерен импеданс на другом конце коаксиального кабеля с помощью ZM30 на частоте 28,5 МГц — обязательно делайте это на частоте, близкой к частоте измерения вашей антенны, и используйте нагрузку, которая выдаёт промежуточное значение КСВ (скажем, 2-3) — результат составил [54 + j34] Ом. Затем был снят резистор с коаксиального кабеля и он был помещён непосредственно на клеммы ZM30 — он измерял [22 + j6] Ом.
Следующий шаг — использовать эти цифры для определения точной электрической длины линии с помощью приложения «Калькулятор линий передачи». В это приложение уже встроены характеристики некоторых распространенных типов коаксиальных кабелей — к сожалению, RG174 не входит в их число. Поэтому выбрана опция «Пользовательский кабель 1» для ввода характеристик RG174 следующим образом:
- Ro = 50,0 (по данным производителей)
- Затухание, дБ /100 футов = 7,98 (по данным производителей)
- Коэффициент скорости = 0,66 (по данным производителей)
- f (МГц) = 100 (обратите внимание, что это частота, для которой указан показатель затухания)
- Показатель степени (оставьте равным 0,5, если у вас нет более точных данных)
Нажав OK, чтобы вернуться к главному экрану ввода, ввести частоту измерения (28,5 МГц), длину кабеля (26 футов) и ввести измеренное сопротивление (54 Ом) и реактивное сопротивление (34 Ом). Убедившись, что выбран параметр «Входное сопротивление=», нажать кнопку «Расчёта» и получаем результат Zload = [20.94 + j4.10]. Это близко к ожидаемому [22 + j6], но недостаточно близко. Корректируем ввод длины кабеля до 25,8 футов и пробуем снова; на этот раз результатом было Zload = [21,28 + j6.40]. Окончательная настройка на 25,85 фута дала Zload = [21,19 + j5.82], и в этот момент было решено, что это достаточно близко.
Измерения повторены на частотах 28,0 МГц и 29,0 МГц, чтобы проверить калибровку в интересующем диапазоне частот. Использование значения длины кабеля 25,85 фута дало результаты [21,40 + j5.94] и [20,99 + j5.65] соответственно. Эти результаты подтвердили, что показатель длины кабеля был довольно точным, и что можно с уверенностью приступить к измерению импеданса точки питания антенны.
Необходимо ли все это? Что ж, если бы была не откалибрована длина кабеля и не приняты во внимание потери в кабеле, прогнозируемое сопротивление нагрузки было бы [26,41 + j4.11] — далеко от реального значения [22 + j6].
Наконец, обнаружено, что анализатор часто неправильно определяет признак реактивной составляющей, поэтому при регистрации измерений антенны игнорировалось это и просто отмечалась величина реактивного сопротивления. Затем, когда вводятся данные в апплет «Калькулятор линии передачи», проверяетя импеданс нагрузки с положительными, а затем отрицательными знаками; обычно один из результатов выглядит близким к ожидаемому импедансу антенны, тогда как другой выглядит «глупо» и может быть проигнорирован. Автору, по эго заявлению, ещё предстоит найти случай, когда реальный признак не может быть разрешён однозначно.
G3TXQ
