Авторизация



Счетчики

Профессиональные сантехник на дом в Кемерове и пригороде.

 

Яндекс.Метрика
Индекс материала
Фидерные линии (устройства питания антенн)
Фидерные линии - часть 2
Все страницы

6. Фидерные линии (устройства питания антенн)

Устройства, предназначенные для передачи высокочастотной энергии принятой антенной, к телевизионному приемнику, называются линиями передачи. Основная задача линии передачи (фидера) — передача электромагнитной энергии от ТВ антенны к телевизору с минимальными потерями сигнала. От правильности исполнения фидерной линии, ее согласования с антенной и телевизором во многом зависит качество принятого изображения. Слово «фидер» происходит от английского «to feed» — питать.

6.1. Разновидности линий.

Существует несколько видов линий передачи высокочастотной энергии. Для выполнения междуэтажных или междурядных соединений в сложных синфазных антеннах применяются двухпроводные воздушные линии (рис. 6.1.).

6-11.jpg

Рис. 6.1. Поперечное сечение двухпроводной неэкранированной линии из проводов круглого сечения

Интервал величины волнового сопротивления этих линий может быть достаточно широким. Оба провода воздушной симметричной линии должны располагаться строго симметрично относительно друг друга и земли, что является ее недостатком, так как практически трудно выдержать одинаковые расстояния между проводами на протяжении всей длины линии, а также между каждым проводом и землей. Волновое сопротивление для линии из проводов круглого сечения зависит от отношения расстояния между двумя проводниками к их диаметру, и определяется по формуле

6-12.jpg

6-13.jpg

Формула справедлива при Ь>3а и d<

где Z — волновое сопротивление полосковой линии, Ом;

e — диэлектрическая проницаемость среды;

а — ширина полосковой линии;

с — расстояние между полосковыми линиями (или толщина диэлектрика);

b — ширина диэлектрика;

d — толщина полоскового проводника.

6-14.jpg

Рис. 6.2. Схематическое изображение полосковой линии

Зависимость волнового сопротивления полосковых линий от ее геометрических размеров изображена на рис.6.3.

6-15.jpg

Несимметричные воздушные жесткие линии применяются для изготовления согласующих трансформаторов, фильтров, направленных ответвите-лей и т. д. Воздушная коаксиальная линия изображена на рис. 6.4 [6.2].

6-16.jpg

Рис. 6.4. Конструктивные варианты воздушных жестких линий:

а — концентрическая (коаксиальная) линия, б — цилиндрический проводник в трубе квадратного сечения.

Волновое сопротивление воздушной коаксиальной линии определяют по формуле

6-17.jpg

Волновое сопротивление линии, приведенной на рисунке 6.4.6, определяется по формуле

6-18.jpg

Достоинством воздушных линий является возможность получения . широкого диапазона величины волновых сопротивлений. Для практических целей при их изготовлении можно воспользоваться диаграммой рис.6.5 [6.1].

На графике для сравнения показана зависимость волновых сопротивлений воздушных линий и экранированных линий со сплошным диэлектриком (полиэтиленовой изоляцией, e=2,3 ).

6-19.jpg

Рис. 6.5. Диаграмма волновых сопротивлений воздушных линий

6.1.1. Резонансные свойства отрезков линий

Линия передачи, длина которой соизмерима с длиной волны распространяющихся в ней электромагнитных колебаний (l=lдл.вол), а расстояние между ее проводниками значительно меньше четверти длины волны, называется длинной линией.

При идеальном согласовании линии с нагрузкой, когда линия нагружена на чисто активное и равное волновому сопротивление (Zн = R = Zв), в линии существуют только падающие волны [волны, распространяющиеся по линии от генератора к нагрузке}. Напряжение и ток вдоль линии передачи имеют одно и то же значение, а фазы волны различны. Отсутствие отраженных волн объясняется тем, что вся подводимая падающими волнами энергия поглощается нагрузкой (рассеивается на ней}. Такая линия называется согласованной с нагрузкой, а режим в линии называют режимом бегущих волн.

Если линия разомкнута (Zн = бесконечности, замкнута накоротко (Zн=O) либо

нагрузка имеет явно выраженный реактивный характер (Zн=jXн), то нагрузка Zн не поглощает энергию, а полностью отражает ее обратно ,к источнику сигнала (генератору). Такой режим в линии характеризуется интерференцией падающих и отраженных волн. Отраженные волны, складываясь с падающими, создают так называемые стоячие волны. В этом случае на линии имеются некоторые точки, в которых напряжение всегда равно нулю: это — узлы напряжения. Точки, где напряжение по амплитуде максимально, называются «пучностями» напряжения.

Входные сопротивления короткозамкнутой и разомкнутой линии имеют реактивный характер и изменяются от длины линии, а в точках, кратных четверти длины волны {l = п * lдл.вол/4), входное сопротивление активное и

имеет значение Z=0 или Z=бесконечности.

Отрезки длинных линий, длина которых кратна четверти длины волны называются РЕЗОНАНСНЫМИ.

В радиотехнике широко используется свойство отрезков длинной линии резонировать на определенных частотах. Геометрическую длину линии можно уменьшить подсоединением конденсатора к ее разомкнутым концам (рис.6.6). Включение конденсатора переменной емкости (варикапа) позволяет настроить отрезок длинной линии (колебательный контур с распределенными параметрами) на необходимую длину волны.

6-1-11.jpg

Рис. 6.6. Уменьшение геометрической длины линии

Отрезки длинных линий (замкнутых или разомкнутых на конце} применяют в качестве элементов фильтров резонансных контуров высокочастотных блоков, шлейфов для настройки антенн и т. д. Величина и характер входного сопротивления разомкнутой (рис. 6.7) и замкнутой линии (рис. 6.8) изменяются в зависимости от того, какое количество волн укладывается вдоль линии.

6-1-12.jpg

Если нагрузка линии не равна волновому сопротивлению линии, то режим в линии характеризуется одновременным существованием стоячих и бегущих волн. Такой режим в линии называется СМЕШАННЫМ. В таких линиях нет узлов и пучностей напряжения и тока, а есть максимумы и минимумы напряжения и тока. Оценка режима работы линии характеризуется коэффициентом бегущей волны:

КБВ=Umin/Umax (6.6)

где Umin — амплитуда в узле напряжения. В;

Umax, амплитуда в пучности напряжения, В.

Коэффициент бегущей волны можно определить из соотношений:

K=R/Z при RZ (6.7)

где Z — волновое сопротивление линии;

R — сопротивление нагрузки линии.

Следовательно, этот коэффициент характеризует собой степень согласования линии с нагрузкой. При R=Z oн равен единице, что означает полное согласование линии с нагрузкой, при котором в линии будет режим бегущей волны.

В действительности такие линии не существуют из-за невозможности идеального согласования нагрузки с линией.

Величина, обратная коэффициенту бегущей волны, называется КОЭФФИЦИЕНТОМ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ:

КСВ=1/КБВ. (6.8)

Отношение амплитуд напряжения отраженной и падающей волн

называется КОЭФФИЦИЕНТОМ ОТРАЖЕНИЯ, который определяется из формул:

р = (1 -КБВ)/(1 +КБВ) или (6.9) р = (КСВ- 1)/(КСВ+1). (6.10)

Измеряют амплитуды напряжений падающей и отраженной волн с помощью направленных ответвителей.

6.1.2. Параметры фидерных линий

Основными параметрами линии передачи являются волновое сопротивление, погонная емкость, погонное затухание.

ВОЛНОВЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ЛИНИИ (Z) называется отношение комплексных амплитуд напряжения к току падающих или отраженных волн. Оно носит комплексный характер и связано с погонной индуктивностью Lo и погонной емкостью линии Со соотношением:

6-1-21.jpg

Для коаксиальных кабелей Lo и Со определяются по формулам:

6-1-22.jpg

где D — диаметр [внутренний) экрана, мм;

d— диаметр внутреннего проводника, мм.

Погонная емкость кабеля — емкость единицы длины кабеля. Обычно погонная емкость кабеля указывается в пф/м:

6-1-23.jpg

где е — диэлектрическая проницаемость изоляции;

D — диаметр (внутренний) экрана, мм;

d—диаметр внутреннего проводника, мм.

Значения диэлектрической проницаемости e материалов приведены в приложении 9.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля определяется геометрическими размерами его поперечного сечения и диэлектрической постоянной [см. формулу 6.4).

Электромагнитная волна в фидерной линии с диэлектриком распространяется с меньшей скоростью, чем в свободном пространстве (для вакуума, е = 8,854*10^(-12)). Так, в воздушной линии скорость распространения волны всего на 2-3% меньше, чем в свободном пространстве, а в кабельной линии, заполненной диэлектриком, скорость зависит от диэлектрической проницаемости материала заполнения,

6-1-24.jpg

В зарубежной справочной литературе вместо коэффициента укорочения длины волны приводят КОЭФФИЦИЕНТ ЗАМЕДЛЕНИЯ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ, (k = 1/с). Радиоволны в свободном пространстве распространяются со скоростью света ( с = 3*10^8 м/с). В линии передачи их скорость уменьшается в k раз. Значения k меняются в зависимости от конструкции линии.

Типичное значение k составляет:

0,75 — для двухпроводной линии с пластмассовой изоляцией;

0,67 — для коаксиальной линии с твердой пластмассовой изоляцией;

0,85 — для коаксиальной линии с воздушной изоляцией;

0,97 — для открытой воздушной двухпроводной линии. Вследствие потерь электромагнитная волна, распространяясь вдоль линии, уменьшается по величине — затухает. Эффективность прохождения сигнала по линии (фидеру) определяется величиной погонного затухания (Р). ПОГОННОЕ ЗАТУХАНИЕ характеризуется уменьшением напряжения сигнала по мере его распространения вдоль линии на рабочей частоте, приходящееся на единицу длины кабеля. Выражают затухание в децибелах на метр (или неперах на километр).

При небходимости перевода единиц затухания можно воспользоваться следующим соотношением: 1дБ = 0,115 неп (или 1неп = 8,686дВ).

Погонное затухание зависит от материалов, из которых изготовлены проводники и изоляция, их поперечных размеров, частоты измерения и определяется по формуле

6-1-25.jpg

Чем выше частота и чем длиннее кабель, тем больше затухание Р фидерной линии.

ПРИМЕР: Определить общее затухание фидерной пинии, выполненной из коаксиального кабеля РК-75-4-11 длиной l=25м для V-TB канала. Из табл. 1.2 находим частоту V-TB канала: Fср=96МГц. По табл. 6.3 определяем затухание кабеля на этой частоте в=0.1 дБ/м. Общее затухание составит T=в*l;T=0.1*25=2.5дБ

Уменьшение напряжения сигнала, по мере его распространения вдоль линии, происходит по экспоненциальному закону:

6-1-26.jpg

Затухание сигнала по мощности в фидерной линии определяется формулой

6-1-27.jpg

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ линии определяется как отношение мощности на выходе линии к мощности на ее входе:

6-1-28.jpg

Из формулы следует, что чем меньше коэффициент погонного затухания линии и меньше ее длина, тем больше КПД.

РД — радиочастотные симметричные кабели, двухжильные или из двух коаксиальных пар;

PC — радиочастотные кабели со спиральными проводниками коаксиальные и симметричные.

По конструктивному выполнению изоляции радиочастотные кабели подразделяют на три группы:

- кабели со сплошной изоляцией, у которых все пространство между внутренним и внешним проводниками (коаксиальные кабели) или между токопроводящими жилами и их экраном (симметричные кабели) заполнено сплошной изоляцией или обмоткой из изоляционных лент;

- кабели с воздушной изоляцией, у которых на внутреннем проводнике (коаксиальные кабели или симметричные кабели из двух коаксиальных пар) или на жилах (симметричные кабели) через определенный интервал имеются выполненные из изоляционного материала шайбы, колпачки или кордель, наложенный по винтовой спирали, образующие изоляционный каркас между внутренним и внешним проводниками или между жилами и их экраном;

- кабели с полувоздушной изоляцией, у которых трубка из изоляционного материала, выполненная сплошной или в виде обмотки из лент, расположена поверх или под изоляционным каркасом, помещенным между внутренним и внешним проводниками (коаксиальные кабели или симметричные кабели из двух коаксиальных пар) или на каждой из двух жил (симметричные кабели). К полувоздушной изоляции относится также пористо-пластмассовая, балонная и изоляция в виде шлицованной трубки.

По номинальному волновому сопротивлению установлены следующие ряды кабелей:

- для типа РК- 50, 75, 100, 150 и 200 Ом;

- для типа PC- 50, 75, 100, 150, 200, 400, 800, 1600 и 3200 Ом;

- для типа РД — 75, 100, 150, 200 и 300 Ом. Коаксиальные кабели в зависимости от номинального диаметра по изоляции разделяют на четыре группы:

- субминиатюрные — диаметром до 7 мм;

- миниатюрные — от 1,5 до 2,95 (3.0) мм;

- среднегабаритные — от 3,7 до 11,5 мм;

- крупногабаритные — более 11,5 мм.

По теплостойкости кабели разделяют на три категории:

- обычной теплостойкости — для температур до 125°С включительно;

- повышенной теплостойкости — от 125 до 250°С включительно;

- высокой теплостойкости — выше 250°С.

Каждому кабелю присвоено условное обозначение (марка кабеля), которое состоит из букв, означающих тип кабеля, и трех чисел (разделенных тире).

ПЕРВОЕ ЧИСЛО означает величину номинального волнового сопротивления.

ВТОРОЕ ЧИСЛО означает:

- для коаксиальных кабелей — величину диаметра по изоляции, округленную для диаметров более 2 мм до ближайшего целого числа.

- для кабелей со спиральными внутренними проводниками — значение номинального диаметра сердечника;

- для симметричных кабелей с двумя коаксиальными парами — значение диаметра по изоляции коаксиальной пары, округленное так же, как и для коаксиальных кабелей;

- для симметричных кабелей с изолированными жилами — значение наибольшего диаметра по заполнению или по скрутке.

ТРЕТЬЕ— двух- или трехзначное число, первая цифра которого означает группу изоляции и категорию теплостойкости кабеля, а последующие — порядковый номер разработки кабеля.

Таблица б. 1

Численное значение

Группировка изоляции (по ГОСТ 11326.0.71)

Материал изоляции (по ГОСТ 11326.0-67)

1

Сплошная изоляция обычной теплостойкости (до 125С)

Полиэтилен различных модификаций и его смеси

2

Сплошная изоляция повышенной теплостойкости (125-250С)

Фторлон (фторопласт) и его сополимеры

3

Полувоздушная изоляция обычной теплостойкости (до 125С)

Полистирол (стирофлекс)

4

Полувоздушная изоляция повышенной теплостойкости (125-250С)

Полипропилен и его смеси

5

Воздушная изоляция обычной теплостойкости (до 125С)

Резина

6

Воздушная изоляция повышенной теплостойкости (125-250С)

Неорганическая изоляция

7

Воздушная изоляция высокой теплостойкости (свыше 250С)

 



Каждой группе изоляции, при соответствующей теплостойкости кабеля, присвоено следующее цифровое обозначение (табл.6.1).

К марке кабелей повышенной однородности или повышенной стабильности параметров в конце через тире добавляется буква С. Предельные отклонения от номинальных значений волнового сопротивления для 75-омных коаксиальных кабелей повышенной однородности, с диаметром изоляции 3,7 - 9,0 мм составляет:

- при сплошной изоляции ±1,5 Ом,

- при полувоздушной или воздушной изоляции ±2 Ом.

В обозначении кабелей, предназначенных для систем коллективного приема телевидения и индивидуальных приемных антенн, добавляется буква А (РК-75-4-11А). Эти кабели отличаются от основных марок внешним проводником, выполняемым плотностью 40-60% [при угле наложения оплетки 65-74). Кабели для телевизионных антенн не подвергают испытанию на корону и не измеряют затухание на частоте 3 ГГц до и после испытания на стабильность.

Условное обозначение радиочастотного коаксиального кабеля РК-75-4-12 означает:

РК — радиочастотный кабель;

75 — волновое сопротивление. Ом;

4 — диаметр кабеля по изоляции, мм;

12 — двузначное число, в котором первая цифра указывает род изоляции (1 — сплошная изоляция обычной теплостойкости до 125°С), а вторая — порядковый

номер конструкции кабеля.

На полиэтиленовой оболочке или на оболочке из поливинилхлоридного пластикада по всей длине кабеля с наружным диаметром более 4 мм на расстоянии не более 1 м друг от друга обычно наносятся:

- марка кабеля;

- товарный знак предприятия-изготовителя или его условное обозначение;

- год выпуска кабеля.

Наибольшее распространение для создания фидерних линий, используемых для передачи ТВ сигнала, получил экранированный несимметричный (коаксиальный) кабель РК (рис.6.9.а) и неэкранированный ленточный симметричный кабель КАТВ [кабель антенный телевизионный с виниловой изоляцией) — рис 6.9.в. В некоторых случаях используют симметричные экранированные кабели марок РД (рис. 6.9.г) и воздушные двухпроводные симметричные линии.

6-1-29.jpg

Рис. 6.9. Конструкции радиочастотных кабелей:

а—несимметричный коаксиальный с одиночным внутренним проводом;

б — несимметричный коаксиальный с многожильным внутренним проводом;

в —симметричный ленточный КАТВ; г— симметричный экранированный кабель РД.

Распространенной конструкцией внутреннего проводника радиочастотных кабелей является одиночный провод. Выполнение внутренней жилы в виде набора скрученных проводов (7, 19 или 37) обеспечивает эластичность, повышает гибкость и его вибрационную стойкость, (рис. 6.9.6)

Внутренний проводник радиочастотных кабелей повышенной стабильности (для работы при 200 С и выше) изготавливают из посеребренной медной проволоки. Малогабаритные радиочастотные кабели для повышения механической прочности изготовляют с внутренним проводником из биметаллической проволоки (сталь-медь).

При использовании радиочастотных кабелей в условиях высоких температур (200-300°С) в качестве экрана используют посеребренную медную проволоку, а для работы при температурах 350-450°С — никелированную медную проволоку или проволоку из нержавеющей стали.

В условиях повышенной влажности для кабелей с резиновой изоляцией экран изготовляют из луженой медной проволоки.

Конструктивно симметричный ленточный кабель КАТВ [рис.6.9.в] состоит из двух семижильных проводников 1, запресованных в полихлорвиниловый пластикат 2. При распространении сигнала по неэкранированной симметричной линии, выполненной из кабеля КАТВ, часть сигнала рассеивается в пространстве, а сама линия довольно чувствительна к сигналам помех. Для того чтобы кабель КАТВ не работал как антенна (в близких зонах от ТВ прередающих центров}, его рекомендуют скручивать (до четырех скруток на один метр).

Более защищен от помех симметричный экранированный кабель РД (рис. 6.9. г). Внутренние проводники 1 выполнены из одной либо семи скрученных медных жил. Проводники жил помещены в изоляцию 2. Поверх изоляции наложен экран 3 и защитная оболочка 4. Благодаря его экранирующим свойствам повышается помехоустойчивость приема, устраняются искажения диаграммы направленности антенны, связанные с антенным эффектом [излучением кабеля).

В настоящее время на мировом рынке имеются радиочастотные кабели различных типов (рис.6.10). Структура условных обозначений их различна и может устанавливаться фирмами-изготовителями. Так, тип кабеля, изготовляемого странами Юго-Восточной Азии, имеет следующую маркировку:

ПЕРВЫЙ ЭЛЕМЕНТ (цифра) означает округленный диаметр

кабеля по металлической оплетке;

ВТОРОЙ ЭЛЕМЕНТ (буква) означает волновое сопротивление («D» - 50 Ом, «С» - 75 Ом);

ТРЕТИЙ ЭЛЕМЕНТ (несколько ЦИФР и БУКВ через дефис)

означает тип изоляции («2V» — изоляция из сплошного полиэтилена).

Маркировка зарубежных кабелей, удовлетворяющая требованиям американской оборонной промышленности (согласно стандарту MIL-C-17D), означает:

6-1-210.jpg

Рис. 6.10. Внешний вид импортных коаксиальных кабелей

- RG (Radio Guide) — «радиоволновод», при маркировке может опускаться (59/U = RG 59/U);

- ЧИСЛОВОЙ КОД — порядковый номер разработки;

- возможен БУКВЕННЫЙ СИМВОЛ, указывающий на различия в конструкции и применении, например: (U) «utility» — сервисный (эффективный).

Так, кабель RG-58 используется при построении локальных компьютерных сетей и в промышленной радиоизмерительной аппаратуре (аналог РК-50), RG-59 — используется в телевизионной и бытовой технике (аналог РК-75).

Встречается также маркировка кабеля (75-4-1, 75-5-В), где:

ПЕРВЫЙ ЭЛЕМЕНТ (цифры) означает волновое сопротивление;

ВТОРОЙ ЭЛЕМЕНТ (цифра) означает округленный диаметр внутреннего диэлектрика;

ТРЕТИЙ ЭЛЕМЕНТ (цифра или буква) означает технологические различия.

Элементы маркировки наносятся на внешнюю защитную оболочку кабеля и разделяются дефисом.