Вступление

Теория антенн может быть, иногда, "сухой". Для типичного радиолюбителя, который не является профессиональным инженером в сфере антенной техники, связь между теорией и практикой может быть зыбкой, что приводит к некорректным предположениям и обобщениям, появляющимся в тех или иных статьях и утверждений в нашем хобби.

Поэтому, я предлагаю серию статей про антенные вопросы в формате головоломки.

Вопросы сконструированы так, что Вы сможете легко использовать их во время проведения следующей QSO или во время встречи с другими коллегами по хобби в Вашем радиоклубе.  Вопросы гарантировано вызовут волну неверия, споров, и, в конце-концов, просвещения.  Количество головоломок на тему грамотности в антеннах будет зависеть от Вашего отзыва. Надеюсь, что Вы получите удовольствие.

Подумайте над следующим

Билл недавно получил свою следующую категорию - General class и с нетерпением ждет возможности начать работу на КВ диапазонах. Он смог организовать себе прекрасный полупроводниковый КВ трансивер, хорошего качества антенный тюнер, 33 метра антенного кабеля Belden 9913, балун, 50 метров антенного провода, и все необходимые аксессуары, чтобы соорудить антенну.

В субботу утром во время завтрака, элмер (прим. ред. – наставник в радиолюбительской связи для новичков. Термин применяется в США) Билла, Ал спросил что Билл собирается делать в плане своей станции. Билл с радостью сообщил, что он провел небольшое исследование и поделилися своими идеями. "У меня есть место повесить полноразмерный диполь для диапазона 80 метров и он будет на высоте около 20 метров над землей растянут между деревьями рядом с домом. Я планирую сделать размеры антенны такими, чтобы она была настроена в середине диапазона и использовать тюнер на станции. КСВ без тюнера будет не более 5:1 на концах диапазона, так что антенна должна работать хорошо и в телеграфной и в телефонной части диапазона,” выпалил Билл.

"Погоди минутку,” прервал его Ал. "Я много антенн за свои 23 года занятия радиолюбительством сделал. Антенна с КСВ 5:1 просто неприемлема. Коаксиальный кабель и потери мощности приведут к неэффективной работе такой антенны. Твой  коаксиальный кабель также начнет излучать РЧ энергию при таком высоком КСВ. Нужно добиваться, чтобы КСВ не был больше, чем 2:1 и тогда уже можно использовать тюнер для облегчения работы трансивера.”

"Честно говоря, это для меня сложно. Я думал, что тюнер позаботится о согласовании антенны, так что КСВ не будет проблемой,”  сказал Билл тихим голосом. "Мне казалось, что КСВ 5:1 не окажет влияния на силу моих сигналов.”

Теперь ответьте на следующий вопрос

Чью точку зрения Вы лично поддерживаете, элмера Ала или новичка Билла?

[ Если не хотите сразу же узнать ответ, то не читайте дальше. ]

Как найти ответ на этот вопрос

Наверное, первый или второй из полезных инструментов, которые радиолюбитель себе приобретает в радиолюбительское хозяйство – КСВ метр (измеритель Коэффициента Стоячей Волны). С самого раннего времени нашего занятия хобби нас учат, что мы должны уделять особое внимание КСВ наших антенн. Если мы смотрим всякие рекламные объявления по антеннам, то видим, что почти все они делают заявления в плане КСВ.  Большинство из новоиспеченных антенных анализаторов могут показывать КСВ на любых диапазонах. Ясно, что КСВ – важная тема для радиолюбителей. Обычному радиолюбителю значение КСВ 5:1 несомненно покажется очень высоким.

Хотя КСВ это один из параметров, который мы должны регулярно проверять, он, зачастую, неправильно понимается и не правильно применяется на практике. В нашем случае, Билл говорил более разумные вещи, чем его наставник Ал. Все заявления Ала по поводу антенны Билла, которую он собирался сделать являются неправильными.  Читайте дальше…

Детальный ответ

Ал беспокоился по поводу "потерь мощности от отраженной энергии” из-за КСВ 5:1. Когда антенна согласована с помощью антенного тюнера как планировал сделать Билл,  РЧ мощность, которая отражается в сторону антенного тюнера возвращается в антенну, а не теряется где-то еще. Ал был полностью неправ по этому вопросу. Антенный тюнер выполняет так называемое «сопряженное согласование».

Давайте посмотрим на сопряженное согласование с нетехнической точки зрения (инженеры- простите меня за некоторые слабости этой аналогии). Подумайте о том, что передатчик отдает 100 Ватт мощности в антенный тюнер. Задача антенного тюнера в том, чтобы не допустить возврат этой мощности в передатчик (то есть когда КСВ 1:1) и выдать все 100 Ватт в антенну.  При КСВ 5:1 антенна будет потреблять где-то около 56% любой мощности, подаваемой в нее и оставшиеся 44% останутся в антенном тюнере.

Некоторые люди будут говорить, что есть 44% возвращенной мощности и будут называть ее потерянной мощностью, как думает Ал. Но вот важный момент– антенный тюнер говорит "Нет проблем, я отошлю эту мощность снова в антенну!” В первый раз, когда тюнер получил 100 Ватт мощности от передатчика, и 44 от антенны, он снова направляет эти 44 Ватта в антенну и из них получает назад 20, потом отсылает 20 и получает 9 и так далее.  Это продолжается до тех пор, пока все 100 Ватт не достигают и не остаются в антенне и ничего больше не возвращается. При КСВ 5:1 в момент проведения такого «обмена» 15 раз, больше, чем 99.999% мощности будет передано в антенну. Если мы сложим все циклы обмена мощностью , которые обработал тюнер то это будет 180 Ватт. Это называется Мощность Падающей Волны. Если мы будем использовать направленный измеритель мощности прямо возле тюнера на стороне антенны,  то он будет показывать 180 Ватт.  Но пока что эта аналогия не брала в расчет коаксиальный кабель, так что не останавливайтесь на этом.

Элмер Ал также волновался по поводу "потерь в кабеле”. Мы все знаем, что в коаксиальных кабелях наблюдаются потери. Билл выбрал кабель типа 9913 так что на диапазоне 80 метров его 33 метра кабеля будут иметь затухание 0.25 дБ. Это означает, что любой сигнал, проходящий через коаксиальный кабель будет ослабляться на 6% в своей силе. Эта энергия будет выделяться в виде тепла.

Теперь давайте посмотрим, как влияет эти потери на общую картину. Все действующие лица остаются теми же самыми, но теперь появляется посредник между антенным тюнером и антенной– коаксиальный кабель. Никакая РЧ мощность не может передаваться в том или ином направлении через кабель без участия «посредника», который собирает свои «комиссионные» в размере 6% от транзакции. Так что когда тюнер передает 100 Ватт в антенну, посредник снимает свои 6%, «складывает» 6 Ватт, и отсылает оставшиеся 94 Ватт в антенну. Антенна все еще возвращает 44% от того, что получает, а это 41 Ватт. Но снова в роль вступает посредник, срезающий свои 6%, и убирающий 2 Ватта из этой мощности, и передающий дальше остающиеся 39 Ватт на тюнер. И происходит то же что и раньше, но «посредник» при этом собирает некоторое количество мощности.

Если мы заставим «посредника» отчитаться за все, что он собрал в ходе обмена ,  то у нас получится 13 Ватт. Конечно, в нашем случае посредник – коаксиальный кабель. Так что 13 Ватт общей мощности теряются в нем самом.  Так как кабель поглотил часть мощности, то Мощность Падающей Волны снижается до, приблизительно, 167 Ватт. Еще один момент здесь в том, что так как коаксиальный кабель потребляет мощность, то он будет влиять на показания КСВ-метра, если мы попытаемся измерить его около тюнера. В нашем случае, КСВ будет 4.3:1 вместо 5:1.

Прежде, чем мы завершим нашу аналогию, давайте посмотрим на еще одну подробность, связанную с потерями в коаксиальном кабеле. Если КСВ в антенне 1:1 то последняя не отражает мощность– она вся потребляется. В нашей аналогии, тюнер будет отсылать 100 Ватт в антенну, «посредник» собирать 6%, и антенна будет потреблять 94 Ватта без того, чтобы отсылать что-то назад. Заметили ли Вы, что «посредник прикарманил» только 6 Ватт в этот раз? Это дает Вам возможность сказать, что потери в размере 6 Ватт можно считать нормальными из-за потерь в коаксиальном кабеле вне завсимости от значения КСВ и оставшиеся 7 Ватт (13 Ватт -6 Ватт) вызываются КСВ, превышающим значение 1:1.  Потери в 7 Ватт из-за КСВ 5:1 не такие уж и большие, не правда? Это меньше, чем 1/10 одного деления S метра – совершенно незначительно!

Мощность Падающей Волны, описанная ранее, всегда будет больше, чем мощность, передаваемая передатчиком в антенну когда КСВ превышает значение 1:1 и у нас используется тюнер для согласования.  В результате, мы всегда должны проверять максимальное напряжение, развивающееся в фидере, чтобы убедиться, что мы не получим электрический пробой для нашего типа кабеля.  Кабель типа 9913, который выбрал Билл для своей антенны имеет максимальное допустимое действующее напряжение 300 Вольт.  Если мы расчитаем напряжение Мощности Падающей Волны на нагрузке 50 Ом, то оно будет 158 Вольт. Значит наш коаксиальный кабель вполне нормально с ним справится.

Таблица 1 показывает различные показатели при изменении КСВ в антенне Билла на 80 м.

Таблица 1 действует только для значения потерь в кабеле 0.25 дБ.

Наставник Ал также заявил, что КСВ может привести к тому, что коаксиальный кабель будет излучать РЧ энергию. Он мог бы с таким же успехом сказать, что КСВ вызывает северное сияние, изменения магнитного полюса земли, стерлизует поверхность в пределах 5 длин волны от кабеля. Это все  - фантазия. Высокий КСВ не производит антенного тока в линии или вызывает излучение фидера. Излучение фидера вызывается переизлучаемой энергией которая подается в коаксиальный кабель из-за несимметриченого положения коаксиального кабелия по отношению к антенне или из-за наводки в результате подключения сбалансированной антенны к несбалансированному коаксиальному кабелю, если не использовать балун. Снова, ни одно из этих условий не вызывается высоким КСВ.

Если Вам потребуется, можно получить от меня удобную для пользования таблицу в Excel с расчетами параметров при согласовании антенны в случае, подобном нашему. Для получения этой таблицы пошлите мне email на мой адрес: "позывной в США собачка arrl.org". Обязательно в теме сообщения укажите  "Antenna IQ Spreadsheet”.

Мысли в завершение

КСВ часто не правильно понимаемый и не правильно применяемый на практике показатель в среде радиолюбителей.  Вот еще некоторые истины в отношении КСВ:

• Высокий КСВ может быть нейтрализован при использовании соответствующего тюнера и линии питания с низкими потерями для рабочих частот. Есть минимальное влияние на силу принимаемого сигнала на приемной стороне. К примеру:

1. При использовании кабеля с низкими потреями, приемная станция не сможет обнаружить НИКАКИХ изменений в сигнале даже если КСВ в антенне будет 10:1 на любом КВ диапазоне если Ваш тюнер может справится с таким согласованием. Большинство диполей имеют КСВ 3:1 на краях диапазона.

• Низкий КСВ сам по себе не является показателем качества или эффективности антенной системы.
• Чем выше частота, тем больший эффект КСВ имеет на потерю сигнала в коаксиальном кабеле. Будьте очень внимательны на УКВ частотах.
• Антенные тюнеры вносят небольшие дополнительные потери, которые можно обычно не принимать в рассмотрение. Посмотрите инструкцию производителя тюнера для получения информации о вносимых потерях и безопасному использованию тюнера.
• КСВ в антенн должен использоваться только для того, чтобы подтвердить что антенна работает так как ожидается при ее монтаже и потом для наблюдения есть ли какие-либо изменения, которые могут означать, что требуется проведение технического обслуживания антенны.
• КСВ между передатчиком и тюнером нужно отслеживать, чтобы обеспечить хорошее согласование тюнера на рабочей частоте.

ОРИГИНАЛ СТАТЬИ (АНГЛ.): 

http://www.eham.net/articles/26720