Антенное питание

Радиопередатчик принимает или приемник подключен к антенне , которая излучает или радиоволны . Система антенного питания или антенный фидер — это кабель или проводник и другое сопутствующее оборудование, которое соединяет передатчик или приемник с антенной и делает два устройства совместимыми. ^[1]^[2] радиопередатчике передатчик генерирует переменный ток радиочастоты В , а система питания подает ток на антенну, которая преобразует мощность тока в радиоволны. В радиоприемнике приходящие радиоволны возбуждают в антенне крошечные переменные токи, а система питания подает этот ток в приемник, который обрабатывает сигнал.

передачи радиочастотного Для эффективной тока линия передачи , соединяющая передатчик или приемник с антенной, должна представлять собой кабель особого типа, называемый линией передачи . На микроволновых частотах часто используют волновод , представляющий собой полую металлическую трубу, по которой передаются радиоволны. В параболической (тарелочной) антенне фидер обычно также включает в себя фидерную антенну ( рупорную антенну ), которая излучает или принимает радиоволны. В частности, в передатчиках система подачи является критически важным компонентом, полное сопротивление которого соответствует антенне, линии подачи и передатчику. Для этого система питания может также включать в себя схемы, называемые блоками настройки антенны или согласующими сетями между антенной и линией питания, а также линией питания и передатчиком. ^[3] На антенне точкой питания является точка на ведомом антенном элементе, к которой подключена линия питания.

Компоненты

В передатчике антенный фидер считается всеми компонентами между оконечным усилителем передатчика и точкой питания антенны. ^[3] В приемнике это все компоненты между антенной и входными разъемами приемника. В некоторых случаях, например, в случае с параболическими антеннами, также предусматривается включение облучающей антенны или облучателя .

В некоторых радиоприемниках антенна крепится непосредственно к передатчику или приемнику, например, штыревые антенны, установленные на рациях и портативных FM-радиоприемниках , рукавные дипольные антенны беспроводных маршрутизаторов и антенны PIFA внутри мобильных телефонов. В этом случае система подачи просто состоит из схемы согласования импеданса (при необходимости) между антенной и передатчиком или приемником, которая согласовывает импеданс антенны с радиостанцией. ^[3]

В других случаях антенна расположена отдельно от передатчика или приемника, например, антенны вещательного телевидения и спутниковые тарелки, установленные на крышах жилых домов, секторная антенна на вышках сотовой связи базовых станций сотовой связи , вращающиеся радарные антенны в аэропортах и антенны башни радио- и телестанций . ^[3] В этом случае антенна подключается к передатчику или приемнику кабелем, называемым фидерной линией . Для эффективной передачи радиочастотного (РЧ) тока линия питания состоит из специального кабеля, называемого линией передачи . Преимущество линии передачи заключается в том, что она имеет равномерный характеристический импеданс , что позволяет избежать резких скачков импеданса, которые вызывают отражение радиоэнергии назад по линии. Основными типами линий передачи являются параллельная проводная линия ( двойной провод ), коаксиальный кабель и волновод для микроволн .

Линия подачи

В радиоантенне питающей ( линией фидером ) , или фидером , является кабель или другая линия передачи , соединяющая антенну с радиопередатчиком или приемником . В передающей антенне он передает радиочастотный (РЧ) ток от передатчика к антенне, где энергия тока излучается в виде радиоволн . В приемной антенне он передает крошечное радиочастотное напряжение, индуцированное в антенне радиоволной, на приемник. Для эффективной передачи радиочастотного тока линии питания изготавливаются из специальных типов кабелей, называемых линиями передачи . Наиболее широко используемые типы питающих линий — коаксиальный кабель , двухжильный кабель , лестничная линия , а на СВЧ -частотах — волновод .

В частности, в случае передающей антенны линия подачи является критически важным компонентом, который необходимо отрегулировать для правильной работы с антенной и передатчиком. Каждый тип линии передачи имеет определенное характеристическое сопротивление . Оно должно быть согласовано с импедансом антенны и передатчика, чтобы обеспечить эффективную передачу мощности на антенну. Если эти импедансы не согласованы, это может вызвать состояние, называемое стоячими волнами, на линии подачи, при котором радиочастотная энергия отражается обратно в сторону передатчика, приводя к потере энергии и, возможно, к перегреву передатчика. Эта настройка выполняется с помощью устройства, называемого антенным тюнером в передатчике, а иногда и согласующей сети на антенне. Степень рассогласования между фидерной линией и антенной измеряется прибором, называемым КСВ-метром (измерителем коэффициента стоячей волны), который измеряет коэффициент стоячей волны (КСВ) в линии.

Характеристики кабеля
несколько распространенных типов фидерных линий
Кабель тип	Номинальное сопротивление ( $Ой$ )	Скорость фактор (% $с$ )
радио коаксиальный	50	66 (сплошной) 80 (пена)
видео коаксиальный	75	66 (сплошной) 80 (пена)
двойной свинец линия ленты	300	82
оконная линия	450	95–99
лестничная линия открытая проводная линия	500–600	95–99

Двойной вывод

Двойной провод используется для подключения FM-радиоприемников и телевизионных приемников к их антеннам, хотя в последнем случае он в значительной степени заменен коаксиальным кабелем, а также в качестве питающей линии для передатчиков малой мощности, таких как любительские радиопередатчики . Он состоит из двух проволочных проводников, идущих параллельно друг другу с точно постоянным расстоянием, залитых полиэтиленовым изоляционным материалом в плоский ленточный кабель. Расстояние между двумя проводами невелико по сравнению с длиной волны радиочастотного сигнала, передаваемого по проводу. ВЧ ток в одном проводе равен по величине и противоположен по направлению ВЧ току в другом проводе. Таким образом, вдали от линии радиоволны, излучаемые одним проводом, будут противоположны по фазе и будут гасить волны, излучаемые другим проводом.

По той же причине двойной провод также в значительной степени невосприимчив к радиошуму и радиочастотным помехам (RFI), если оба провода находятся на одинаковом расстоянии от любых крупных металлических объектов или других параллельных проводов. Любые нежелательные внешние радиоволны индуцируют токи одинаковой величины в одном и том же направлении (по фазе) в обоих проводах. Поскольку, пока вход приемника сбалансирован, он реагирует только на дифференциальные (противоположные) токи, шумовые токи нейтрализуются.

Двойной провод обычно называют типом « симметричной линии », однако к этому следует относиться со здравым смыслом: все типы кабелей, как параллельные, так и коаксиальные, способны проводить симметричный ток, и все они могут проводить несимметричный ток, который будет излучать. По этой причине каждый тип линии питания требует определенного внимания, чтобы сделать его «сбалансированным», и может стать «несбалансированным», если им пренебрегать; все должно питаться сбалансированным током и подключаться через симметрирующие устройства токового типа (или «линейные изоляторы») в нескольких точках вдоль линии, чтобы удалить шум, вносимый в виде несбалансированного тока.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель, вероятно, является наиболее широко используемым типом питающей линии, используемым для частот ниже микроволнового ( СВЧ ) диапазона. Он состоит из центрального проводника и окружающего его плетеного или сплошного металлического «экранирующего» проводника, обычно из меди или алюминия . Центральный проводник отделен от внешнего экрана диэлектриком , обычно пенопластом, чтобы расстояние между двумя проводниками было абсолютно постоянным. Экран покрыт внешней пластиковой изоляционной оболочкой. В жестком коаксиальном кабеле, используемом для передачи высокой мощности, например в телевизионных передатчиках , экран представляет собой жесткую или гибкую металлическую трубку, содержащую сжатый газ, например азот , а внутренний проводник удерживается по центру с помощью периодических пластиковых прокладок.

Коаксиальный кабель называется « несбалансированной линией », поскольку проводник экрана обычно соединен с электрическим заземлением , однако токи, протекающие по центральному проводнику, уравновешиваются противоположными токами, которые скользят по внутренней поверхности экрана; только ток, текущий по внешней поверхности коаксиального экрана, фактически несимметричен. Если этот ток можно заблокировать, коаксиальный кабель становится «сбалансированной линией». Большим преимуществом коаксиального кабеля является то, что защитный проводник изолирует внутренние токи кабеля от внешних электромагнитных полей. Если токи, текущие по внешней поверхности, блокируются, на коаксиальный кабель становятся невосприимчивыми близлежащие металлические предметы и помехи.

Волновод

Волновод используется на микроволновых ( СВЧ ) частотах, на которых другие типы фидерных линий имеют чрезмерные потери мощности. Волновод представляет собой полый металлический проводник или трубу. Он может иметь круглое или квадратное сечение. Волноводные линии часто находятся под давлением газообразного азота, чтобы предотвратить попадание влаги. Радиочастотный сигнал распространяется по трубе аналогично тому, как звук распространяется по трубке. Металлические стенки удерживают его от излучения энергии наружу, а также предотвращают попадание помех в волновод. Из-за стоимости и стоимости обслуживания волновода в микроволновых антеннах часто выходной каскад передатчика или ВЧ-интерфейс приемника расположен на антенне, и сигнал подается на остальную часть передатчика или приемника или от нее с более низкой частотой. частоту, используя коаксиальный кабель. Волновод считается несбалансированной линией передачи .

Согласование импеданса

В частности, в случае передающей антенны антенный фидер является критически важным компонентом, который необходимо отрегулировать для обеспечения совместимости с антенной и передатчиком. ^[3] Выходные клеммы передатчика, линия передачи и антенна имеют определенное характеристическое сопротивление , которое представляет собой отношение напряжения к току на клеммах устройства. Для передачи максимальной мощности между передатчиком и антенной импеданс передатчика и фидерной линии должен быть согласован с антенной. ^[1] Это означает, что передатчик и антенна должны иметь одинаковое сопротивление и одинаковое, но противоположное реактивное сопротивление . Линия питания также должна быть согласована по сопротивлению с передатчиком. ^[4] Если это условие соблюдено, антенна будет поглощать всю мощность, подаваемую по фидерной линии. Если импедансы на обоих концах линии не совпадают, это вызовет состояние, называемое « стоячие волны » (высокий КСВН ) на фидерной линии, при котором часть радиочастотной мощности не излучается антенной, а отражается обратно в сторону передатчика, трата энергии и, возможно, перегрев передатчика. Большинство передатчиков имеют стандартное выходное сопротивление 50 Ом , предназначенное для питания коаксиального кабеля с сопротивлением 50 Ом.

Передатчик согласовывается с фидерной линией с помощью устройства, называемого антенным тюнером , блоком настройки антенны или согласующей сетью , которое может представлять собой цепь в передатчике или отдельную часть оборудования, подключенную между передатчиком и фидерной линией. ^[3]^[1] Между антенной и фидерной линией может быть другая согласующая сеть для согласования фидерной линии с антенной. ^[4]В потребительских беспроводных устройствах, работающих на фиксированных частотах, согласующая сеть не регулируется и заключена в корпус устройства. В больших передатчиках, таких как радиовещательные станции , и в передатчиках, которые могут работать на разных частотах, например коротковолновые станции, антенный тюнер можно регулировать. Изменения частоты передатчика или настройки выходного каскада передатчика или антенны обычно приводят к изменению импеданса, поэтому после выполнения любых работ с передатчиком или антенной необходимо проверить КСВ и отрегулировать согласующую цепь. Для настройки согласующей сети простейший прибор для измерения степени рассогласования между питающей линией и антенной называется КСВ-метром (измерителем коэффициента стоячей волны), который сообщает коэффициент стоячей волны (КСВ) на линии: Отношение соседних максимальное и минимальное напряжение или ток в линии. Соотношение 1:1 указывает на совпадение импедансов, что означает, что нагрузка полностью резистивная, поэтому вся мощность поглощается и ни одна не отражается. Более высокое соотношение указывает на несоответствие и отраженную мощность. Согласующая сеть корректируется до тех пор, пока КСВ не станет ниже допустимого предела. Другие, более совершенные инструменты: импедансные мосты и антенные анализаторы .

Поскольку в передатчике с согласованным импедансом сопротивление источника передатчика равно сопротивлению фидерной линии и сопротивлению нагрузки антенны, и оба они включены последовательно на фидерной линии и потребляют равную мощность, максимальная мощность, которая может быть передана на антенну, составляет 50% от выходная мощность передатчика; остальные 50% рассеиваются в виде тепла за счет сопротивления выходного каскада передатчика. (Согласованная линия питания действительно рассеивает небольшое количество мощности через небольшое сопротивление, но большая часть ее кажущегося резистивного сопротивления представляет собой просто напряжение, необходимое для преодоления индуктивных и емкостных реактивных сопротивлений линии питания, которые сами по себе не вызывают потерь.)

В радиоприемниках рассогласование импеданса с антенной вызывает аналогичное снижение энергии сигнала от антенны, дошедшего до приемника, которое также составляет максимум 50% от мощности перехваченного сигнала, а мощность, поступающая в приемник, значительно меньше. когда линия не согласована и КСВ высокий. Однако потери на частотах ниже 10–20 МГц не являются большой проблемой, поскольку уровень теплового шума в приемниках намного ниже атмосферного шума, уже встроенного в сигнал, поэтому слабый сигнал от антенны можно просто усилить в приемнике для компенсировать потерю мощности из-за любого несоответствия, не загрязняя ее заметно шумом. На частотах выше 20 МГц атмосферный шум свободно излучается в пространство и поэтому в принимаемых сигналах достаточно низок, что приближается к уровню собственного внутреннего шума приемника; на этих частотах ОВЧ и УВЧ усиление ухудшает соотношение сигнал/шум , а согласование импеданса принимаемого сигнала является важной проблемой при приеме слабых сигналов.

Сбалансированные и несбалансированные корма

Линии передачи и подключенные к ним компоненты можно классифицировать как симметричные, в которых обе стороны линии имеют одинаковое сопротивление относительно земли, например, дипольные антенны и параллельные проводные линии , или несимметричные, в которых одна сторона линии подключена к земле. , например монопольные антенны и коаксиальный кабель . ^[5]Для подключения симметричных и несимметричных компонентов двухпортовое устройство, называемое балуном используется . Балун — это трансформатор , который соединяет симметричные и несимметричные компоненты линии передачи. Например, для питания дипольной антенны от несбалансированной линии питания, например коаксиального кабеля, линия питания подключается к антенне через симметрирующий преобразователь . Без балуна несбалансированная часть тока будет течь по внешней стороне экрана коаксиального кабеля, в результате чего внешняя поверхность экрана будет действовать как антенна.

Другие компоненты корма

Более сложные фиды могут иметь и другие компоненты, помимо фидерной линии и соответствующих сетей:

Приемная антенна с длинной фидерной линией может иметь усилитель на антенне, называемый малошумящим усилителем (LNA), который увеличивает мощность слабых радиосигналов для компенсации затухания в фидерной линии.

На микроволновых частотах обычные типы линий передачи имеют чрезмерные потери мощности, поэтому для обеспечения низких потерь микроволны должны передаваться по волноводу — полой металлической трубе, которая проводит радиоволны. Из-за высокой стоимости и требований к техническому обслуживанию избегают длинных волноводов, а параболические антенны, используемые на микроволновых частотах, часто имеют радиочастотный вход приемника или части передатчика, расположенные на антенне. Например, в спутниковых антеннах рупор на тарелке , которая собирает микроволны, подключен к схеме, называемой малошумящим блочным понижающим преобразователем (LNB или LNC), которая преобразует высокую микроволновую частоту в более низкую промежуточную частоту , поэтому ее можно передавать в здание с использованием более дешевого коаксиального кабеля.

Антенны радаров и спутниковой связи могут обрабатывать радиоволны разных частот и поляризаций и могут использоваться как в качестве передающих, так и в качестве приемных антенн, поэтому система подачи передает радиосигналы, распространяющиеся в обоих направлениях. Поэтому эти антенны часто имеют более сложные фидеры, включающие в себя специализированные компоненты, такие как

направленные ответвители , которые разделяют радиоволны, движущиеся в одном направлении, но не в другом, чтобы отделить принятый сигнал от передаваемого сигнала.
поляризаторы , пропускающие радиоволны одной поляризации
ортомодовые преобразователи , объединяющие или разделяющие радиосигналы различной поляризации
диплексеры , которые объединяют или разделяют две разные частоты
фазовращатели , изменяющие фазу радиоволн.
волноводные переключатели
волноводные вращающиеся соединения

Антенная решетка или антенная решетка состоит из нескольких антенн, которые подключены к одному передатчику или приемнику, которые работают вместе для излучения или приема радиоволн. Понятно, что системы питания антенных решеток более сложны, чем одиночные антенны. Питающая сеть должна равномерно распределять мощность передатчика между антеннами. Чтобы излучать плоскую волну, на отдельные антенны (элементы) передающей решетки необходимо подавать ток с определенным соотношением фаз . Аналогично с приемными массивами, возможно, потребуется сдвинуть по фазе токи от каждого элемента, чтобы они объединялись по фазе в приемнике. Это может потребовать фазосдвигающих сетей на каждом элементе. В фазированных антенных решетках, типе антенной решетки, в которой луч может управляться электронным способом в разных направлениях, каждый антенный элемент подается ток через программируемый фазовращатель, который управляется компьютером.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Су, Дунлин; Се, Шуго; Дай, Фей (2019). Теория и методы количественного проектирования электромагнитной совместимости на системном уровне . Спрингер. стр. 54–55. ISBN 9789811336904 .
^ Басу, Дипак (2018). Словарь чистой и прикладной физики . ЦРК Пресс. п. 28. ISBN 9781420050226 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Стро, Р. Дин (2000). Книга об антеннах ARRL, 19-е изд . Американская лига радиорелейной связи. стр. 25.1–25.8. ISBN 9780872598041 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Стро, Р. Дин; и др., ред. (2000). Книга об антеннах ARRL, 19-е изд . Американская лига радиорелейной связи. стр. 26.1–26.8. ISBN 9780872598041 .
^ Стро, Р. Дин; и др., ред. (2000). Книга об антеннах ARRL (19-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи. п. 18.6. ISBN 9780872598041 – через Google Книги.

[Su-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Су, Дунлин; Се, Шуго; Дай, Фей (2019). Теория и методы количественного проектирования электромагнитной совместимости на системном уровне . Спрингер. стр. 54–55. ISBN 9789811336904 .

[Basu-2] Басу, Дипак (2018). Словарь чистой и прикладной физики . ЦРК Пресс. п. 28. ISBN 9781420050226 .

[ARRL1-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Стро, Р. Дин (2000). Книга об антеннах ARRL, 19-е изд . Американская лига радиорелейной связи. стр. 25.1–25.8. ISBN 9780872598041 .

[ARRL2-4] Перейти обратно: ^а ^б Стро, Р. Дин; и др., ред. (2000). Книга об антеннах ARRL, 19-е изд . Американская лига радиорелейной связи. стр. 26.1–26.8. ISBN 9780872598041 .

[ARRL3-5] Стро, Р. Дин; и др., ред. (2000). Книга об антеннах ARRL (19-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи. п. 18.6. ISBN 9780872598041 – через Google Книги.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]