Уроки по электрическим цепям — линии передачи. Загадка пятидесяти ом, или «достигли ли вы согласования
Термин «Диэлектрик» применяется к любому материалу, который не является проводником электричества: изолятор. Сухой воздух на уровне моря имеет диэлектрическую проницаемость равную 1, все другие изолирующие среды имеют диэлектрическую проницаемость больше 1. Кабели, использующие твердый винил или вспененный диэлектрик, изолирующий разделяющий материал в виде сплошного или спирально насеченного тефлона, как в современной конструкции кабеля, могут иметь диэлектрические постоянные вплоть до величин, в несколько раз превышающих величину диэлектрической постоянной сухого воздуха на уровне моря. Сухой азот, инертный газ, отфильтрованный через «влагопоглотитель» для полного удаления влаги, хранящийся при давлении, немного превышающем давление воздуха на уровне моря, широко используется в герметичных цельных кабелях с целью обеспечения того, чтобы изменения атмосферного давления и относительной влажности не привели к изменению сопротивления кабеля.
При работе с высокими мощностями и в области более высоких частот используются кабели большего диаметра, имеющие меньшие потери при заданных длинах. Потери кабеля обычно измеряются в децибелах, дБ, на 100 футов в наиболее распространенных для наземной мобильной связи частотных диапазонах. Гибкие кабели, изготовленные в соответствии с действующими в течение долгого времени стандартами RG-58 и RG-59, были заменены в большей части, если не во всех, коммерческих системах покрытыми серебром проводниками с двойной защитной оболочкой и тефлоновыми изоляционными материалами или специальными типами вспененных диэлектриков для уменьшения потерь и существенного усовершенствования кабеля с точки зрения защитной оболочки. В полугибких кабелях с цельными проводниками или жестких кабелях с цельными проводниками используются керамические изоляционные материалы или спиралевидные, центрирующие внутренний проводник опорные конструкции из тефлона с сухой азотной герметизацией вдоль них для уменьшения потерь. Такие типы кабеля находят применение в приложениях с повышенными мощностями и при повышенных частотах.
Большая часть систем распределения CATV и СCTV стандартизованы при сопротивлении 72 Ω много лет назад и такое системное сопротивление продолжает использоваться в настоящее время в этой промышленности. При возникновении специальных системных требований, таких как при использовании кабелей в качестве линейных преобразователей, могут использоваться кабели с сопротивлением 75, 93 Ω и с другими специальными величинами сопротивлений. Эти типы доступны от нескольких производителей кабеля. При проектировании кабельных сетей используются характерные длины таких кабелей, такие, чтобы сопротивления секций были согласованы с приборами и электрическими цепями, с которыми в противном случае они были бы рассогласованы.
Реализм согласования сопротивлений
Часто предполагается, что в системе, в которой все элементы имеют сопротивление 50 Ω, можно использовать любую длину 50-омного кабеля, и «совершенное согласование» будет в результате иметь место.Это справедливо только, когда все элементы системы имеют чисто резистивные 50 Ω характеристики, не проявляя ни индуктивного, ни емкостного реактивного сопротивлений.
ПОЖАЛУЙСТА, прочтите еще раз предыдущую главу
При практическом применении радиочастотных приборов наличие даже сравнительно небольших эффектов индуктивности или емкости может привести к понижению эффективности в целом, когда два или более прибора соединены кабелями. Для согласования кабелей необходимо рассчитать реактивную компоненту, чтобы достичь самой высокой возможной производительности. Для полного понимания того, что имеется в виду, давайте посмотрим на природу усилителей, прежде чем обращаться к вопросу о сопротивлениях линий передачи и антенн.
Анатомия задающих генераторов
Наиболее современная частотная генерация выполняется посредством электронного синтеза. Гибкость и простота, с которой сегодняшние много-канальные передатчики и приемники программируются и работают, стала возможной посредством современной технологии синтезатора «твердого тела» .
Аспекты проектирования синтезаторов – это вопрос в себе. Современные задающие генераторы на основе твердого тела будет задавать высоко стабильный частотный канал, как запрограммировано, при низком уровне мощности, используя сложный синтез частот для точного установления требуемых частот канала. Обычно применяют модуляцию выборочных носителей как часть функции синтезатора. В результате последовательных этапов этот сигнал усиливается до уровня мощности, приемлемого для усилителя мощности (У.М.). Этот У.М. может иметь две или более ступеней, чтобы получить на выходе требуемый уровень мощности.
В задающем генераторе выявляются различные меж- ступенчатые сопротивления, в соответствие с выбором проектировщика и доступностью активных компонент сети. Обычная практика состоит в проектировании выходного сопротивления задающего генератора, равном 50Ω при некотором заданном уровне мощности, таком как 3,5 или 10 ватт. При этом различные формы или типы У.М. используются, с наибольшей вероятностью, в предположении, что входное сопротивление усилителя будет для выхода усилителя таким же, как создаваемой «нагрузкой» сопротивление. Важно, чтобы соблюдалось адекватное согласование сопротивлений, так как задающий генератор является фактически передатчиком с низкой мощностью. Он будет передавать мощность на вход У.М. наиболее эффективно, только когда его выходное сопротивление согласовано с входным сопротивлением У.М.
Довольно часто возникают ситуации, когда задающий генератор, который может доставить требуемую мощность на У.М., выходит из строя и генерирует ложные выходные частоты или прекращает работать, когда входное сопротивление У.М. значительно отличается от пятидесяти ом, или когда между выходом задающего генератора и входом У.М. используется рассогласованный кабель. Когда задающий генератор нормирован на, скажем, 5 ватт мощности на выходе и использует выход класса «В» или «С» наряду с настройкой «выходного уровня» на некоторых предыдущих стадиях, часто эффективное сопротивление может изменяться в широком диапазоне, так как выходная мощность задающего генератора изменяется в пределах доступного настройке диапазона мощности.
Этот факт часто наблюдают многие специалисты, при ошибочном предположении, что выходное сопротивление задающего генератора постоянно, независимо от генерируемой мощности.
Типичные усилители на твердом теле.
В течение многих лет твердотельные усилители были основаны единственно на технологии мощных транзисторов, однако сейчас промышленность все больше производит и использует усиливающие приборы Power FET. Мы, однако, можем ожидать, что использование усилителей с би-полярными мощными транзисторами будет продолжаться в течение еще нескольких лет, так как большинство приборов с такими компонентами были спроектированы для непосредственной работы от 12,6 (номинал) транспортабельных источников мощности (VDC), в то время как приборы FET, работающие на уровне мощности 25 ватт или выше, обычно требуют более высоких рабочих напряжений, усложняя требования к энергоснабжению, особенно в транспортных применениях.
Радиочастотные мощные транзисторы, как выяснилось, включают приборы, генерирующие мощность в диапазоне от величины, ниже 1 ватта до 60 ватт и более, а приборы FET уже сейчас способны работать с мощностями до 250 ватт на выходе. Традиционным в транзисторных усилителях мощности является использование одной ступени с достаточным усилением мощности, чтобы запустить два или четыре «двухтактных, параллельных» прибора, питаемых гибридными делителями , подключенным к их входам, и ре-комбинировать выходы, используя гибридные приборы.
Импеданс - это номинальное сопротивление на входе наушников. Термин импеданс заимствован от слова impedance, которое переводится как полное сопротивление. Часто употребляется как синоним полного сопротивления для наушников. Полное сопротивление складывается из резистивной и реактивной составляющей, в результате чего уровень сопротивления зависит от частоты. В большинстве случаев на графике можно наблюдать низкочастотный резонанс для динамических наушников.
Выбирать наушники по сопротивлению нужно в соответствии с тем, с какой техникой вы собираетесь использовать данные наушники. Для использования с портативной техникой следует подбирать наушники с более низким импедансом, а для стационарной, с более высоким. У усилителей портативной техники жестко ограничен выходной уровень напряжения, но как правило не имеет жесткого ограничения уровень тока. По этому вероятность получить максимально возможную мощность для портативной техники возможно только с низкоомными наушниками. У стационарной техники как правило ограничение по напряжению не такое низкое и для получения достаточной мощности можно использовать высокоомные наушники. Высокоомные наушники являются более благоприятной нагрузкой для усилителя и с ними усилитель работает с меньшим уровнем искажений. Низкоомными наушниками считаются наушники условно до 100 Ом. Для портативной техники рекомендуются наушники с сопротивлением от 16 до 32 Ом, максимум - 50 Ом. Однако, если у наушников высокая чувствительность, то можно использовать и большее сопротивление.
Громкость работы наушников зависит в первую очередь от чувствительности наушников, а от сопротивления зависит, сколько мощности может дать усилитель. Например, у наушников А и Б одинаковая чувствительность - 110 дБ/мВт (чувствительность указана по отношению к мВт ). Портативный плеер развивает на своем выходе не более 1 В. У наушников А сопротивление 16 Ом, у наушников Б - 150 Ом. Для наушников А плеер выдаст 62 мВт, а для наушников Б всего 7 мВт. Соответственно, чтобы получить аналогичную громкость на наушниках Б, нужно подать те же 62 мВт, которые возможны при 3 В, а у нас в примере плеер может выдать только 1 В. Однако стоит учесть, что чувствительность может указываться не к мощности, а напряжению. Если для обоих наушников будет указана чувствительность как например 100 дБ/В (чувствительность указана по отношению в В ), то не зависимо от их сопротивления они будут играть одинаково громко (если у усилителя выходное сопротивление близко к нулю).
По кривой Rz можно так же обнаружить дефекты и брак, если на кривой присутствуют сильные резонансы в узких полосах частот.
iFi iEMatch
Доставка через 6-8 дней
4 485 .-
В корзину
В избранное
Сравнить
Shure SE215 - CL
Товар в наличии в интернет-магазине
7 990 .-
В корзину
В избранное
Сравнить
Зависимость АЧХ и SPL от импеданса наушников
АЧХ наушников зависит от кривой Rz и выходного сопротивления усилителя. Чем выше выходное сопротивление усилителя, тем больше меняется АЧХ наушников в соответствии с кривой Rz. В примере у наушников чувствительность 110 дБ/В, сопротивление 20 Ом, пиковое значение на графике Rz для 60 Гц - 60 Ом.
При подключении к усилителям с разным выходным сопротивлением можно видеть, как меняется АЧХ. Можно видеть, что при подключении наушников к усилителю с выходным сопротивлением в 300 Ом АЧХ на 60 Гц меняется до 7 дБ.
АЧХ показаны на разном уровне, в соответствии тому, как будет изменяться SPL при подключении низкоомных наушников к усилителю с заданным выходным сопротивлением. При подключении наушников к усилителю с выходным сопротивлением 300 Ом уровень SPL будет ниже на 25 дБ. В данном случае на выходе усилителей был выставлен уровень сигнала 1 В rms без нагрузки (или нагрузке выше 1000 Ом). Таким образом, низкоомные наушники играют тише, чем высокоомные с одинаковой чувствительностью по отношению к напряжению, подключенные к усилителю с высокоомным выходным сопротивлением при одинаковом положении регулятора громкости.
Зависимость падения амплитуды в дБ в зависимости соотношения величины внутреннего сопротивления усилителя от величины нагрузки Rz на конкретной частое можно оценить на графике ниже.
Можно увидеть, что если например у усилителя внутренне сопротивление равно 50 Ом, и без нагрузки он выдает определенный уровень сигнала, то при подключении наушников с сопротивлением 25 Ом получаем соотношение сопротивления усилителя к нагрузке равным 2, и падение амплитуды в дБ будет равно около 10 дБ. Если у наушников сопротивление 50 Ом, то отношение равно 1, и падение амплитуды уже 6 дБ, а если у наушников сопротивление 100 Ом, то соотношение равно 0,5 и падение амплитуды составит 4 дБ.
Однако больше интересно, как отразится график Rz на конечной АЧХ без учета SPL. Разберем небольшой пример.
Отметим максимальное и минимальное значение на графике Rz. У нас получается 150 Ом в максимуме и 40 Ом в минимуме. Внутреннее сопротивление усилителя примем как 60 Ом. У нас получается два соотношения сопротивлений, внутреннего усилителя к Rz, это 60/150=0.4 и 60/40=1.5.
Мы получаем пересечения в 3 и 8 дБ. Их разница составит 5 дБ.
Теперь для данного случая разница между минимумом и максимумом составит 5 дБ. Аналогичным образом можно вычислить и для других значений выходного сопротивления. Для 0 Ом получим 0 дБ, для 25 Ом получим 3 дБ, для 100 Ом - 6,5 дБ, а для 300 Ом - 9 дБ.
Ещё не начав читать статью, попробуйте подумать над вопросом: побежит ли ток, если подключить к батарейке очень длинный провод(более чем 300 тысяч километров, сверхпроводник), если противоположные концы провода никуда не подключены? Сколько Ампер?
Прочитав эту статью, вы поймёте в чём смысл волнового сопротивления. Из лекций по теории волн я вынес только то, что волновое сопротивление - это сопротивление волнам. Большая часть студентов, кажется, поняла ровно то же самое. То есть ничего.
Эта статья - весьма вольный перевод этой книги: Lessons In Electric Circuits
Статьи по теме: На Хабре: Контакт есть, сигнала нет
Трэш в Википедии: Длинная линия
50-омный кабель?
В начале моего увлечения электроникой я часто слышал про волновое сопротивление коаксиального кабеля 50Ω. Коаксиальный кабель – это два провода. Центральный провод, изолятор, оплётка, изолятор. Оплётка полностью закрывает центральный проводник. Такой провод используется для передачи слабых сигналов, а оплётка защищает сигнал от помех.Я был озадачен этой надписью – 50 Ω. Как могут два изолированных проводника иметь сопротивление друг с другом 50 Ω? Я измерил сопротивление между проводами и увидел, как и ожидалось, обрыв. Сопротивление кабеля с одной стороны до другой - ноль. Как бы я не подключал омметр, я так и не смог получить сопротивление 50 Ом.
То, что я не понимал в то время – так это как кабель реагирует на импульсы. Конечно, омметр работает с постоянным током, и показывает, что проводники не соединены друг с другом. Тем не менее, кабель, из-за влияния ёмкости и индуктивности, распределённой по всей длине, работает как резистор. И так же, как и в обычном резисторе, ток пропорционален напряжению. То, что мы видим как пара проводников – важный элемент цепи в присутствии высокочастотных сигналов.
В этот статье вы узнаете что такое линия связи. Многие эффекты линий связи не проявляются при работе с постоянным током или на сетевой частоте 50 Гц. Тем не менее, в высокочастотных схемах эти эффекты весьма значительны. Практическое применение линий передач – в радиосвязи, в компьютерных сетях, и в низкочастотных схемах для защиты от перепадов напряжения или ударов молний.
Провода и скорость света
Рассмотрим следующую схему. Цепь замкнута – лампа зажигается. Цепь разомкнута – лампа гаснет. На самом деле лампа зажигается не мгновенно. Ей как минимум надо раскалиться. Но я хочу заострить внимание не на этом. Хотя электроны двигаются очень медленно, они взаимодействуют друг с другом гораздо быстрее – со скоростью света.
Что произойдёт, если длина проводов будет 300 тысяч км? Так как электроэнергия передаётся с конечной скоростью, очень длинные провода внесут задержку.
Пренебрегая временем на разогрев лампы, и сопротивлением проводов, лампа зажжётся примерно через 1 секунду после включения выключателя. Несмотря на то, что строительство сверхпроводящих ЛЭП такой длины создаст огромные практические проблемы, теоретически это возможно, поэтому наш мысленный эксперимент реален. Когда переключатель выключается, лампа будет продолжать получать питание ещё 1 секунду.
Один из способов представить движение электронов в проводнике – это вагоны поезда. Сами вагоны движутся медленно, только начинают движение, и волна сцеплений передаётся гораздо быстрее.
Другая аналогия, возможно более подходящая – волны в воде. Объект начинает движение горизонтально вдоль поверхности. Создастся волна из-за взаимодействия молекул воды. Волна будет перемещаться гораздо быстрее, чем двигаются молекулы воды.
Электроны взаимодействуют со скоростью света, но движутся гораздо медленнее, подобно молекуле воды на рисунке выше. При очень длинной цепи становится заметна задержка между нажатием на выключатель и включением лампы.
Волновое сопротивление
Предположим, у нас есть два параллельных провода бесконечной длины, без лампочки в конце. Потечёт ли ток при замыкании выключателя?
Несмотря на то, что наш провод - сверхпроводник, мы не можем пренебречь ёмкостью между проводами:
Подключим питание к проводу. Ток заряда конденсатора определяется формулой: I = C(de/dt). Соответственно, мгновенный рост напряжения должен породить бесконечный ток.
Однако ток не может быть бесконечным, так как вдоль проводов есть индуктивность, ограничивающая рост тока. Падение напряжения в индуктивности подчиняется формуле: E = L(dI/dt). Это падение напряжения ограничивает максимальную величину тока.
Поскольку электроны взаимодействуют со скоростью света, волна будет распространяться с той же скоростью. Таким образом, нарастание тока в индуктивностях, и процесс зарядки конденсаторов будет выглядеть следующим образом:
В результате этих взаимодействий, ток через батарею будет ограничен. Так как провода бесконечны, распределённая емкость никогда не зарядится, а индуктивность не даст бесконечно нарастать току. Другими словами, провода будут вести себя как постоянная нагрузка.
Линия передачи ведёт себя как постоянная нагрузка так же, как и резистор. Для источника питания нет никакой разницы, куда бежит ток: в резистор, или в линию передачи. Импеданс (сопротивление) это линии называют волновым сопротивлением, и оно определяется лишь геометрией проводников. Для параллельных проводов с воздушной изоляцией волновое сопротивление рассчитывается так:
Для коаксиального провода формула расчёта волнового сопротивления выглядит несколько иначе:
Если изоляционный материал – не вакуум, скорость распространения будет меньше скорости света. Отношение реальной скорости к скорости света называется коэффициентом укорочения.
Коэффициент укорочения зависит только от свойств изолятора, и рассчитывается по следующей формуле:
Волновое сопротивление известно также как характеристическое сопротивление.
Из формулы видно, что волновое сопротивление увеличивается по мере увеличения расстояния между проводниками. Если проводники отдалить друг от друга, становится меньше их ёмкость, и увеличивается распределённая индуктивность (меньше эффект нейтрализации двух противоположных токов). Меньше ёмкость, больше индуктивность => меньше ток => больше сопротивление. И наоборот, сближение проводов приводит к большей ёмкости, меньшей индуктивности => больше ток => меньше волновое сопротивление.
Исключая эффекты утечки тока через диэлектрик, волновое сопротивление подчиняется следующей формуле:
Линии передачи конечной длины
Линии бесконечной длины – интересная абстракция, но они невозможны. Все линии имеют конечную длину. Если бы тот кусок 50 Ом кабеля RG-58/U, который я измерял с помощью омметра несколько лет назад, был бесконечной длины, я бы зафиксировал сопротивление 50 Ом между внутренним и внешним проводом. Но эта линия не была бесконечной, и она измерялась как открытая, с бесконечным сопротивлением.Тем не менее, волновое сопротивление важно также и при работе с проводом ограниченной длины. Если к линии приложить переходное напряжение, потечёт ток, который равен отношению напряжения к волновому сопротивлению. Это всего лишь закон Ома. Но он будет действовать не бесконечно, а ограниченное время.
Если в конце линии будет обрыв, то в этой точке ток будет остановлен. И это резкое прекращение тока повлияет на всю линию. Представьте себе поезд, идущий вниз по рельсам, имеющий слабину в муфтах. Если он врежется в стенку, он остановится он не весь сразу: сначала первый, потом второй вагон, и т.д.
Сигнал, распространяющийся от источника, называют падающей волной. Распространение сигнала от нагрузки обратно к источнику называют отражённой волной.
Как только нагромождение электронов в конце линии распространяется обратно к батарее, ток в линии прекращается, и она ведёт себя как обычная открытая схема. Всё это происходит очень быстро для линий разумной длины так, что омметр не успевает померить сопротивление. Не успевает поймать тот промежуток времени, когда схема ведёт себя как резистор. Для километрового кабеля с коэффициентом укорочения 0,66 сигнал распространяется всего 5.05мкс. Отражённая волна идёт обратно к источнику ещё столько же, то есть в сумме 10,1 мкс.
Высокоскоростные приборы способны измерить это время между посылкой сигнала и приходом отражения для определения длины кабеля. Этот метод может быть применён также для определения обрыва одного или обоих проводов кабеля. Такие приборы называются рефлектометры для кабельных линий. Основной принцип тот же, что и у ультразвуковых гидролокаторов: генерация импульса и замер времени до эха.
Аналогичное явление происходит и в случае короткого замыкания: когда волна достигает конца линии, она отражается обратно, так как напряжение не может существовать между двумя соединёнными проводами. Когда отражённая волна достигает источника, источник видит, что произошло короткое замыкание. Всё это происходит за время распространения сигнала туда + время обратно.
Простой эксперимент иллюстрирует явление отражения волн. Возьмите верёвку, как показано на рисунке, и дёрните её. Начнёт распространяться волна, пока она полностью не погасится за счёт трения.
Это похоже на длинную линию с потерями. Уровень сигнала будет падать по мере продвижения по линии. Однако, если второй конец закрепить на твёрдую стенку, возникнет отражённая волна:
Как правило, назначением линии передачи является передача электрического сигнала от одной точки к другой.
Отражения могут быть исключены, если терминатор на линии в точности равен волновому сопротивлению. Например, разомкнутая или короткозамкнутая линия будет отражать весь сигнал обратно к источнику. Но если на конце линии включить резистор 50 Ом, то вся энергия будет поглощена на резисторе.
Это всё имеет смысл, если мы вернёмся к нашей гипотетической бесконечной линии. Она ведёт себя как постоянный резистор. Если мы ограничим длину провода, то он будет себя вести как резистор лишь некоторое время, а потом – как короткое замыкание, или открытая цепь. Однако, если мы поставим резистор 50 Ом на конец линии, она вновь будет себя вести как бесконечная линия.
В сущности, резистор на конце линии, равный волновому сопротивлению, делает линию бесконечной с точки зрения источника, потому что резистор может вечно рассеивать энергию так же, как и бесконечные линии могут поглощать энергию.
Отражённая волна, вернувшись обратно к источнику, может вновь отразиться, если волновое сопротивление источника не равно в точности волновому сопротивлению. Этот тип отражений особенно опасен, он делает вид, что источник передал импульс.
Короткие и длинные линии передачи
В цепях постоянного тока волновое сопротивление, как правило, игнорируется. Даже коаксиальный кабель в таких цепях применяется лишь для защиты от помех. Это связано с короткими промежутками времени распространения по сравнению с периодом сигнала. Как мы узнали в предыдущей главе, линия передачи ведёт себя как резистор до тех пор, пока отражённая волна на вернётся обратно к источнику. По истечении этого времени (10,1 мкс для километрового кабеля), источник видит полное сопротивление цепи.В случае, если цепь передаётся низкочастотный сигнал, источник на какое-то время видит волновое сопротвление, а потом – полное сопротивление линии. Мы знаем, что величина сигнала не равна по всей длине линии из-за распространения со скоростью света(почти). Но фаза низкочастотного сигнала изменяется незначительно за время распространения сигнала. Так, мы можем считать, что напряжение и фаза сигнала во всех точках линии равна.
В этом случае мы можем считать что линия является короткой, потому что время распространения гораздо меньше периода сигнала. В противовес, длинная линия это такая, где за время распространения форма сигнала успевает измениться на большую часть фазы, либо даже передать несколько периодов сигнала. Длинными линиями считаются такие, когда фаза сигнала меняется более чем на 90 градусов за время распространения. До этого в данной книге мы рассматривали лишь короткие линии.
Чтобы определить тип линии(длинная, короткая), мы должны сравнить её длину и частоту сигнала. Например, период сигнала с частотой 60Гц равен 16,66мс. При распространении со скоростью света(300 тысяч км/с) сигнал пройдёт 5000км. Если коэффициент укорочения будет меньше 1, то и скорость будет меньше 300 тысяч км/с, и расстояние меньше во столько же раз. Но даже если использовать коэффициент укорочения коаксиального кабеля(0,66), расстояние всё равно будет велико - 3300км! Независимо от длины кабеля это называется длиной волны.
Простая формула позволяет вычислить длину волны:
Длинная линия – такая, где хотя бы умещается ¼ длины волны в длину. И теперь вы можете понять, почему все линии прежде относятся к коротким. Для систем питания переменного тока 60Гц длина кабеля должна превышать 825 км, чтобы эффекты распространения сигнала стали значительными. Кабели от аудио усилителя к колонкам должны быть более 7,5 км в длину, чтобы существенно повлиять на 10кГц звуковой сигнал!
Когда имеешь дело с радиочастотными системами, задача с длиной линии передачи является далеко не такой тривиальной. Рассмотрим 100МГц радиосигнал: его длина волны 3 метра даже на скорости света. Линия передачи должна быть более 75 см в длину, чтобы считаться длинной. С коэффициентом укорочения 0,66 эта критическая длина составит всего 50 см.
Когда электрический источник подключен к нагрузке через короткую линию передачи, доминирует импеданс нагрузки. То есть, когда линия короткая, волновое сопротивление не влияет на поведение схемы. Мы можем это увидеть при тестировании коаксиального кабеля омметром: мы видит разрыв. Хотя линия ведёт себя как резистор 50Ом (RG/58U кабель) на короткое время, после этого времени мы увидим обрыв. Так как время реакции омметра значительно больше времени распространения сигнала, мы видим обрыв. Эта очень большая скорость распространения сигнала не позволяет нам обнаружить 50Ом переходное сопротивление омметром.
Если мы будем использовать коаксиальный кабель для передачи постоянного тока, кабель будет считаться коротким, и его волновое сопротивление не будет влиять на работу схемы. Обратите внимание, что короткой линией будет называться любая линия, где изменение сигнала происходит медленнее, чем сигнал распространяется по линии. Почти любая физическая длина кабеля может являться короткой с точки зрения волнового сопротивления и отражённых волн. Используя же кабель для передачи высокочастотного сигнала, можно по разному оценивать длину линии.
Если источник подключен к нагрузке через длинные линии передачи, собственное волновое сопротивление доминирует над сопротивлением нагрузки. Иными словами, электрически длинная линия выступает в качестве основного компонента в цепи, и её свойства доминируют над свойствами нагрузки. С источник, подключенным к одному концу кабеля и передаёт ток на нагрузку, но ток в первую очередь идёт не в нагрузку, а в линию. Это становиться всё более верным, чем длиннее у нас линия. Рассмотрим наш гипотетический 50Ом бесконечный кабель. Независимо от того, какую нагрузку мы подключаем на другой конец, источник будет видеть лишь 50Ом. В этом случае сопротивление линии является определяющим, а сопротивление нагрузки не будет иметь значения.
Наиболее эффективный способ свести к минимуму влияние длины линии передачи – нагрузить линию сопротивлением. Если сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению, то любой источник будет видеть то же самое сопротивление, независимо от длины линии. Таким образом, длина линии будет влиять только на задержку сигнала. Тем не менее, полное совпадение сопротивления нагрузки и волнового сопротивления не всегда возможно.
В следующем разделе рассматриваются линии передачи, особенно когда длина линии равна дробной части волны.
Надеюсь, вы прояснили для себя основные физические принципы работы кабелей
К сожалению, следующая глава очень большая. Книга читается на одном дыхании, и в какой-то момент надо остановиться. Для первого поста, думаю, этого хватит. Спасибо за внимание.
При равном диаметре (по внутренней изоляции) 77-омная коаксиальная линия с проводниками из меди и воздушным диэлектриком оптимизирована по минимуму коэффициента затухания, 60-омная - по наибольшему пробивному напряжению, а 30-омная - по максимальной передаваемой мощности. У коаксиальных кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией минимум потерь соответствует волновому сопротивлению 50 Ом, с пенистым полиэтиленом - 60 Ом, но все эти различия не ярко выражены и гораздо большее значение имеет качество материалов и тщательность изготовления. Поэтому при выборе волнового сопротивления кабеля достаточно руководствоваться соображениями удобства согласования.Если выбор конкретных типов кабеля ограничен, имеет смысл просчитать, что выгоднее с точки зрения минимизации потерь: использование кабеля с высокой степенью естественного согласования сопротивлений, но с большим затуханием или менее подходящего по волновому сопротивлению, но более качественного кабеля с дополнительными согласующими цепями (учитывая дополнительные потери в этих цепях!). В ряде случаев может оказаться, что выгоднее согласиться с повышенной величиной КСВ, применив без всяких согласующих цепей имеющийся в наличии высококачественный кабель с волновым сопротивлением, отличающимся от сопротивления нагрузки.
Вот характерный пример: антенна имеет входное сопротивление 50 Ом на резонансной частоте. В нашем распоряжении есть 50-омный кабель, который при требуемой длине имеет собственные потери (при КСВ=1) на рабочей частоте 2 дБ, и 75-омный с потерями 0,5 дБ при тех же условиях.
Используя кабель 75 Ом, получим КСВ=1,5 на резонансной частоте. Дополнительные потери из-за рассогласования не превысят 0,1 дБ. При отходе от резонансной частоты, даже если КСВ поднимется до 4, дополнительные потери не станут больше 0,5 дБ. Таким образом, с этим 75-омным кабелем суммарные потери составят от 0,6 до 1 дБ.
Если с 50-омным кабелем КСВ на краю рабочего диапазона частот поднимется только до 2, то дополнительные потери станут 0,3 дБ. В итоге, с имеющимся 50-омным кабелем суммарные потери будут в пределах 2 - 2,3 дБ.
Выигрыш, благодаря использованию "неправильного" 75-омного кабеля вместо "правильного" 50-омного, в данном случае будет приблизительно такой же, какой могло бы дать, например, удлинение антенны Yagi примерно на треть!
Дополнительная согласующая цепь между антенной и фидером 50/75 Ом вполне может внести потери порядка 0,5 дБ. Если мы с ее помощью попытаемся улучшить КСВ в 75-омном фидере, то получим суммарные потери от 1 до 1,2 дБ (полагая, что так КСВ не поднимется выше 2 на краях диапазона) - то есть не уменьшим, а увеличим потери на 0,2 - 0,4 дБ. Но они будут все же значительно ниже, чем при применении 50-омного кабеля с большими собственными потерями.
Важно только иметь в виду, что при любом рассогласовании, как с одним, так и с другим кабелем, передатчик "видит" на конце кабеля комплексное сопротивление , которое может значительно отличаться и от волнового сопротивления фидера, и от входного сопротивления антенны. Чтобы передатчик смог отдать в фидер расчетную мощность, его выходные цепи должны быть настроены соответствующим образом.
Коаксиальный кабель - практические советы
1) При строительстве антенн нельзя экономить на кабеле. Дешевый некачественный кабель легко может "съесть" весь выигрыш от хорошей антенны. Самое неприятное здесь в том, что если затухание в кабеле велико, антенна может выглядеть на первый взгляд даже лучше, чем с хорошим кабелем: КСВ в начале фидера (около передатчика) низкий в широкой полосе, на прием - шумов из эфира не много, а диаграмма направленности у поворотной антенны сохраняется. Только не всегда хватает имеющейся мощности передатчика, чтоб дозваться DX "а …
Именно так может сложиться ситуация, когда на простой диполь с хорошим кабелем даже при далеком от идеального согласовании будут отвечать лучше, чем на хорошую Yagi при КСВ = 1.
Слишком толстым кабель не бывает!
2) Кабель с полиэтиленовой изоляцией в течение 10-20 лет может сильно состариться, даже при хранении в идеальных условиях. Старение выражается в значительном увеличении потерь. Иногда также возникают трещины на наружной оболочке.
Если планируется использовать кабель, со дня выпуска которого прошло более 5-7 лет, следует предварительно измерить его затухание на рабочей частоте и тщательно осмотреть его наружную оболочку. Кабель, который уже использовался вне помещения (даже недолго), надо проверять обязательно. Время от времени, если есть возможность, полезно проверять потери в фидерах действующих антенн.
3) Популярно мнение, что кабель с фторопластовой изоляцией имеет меньшие потери, чем с полиэтиленовой. Но достаточно сравнить их паспортные данные, чтобы убедиться, что по погонному затуханию эти два вида кабелей при равных диаметрах практически равноценны.
Достоинством фторопластовой изоляции является лучшая термостойкость и стабильность параметров во времени. К сожалению, большинство кабелей с ленточной фторопластовой изоляцией не предназначено для наружной прокладки и уличная влага их быстро портит.
4) Влага, проникшая внутрь кабеля, увеличивает потери и понижает его волновое сопротивление, а со временем необратимо его портит. Конец кабеля и места его сростки, находящиеся на открытом воздухе, следует тщательно герметизировать силиконовым герметиком (никакая изолента здесь не поможет) и термоусаживаемыми трубками. Около точки присоединения к клемме или разъему антенны кабель следует изогнуть в виде петли так, что его конец приходил бы к месту присоединения не снизу вверх, а сверху вниз, чтобы избежать затекания в него дождевой воды, если нарушится герметизация.
5) Кабель лучше всего прокладывать по северной стороне антенной мачты, здания, и вообще такими путями, где он меньше открыт прямым солнечным лучам.
Особенно это важно для кабелей, имеющих оболочку не черного цвета. Солнечный ультрафиолет рано или поздно разрушает наружную оболочку, а как только в ней появилась хоть одна микротрещина - влага проберется внутрь незамедлительно.
Коаксиальный кабель с почти любым волновым сопротивлением
Если есть в распоряжении 150-омный коаксиальный кабель, например РК-150-7, в котором центральная жилка свободно пропущена в воздушном канале полиэтиленовой изоляции (обычно эта жилка для сохранения центровки бывает зигзагообразно изогнута, но свободно скользит внутри кабеля), то продернуть вместо нее провод другого диаметра не представляет труда. Таким образом можно получить кусок кабеля с любым нестандартным волновым сопротивлением от 40 до 180 Ом. Для центровки, если понадобится, на провод следует насадить (не слишком часто, а для УКВ - и на не слишком равных расстояниях друг от друга) бусинки из фторопласта, полистирола или полиэтилена, зафиксировав их на проводе соответствующим клеем.
Определить полученное волновое сопротивление легко - достаточно измерить индуктивность короткозамкнутого отрезка кабеля и его же емкость при незамкнутом конце: W = (L/C)1/2 .
Можно даже сделать плавный согласующий коаксиальный переход от 40…70 Ом на 50…180 Ом. Для этого нужно продернуть провод переменного сечения, например, многожильный с постепенным уменьшением количества жил к высокоомному концу. Разумеется, все места, где более короткие жилки заканчиваются, а более длинные продолжаются, необходимо пропаять и сгладить. Если такой переход сделать достаточно длинным (порядка 0,5 - 2 наибольшей рабочей длины волны) и с экспоненциальным изменением его волнового сопротивления по длине, то можно получить очень высокую степень согласования в широком диапазоне частот.
Целый ряд низких нестандартных значений волнового сопротивления можно получить и другим путем. Многим, вероятно, известно, что соединяя параллельно два отрезка кабелей по 75 Ом одинаковой электрической длины, получим экранированную линию с волновым сопротивлением 37,5 Ом, а два по 50 Ом - 25 Ом. Но не все, наверное, знают, что точно так же можно параллелить и кабели с разным волновым сопротивлением, причем любое число и в любых сочетаниях. Результирующее волновое сопротивление полученной линии вычисляется по такому же правилу, как и для резисторов. Важно только, чтобы электрическая длина всех отрезков была идентична. Таким образом, например, соединив параллельно 75-омный и 50-омный отрезки, получим 30-омную линию.
Фазирующая линия для активного питания элементов Log-Yag или KLM
Открытая двухпроводная линия подвержена погодным влияниям, близко расположенные конструктивные элементы антенны тоже влияют на ее работу, и эти влияния трудно прогнозировать при расчетах. Во многих случаях волновое сопротивление фазирующей линии требуется около 70 - 180 Ом, но сопротивление двухпроводной линии ниже 200 Ом трудно реализовать, а полосковая линия конструктивно не очень удобна.
Удобная симметричная экранированная линия получается из двух коаксиальных, расположенных физически параллельно, а электрически включенных последовательно (волновое сопротивление линии при этом удваивается). Но, из-за укорочения длины волны в кабеле, для сохранения требуемого набега фазы физическая длина кабеля получается меньше, чем расстояние между соединяемыми элементами антенны.
Для решения этой задачи можно использовать не перекрещенную линию на половину волны длиннее, чем расстояние между элементами (все длины - с учетом коэффициента укорочения используемого кабеля). Тогда физическая длина линии будет больше, чем расстояние между соединяемыми элементами антенны, а набег фазы в ней окажется равным набегу фазы волны между элементами антенны в воздухе плюс 180 градусов. Перекрещивание проводов линии делать не нужно, так как оно требовалось именно для поворота фазы на 180 градусов.
Центральные жилы двух кабелей присоединяются к клеммам разрезных вибраторов, а оплетки соединяются между собой на обоих концах, но никуда не подключаются. Тем, кто привык к использованию только коаксиальных линий, это может показаться странным, но в данном случае у нас симметричная экранированная линия, экран которой имеет нулевой потенциал. Если используются петлевые вибраторы, экран линии можно присоединять к центрам их сплошных трубок, а если несимметричный фидер присоединяется к первому питаемому элементу через BALUN, имеющий клемму с нулевым потенциалом (средний вывод), например, симметрирующий трансформатор на ферритовом кольце или полуволновое U-колено, то экран симметричной линии соединяется с этой клеммой.
Стоомная линия из пары кабелей по 50 Ом может неплохо подойти для получения входного сопротивления антенны 33 - 50 Ом, а 150-омная линия из пары кабелей по 75 Ом - для получения входного сопротивления 50-75 Ом. Используя самодельный коаксиальный кабель 40 - 100 Ом (изготовленный из 150-омного) можно получить симметричную линию от 80 до 200 Ом. Если нужно волновое сопротивление симметричной линии ниже 80 - 100 Ом, можно соединять кабели попарно впараллель. Запас физической длины позволяет корректировать сдвиг фазы в линии (этот параметр целесообразно предварительно попытаться немного варьировать при компьютерном моделировании).
Продевание кабеля в длинный шланг
Ватный тампон с привязанной к нему тонкой рыболовной леской легко засасывается пылесосом даже через очень длинный ребристый шланг и даже тогда, когда он еще свернут в бухту. Нужно только достаточно герметично присоединить конец шланга к пылесосу, подобрать размер клочка ваты и обеспечить легкое разматывание лески с катушки. Для увеличения тяги можно вынуть из пылесоса пылевой фильтр. Тонкой леской продергиваем в шланг проволоку или толстую леску, а ей - и сам кабель. Мне приходилось таким образом легко надевать на кабель защитный шланг длиной около 100 м.
Увеличение допустимой мощности эквивалента нагрузки
И недостаток иногда можно обратить в достоинство. Неизбежное зло - затухание в коаксиальных кабелях - можно использовать для поглощения ими части мощности, если имеющийся эквивалент нагрузки ее не вмещает. Из имеющихся запасов коаксиального кабеля с соответствующим волновым сопротивлением надо соcтавить (если и временно - то все равно аккуратно) максимально длинную "змею". Начало линии - наиболее толстый кабель, к концу - тоньше и тоньше. Конец последнего отрезка нагружаем на имеющийся маломощный эквивалент. Особенно эффективно такой аттенюатор действует на УКВ.
Антенный провод
Когда для изготовления антенн приходится использовать провод из неизвестного материала, полезно убедиться, что это хороший проводник на ВЧ. Оценивать возможные потери я предлагаю следующим образом. Изготовить две совершенно идентичные по конструкции катушки индуктивности - одну из проверяемого провода, другую - из медного эмалированного (или иного, который принимаем за эталон). Нужно принять все меры, чтобы конструкция катушек обеспечивала их максимальную добротность. Образцы исследуемых проводов следует предварительно "состарить" на открытом воздухе, чтобы их поверхности были покрыты слоем таких же веществ (коррозией), которые со временем появятся в процессе эксплуатации антенны. С помощью Q-метра или иным способом измерить добротность полученных катушек на рабочей частоте будущей антенны. Сравнив измеренные величины, можно судить о разнице омических потерь в проводах. С учетом всех прочих потерь (особенно в земле) можно вычислить изменение общего КПД антенны, вызванного применением данного материала вместо эталонного.
Капроновые оттяжки
Плохая репутация оттяжек из капрона не обоснована. Все хорошо на своем месте. Где статические нагрузки невелики, а имеются в основном динамические - там плетеные (а не просто витые!) капроновые тросы достаточного сечения служат надежно. Важно только, чтобы они ни обо что не терлись и чтобы были правильно заделаны в местах крепления. Но чтобы они не вытягивались, их надо заранее готовить: дать им вытянуться и "задубеть" на открытом воздухе под солнцем и дождем в течение не менее 2-3 недель (дольше - лучше). Достаточно просто развесить их в удобном месте с сильным натягом. Если есть где повесить вертикально - то с грузом на конце, если горизонтально - то груз прикрепить к свободно катающемуся по капрону ролику. Желательно, чтобы за время "тренировки" веревки несколько раз вымокли и высохли.
Особенности кевлара
Кевлар - хороший материал для оттяжек, но его нельзя использовать на открытом воздухе без надежного защитного покрытия от ультрафиолетового излучения солнца. Оттяжки из голого кевларового волокна даже под нашим северным солнцем превращаются в гнилую солому за 4-5 лет. Будучи, в принципе, чрезвычайно прочным на разрыв, шнур из кевларового волокна совершенно не стоек к истиранию, а также не допускает завязывания узлов - под нагрузкой он сам себя перерезает.
В спутниковом телевидении используется кабель с волновым сопротивлением равным 75 Ом. Для передачи принятого сигнала от конвертора до приёмника нужен специальный провод, иначе говоря коаксиальный кабель 75 Ом . В центре него располагается проводник, который окружён экраном из переплетённых между собой тонких проволочек. Кабель типа «RG-6» наиболее часто используют в индивидуальных системах спутникового телевидения.
При выборе коаксиального кабеля необходимо обратить особое внимание на степень затухания сигнала в кабеле, так как в некачественно сделанных кабелях происходит более узкое затухание сигнала в 20-30 метрах. Хорошо зарекомендовали себя кабели следующих моделей: «SAT-703», «SAT-50», «CAVEL», «TFC».
На рынках встречаются подделки, поэтому стоит обратить внимание на центральную жилу кабеля, которая должна быть медной, но в настоящее время в целях удешевления используют стальной провод, покрытый тонким слоем меди. Это можно определить, если его свернуть в кольцо диаметром 4-7 сантиметров, то кабель из медной проволоки при отпускании будет раскручиваться в исходное положение.
На хорошем коаксиальном кабеле оплётка должна быть плотной без просветов и трещин. Для хорошей экранировки оплётка должна быть из меди.
Если кабель предстоит прокладывать в местах, не защищённых от влаги, солнечных лучей и холодов, то толщина пластиковой оболочки кабеля должна соответствовать этим факторам. В некачественно сделанном кабеле оболочка при низких температурах и при воздействии осадков покрывается трещинами, через которые в кабель попадает влага, из-за чего возникают короткие замыкания, тем самым может произойти поломка спутникового приёмника.
Строение коаксиального кабеля 75 Ом
1-внутри кабеля находится проводник в виде спирали или одиночного провода (может быть многожильным или выполненным в виде трубки). Материал – медь, сплав из меди или алюминия, омеднённого алюминия, омеднённой стали, медь посеребрённая и др.
2- изоляция, обеспечивающая соосность расположения внутреннего и внешнего проводников, выполненная в виде сплошного или полувоздушного диэлектрического заполнителя (сплошной фторопласт, вспененный полиэтилен, простой полиэтилен, фторопластовая лента и др.)
3-экран или внешний проводник выполнен в виде оплётки, фольги, покрытой тонким слоем алюминия плёнки или гофрированной трубки, повива металлических лент (меди или алюминиевого сплава).
4-изоляционная оболочка, сделанная из светостабилизированного материала (поливинилхлорид, полиэтилен, повив фторопластовой ленты или другой изоляционный материал), защищающая кабель от внешних воздействий (устойчивость к ультрафиолетовому излучению).
Область применения коаксиального кабеля.
Применяется кабель 75 Ом для передачи высокочастотного сигнала в многочисленных областях техники (основное его предназначение): сети вещания, в системах связи, антенно-фидерные системы в радиотехнике, системы связи, научноисследовательские и производственные технические системы и АСУ (автоматизированная система управления), комплексы дистанционного управления, контроля и измерения, системы сигнализации и автоматики, видеонаблюдение и объективный контроль, для осуществления каналов связи различных радиоэлектронных устройств (морские суда, авиация, грузоперевозки), в областях специального применения, в бытовой технике, каналы связи, военная техника.
Также отдельные отрезки кабеля можно использовать в формирователях импульса, в фильтрах, четвертьволновые трансформаторы, устройства для симметрирования и согласования, кабельные линии задержки.
В некоторых волновое сопротивление не нормируется. Такие коаксиальные кабели 75 Ом служат для передачи низкочастотных сигналов или для работы с постоянным током высокого напряжения (в качестве экрана выступает оплётка).
Основные классы кабеля 75 Ом.
По сфере назначения – в системах кабельного телевидения, в космической технике, авиационная техника, в системах связи, в бытовой и любительской технике, прокладка компьютерных сетей.
По волновому сопротивлению – стандартные значения по российским и международным стандартам. Самый распространённый тип кабеля на 50 Ом. Применяется в различных областях радиоэлектронной техники. Передача радиосигнала по такому проводу происходит с минимальными потерями в самом кабеле и близкими по значениям электрической прочности и мощности.
Не менее популярен кабель 75 Ом . В России преимущественно применяется со сплошным диэлектриком в видео или телевизионной технике (кабельное и спутниковое телевидение). В странах США используется с вспененным диэлектриком при прокладке кабельных телевизионных сетей. Кабель 100 Ом – применяется редко, для специальных целях или в импульсной технике (на 150 Ом международными стандартами не предусмотрен). Кабель на 200 Ом применяется очень редко и международным стандартом не предусмотрен.
По диаметру изоляции – субминиатюрные (до 1 мм), миниатюрные (1,5-2,95 мм), среднегабаритные (3,7-11,5 мм), крупногабаритные (более 11,5 мм).
По степени экранирования – со сплошным экраном (экран из металлической трубки, экран из лужёной оплётки), с обычным экраном (с однослойной оплёткой, с двойной или многослойной оплёткой и с дополнительными экранирующими слоями), излучающие кабели (имеют намеренно низкую и контролируемую степень экранировки).
По гибкости материала – гибкие, особогибкие, жёсткие, полужёсткие.
Основные категории.
Наиболее распространённые категории кабеля по шкале Radio Guide:
·RG-11 и RG-8 - «толстый Ethernet» (Thicknet), 75 Ом и 50 Ом соответственно. Стандарт 10BASE-5;
·RG-58 - «тонкий Ethernet» (Thinnet), 50 Ом. Стандарт10BASE-2;
·RG-58/U - сплошной центральный проводник,
·RG-58A/U - многожильный центральный проводник,
·RG-58C/U - используется в военной технике;
RG-59 - телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Российский аналог РК-75-х-х («радиочастотный кабель»);
RG-6 - телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Кабель данной категории (RG-6) имеет несколько разновидностей, которые характеризируют его тип и материал исполнения. Российский аналог РК-75-х-х;
RG-11- магистральный кабель, практически незаменим, если требуется решить вопрос с большими расстояниями. Такой тип кабеля предоставляет возможность использовать его даже на расстояниях около 550-650 м. Внешняя изоляция укреплена настолько, что позволяет без проблем использовать этот кабель в агрессивных условиях (улица, колодцы). Существует вариант S1160 с тросом, который используется для надёжной проброски кабеля по воздуху, например, между домами;
