ГИБКИЕ 1/4 ВОЛНОВЫЕ СТАКАНЫ,они же traps или ловушки
Зачем нужна отсечка тока по оплетке
( Если вы знаете особенности питания вибратора непосредственно кабелем, можете пропустить этот раздел )
Чтобы понимать, зачем они нужны, сначала разберемся, что происходит при питании активного вибратора кабелем.
Если это петлевой вибратор 200 или 300 ом, запитанный традиционным способом с пом. полуволновой петли, то оплетки
кабелей соединены с центром вибратора, а к его клеммам подключены только центральные жилы. При всех других
способах питания любых вибраторов УКВ оплетка (или оплетки) подключена к одной из клемм. В вибраторе с гамма-
согласованием это обычно (но необязательно) центр вибратора, имеющий в силу несимметричности самого вибратора
некоторый потенциал относительно внешней стороны оплетки. В симметричных: разрезном или питаемом кабелем
напрямую петлевом вибраторе 50 или 75 ом, -тем более- клемма, к которой подключена оплетка, имеет такой же
потенциал, что и противоположная. К этой клемме подключена не только внутренняя сторона оплетки но и внешняя.
На УКВ ВЧ ток течет в тонком поверхностном слое проводника (скин-слой) и глубже 10 микрон практически не проникает.
В результате мы имеем два проводника, подключенные к одной из клемм, внутреннюю сторону оплетки с током питания
антенны и совершенно независимый от него другой проводник- внешнюю сторону оплетки. Его очень просто смоделировать
в виде подключенного к этой клемме проводника. Какая часть тока потечет по проводнику вибратора, а какая по внешней
стороне оплетки, зависит от отношения входного сопротивления плеча вибратора (относительно мнимой средней точки,
половина от входного сопротивления) "входному сопротивлению" внешней стороны оплетки, которое в свою очередь
зависит от проводки кабеля, близости траверсы, его длины, диаметра и т.д. Кстати, подобное происходит, когда
несимметричный вибратор ( гамма, омега, полупетлевой ) гальванически соединен с металлической траверсой в точке
вибратора, которую мы полагаем "нулевой". Фактически такой точки у них нет и по траверсе в этом случае течет ток,
независимо от того, к этой точке подключена оплетка, или какой либо другой.
Последствий этого два: Во первых кабель нагружен на другое входное сопротивление и работает с КСВ в нем.
Во вторых в антенне присутствует "незапланированный" проводник, и не только присутствует, но и запитан непосредственно
от источника. В результате он ломает диаграмму направленности и усиление антенны.
В простых антеннах вполне вероятна ситуация, когда можно пренебречь влиянием тока по оплетке на параметры антенны,
но в любом случае это влияние надо проверить на модели. Необязательно моделировать весь путь кабеля, достаточно
подключить проводник длиной 0,24 λ, затем 0,5 λ и сравнить результаты трех расчетов. Умозрительно это проверить
невозможно и часто без такой проверки даже очень опытные УКВисты делают в моделях настолько серьезные ошибки,
что из уважения к ним не привожу примеры, в которых и подключенный проводник, и даже неподключенный, но имитирующий
отвод кабеля от точек питания с полной отсечкой тока (разрыв соединения), приводят к полному "развалу" антенны.
Даже если вы готовы смириться с тем влиянием тока по оплетке, которое получено в модели, в реальной УКВ антенне
еще достаточно много причин для того, что это влияние может оказаться значительно больше, поэтому лучше принять меры
противодействия.
1/4 ВОЛНОВЫЙ СТАКАН
Самый эффективный на УКВ способ отсечки тока - 1/4 волновый стакан, который известен всем по картинкам в букварях
антенн в виде трубы длиной 0,24 λ и диаметром втрое больше диаметра кабеля, нижний край которой имеет дно,
соединенное с оплеткой кабеля. Его обычно называют симметрирующим, но дело не в терминах.
Его сопротивление ВЧ току около 5000 Ом, но для антенн ВК в таком исполнении он слишком громоздок. Более технологичное,
беззатратное и не требующее настройки устройство для отсечки тока можно выполнить в виде стакана из оплетки от более
толстого кабеля, плотно лежащего на внешней оболочке кабеля.
Стакан эквивалентен разрыву оплетки и включению в разрыв параллельного контура и работает по тому же принципу,
как параллельные контура в ант. W3DZZ. Точку разрыва определяет открытый торец стакана.
Стакан имеет комплексное сопротивление току ВЧ Z=R+jX, максимальное на частоте резонанса, где оно чисто активно.
Модуль комплексного сопротивления (z) переменному току ( далее по тексту- "сопротивление z" или просто z ) может быть
выражен в Омах, а его величина с достаточной степенью точности отражает степень отсечки стаканом тока по внешней
стороне оплетки.
z зависит от добротности четвертьволнового коаксиального резонатора, образованного оплеткой кабеля и наложенной
на оболочку дополнительной оплеткой. Добротность определяет волновое сопротивление образованного коаксиала и
свойства диэлектрика- заполнителя стакана, коим является оболочка кабеля. Стакан замкнут с оплеткой кабеля на дальнем
от точек питания антенны торце стакана. Для этого в оболочке кабеля вырезана кольцевая канавка.
Численные величины z получены измерениями на образцах кабелей РК75-4-11
(ПЭ оболочка) и РК75-4-15, РК75-3-32 (ПВХ оболочка) на частотах 120...500 мгц.
Длина стакана на кабеле с ПЭ оболочкой для частоты 145 мгц 345 мм, для 435 мгц 114 мм.
На кабеле с оболочкой из ПЭ z стакана 1500 ом. На частотах
±2% от частоты резонанса
он понижается вдвое.
Длина стакана на кабеле с ПВХ оболочкой для частоты 145 мгц 306 мм, для 435 мгц 102 мм.
У стаканов на кабеле с ПВХ оболочкой сопротивление z 300...400 ом.
Их добротность меньше, но они в два раза более широкополосны.
Для повышения z стакана до 1500 Ом можно заменить участок ПВХ оболочки под стаканом
на оболочку из полипропилена. Для этого надо осторожно снять оболочку и вместо нее
усадить на оплетку несколько слоев белой,желтой или зеленой термоусадочной трубки.
Длина и z стакана те же, что для полиэтилена
Длина стакана зависит от диэлектр.проницаемости оболочки кабеля и равна 1/4 λ х К укор. Для полиэтиленовой (ПЭ)
оболочки кабеля К укор 0,667, для поливинилхлоридной (ПВХ) - около 0,59.
Сопротивление z стакана можно расчитать по формуле: z = ρ / tha L, где ρ - волновое
сопротивление коаксиальной линии, образованной оплеткой кабеля и стаканом, а - затухание в неперах на 1 метр
(1 непер = 8,686 дб),tha - гиперболическая функция а, L - длина стакана в м. Если учесть,что при затухании меньше
0,21 непера(2 дб/м) tha и а практически равны, а нп заменить на дб, получится z = 9ρ /a L,
где а - затухание в привычных дб/метр. Стакан работает с высоким КСВ в нем. При этом потери в нем будут примерно
втрое больше, чем расчитанные при КСВ 1,0 и формулу z стакана можно записать так: z = 3ρ /a L,
где а - потери в дб/м, расчитаные для коаксиала стакана при КСВ 1,0 в нем.
Волновое сопротивление ρ и затухание a коаксиала стакана с ПЭ оболочкой можно расчитать в программе
TXLINE 2003 Для стакана на кабеле
РК 75-4-11 расчет на частоте 145 мгц дает ρ = 14.5 ом, затухание a = 0,087 дб/м, а расчитаное по ним
z = 3х14.5/0,087х0,35 = 1600 ом. Для расчета взяты Er 2,2 и tg δ 0.0002.
Стакан имеет резонансные свойства и его z на частотах, отличных от резонансной падает. Инструмента для точного
расчета частотных свойств реального стакана с потерями не имею, но обработка данных стакана без потерь, полученых
в программе RFSimm99rus позволила
сделать вывод, что z стакана без потерь на частотах, отличных от резонансной, хорошо совпадает с расчетом по
эмпирической формуле z = 90ρ / Δf, где Δf - отклонение в % от резонансной частоты стакана в пределах до 10%.
Например расчет z того же стакана с ρ = 14,5 Ом, но без потерь, на частотах отличных на 1% дает 90x14.5/1 = 1350 Ом.
С учетом потерь z конечно будет меньше, около 0,8...0,9 от расчитанной.
Расчет ρ, z и длины стакана на кабеле с ПВХ оболочкой затруднен неопределенностью свойств ПВХ оболочки.
Измерение f рез. и z образца стакана можно сделать с помощью ВЧ моста (см. Мост на стр. ДЕТАЛИ ) с резисторами 1 Ком
в верхних плечах и эталонами 1...2 КОм. В одно нижнее плечо моста включается образец стакана, в другое- эталон,
при котором КСВ минимален. Только f рез. можно определить на обычном мосту с резисторами 62 Ома,включив в одно плечо
эталон с макс. R из имеющихся, в другое- разьем с таким же резистором и параллельно ему- испытуемым стаканом ( de RA3AQ:
или на КСВ метре 50 Ом с R 50 Ом паралл. стакану ). Шунтирующее влияние стакана на резистор будет минимально на частоте
резонанса. Свойства стаканов на ПЭ оболочке достаточно стабильны, а стаканы на ПВХ оболочке достаточно широкополосны,
поэтому у изготовленных образцов подгонка резонансной частоты не потребовалась, результаты совпали до 0,5% с расчетными.
В измерении z стаканов на ПЭ оболочке тоже нет необходимости - получены же результаты, что и расчет в TXLINE.
Для стакана 145 МГц на кабеле РК 75-4-11 требуемая длина 345 мм получается, если оплетку для них снимать с отмеренных
по 370 мм кусков кабеля РК75-7-11. Термоусадочная трубка для нее 9,5 мм. Нельзя использовать плетку, медь которой
потеряла естественный цвет и блеск.
Стакан по всей длине необходимо защитить от проникновения влаги. Если
для этого используется термоусадочная трубка, то фиксируется открытый торец стакана, оплетка сгоняется волной до
вырезки в оболочке кабеля, где плотно укладывается и обматывается тонкой проволокой. Термоусадочную трубку
начинать усаживать с открытого конца стакана, чтобы не было стягивания оплетки. Перед надвиганием трубки проверьте,
чтобы не торчали "иголки" оплетки.
Вместо трубки можно обмотать лентой скоч шириной 15 мм. В этом случае обмотку
начать с уложенной в вырезку стороны стакана. В процессе обмотки стакан плотно обжимается лентой, и при этом не
требуется точно расчитывать необходимую длину заготовки-в нужный момент лишнее можно обстричь ножницами.
Для стакана 435 МГц требуемая длина 114 мм и вместо оплетки можно использовать алюминиевую фольгу для кулинарии
толщиной 40 мк. Накладывать ее надо без накрутки, прямой ложбиной, в 1.5...3 оборота вокруг кабеля. Алюминиевый
стакан лучше защитить прозрачной лентой скоч, что позволит видеть и оценить состояние стакана при случайных
чрезмерных изгибах кабеля. Кольцевые порывы длиной более 1/4 окружности нежелательны. Еще лучше использовать
медную фольгу 50 мк.
Рекомендованная ранее алюминиевая фольга с клейким слоем 25+25 мк слишком непрочна на разрыв при изгибе кабеля
и не обеспечивает электрического контакта через клей между краем 1го слоя и поверхностью начала 2 го слоя. Емкость
между началом 1го слоя и началом 2го может быть и достаточна для шунтирования щели, но это неопределенность,
которую лучше избежать. По той же причине нежелательно применять ленты алюминиевой или медной фольги на
лавсановой основе. ( в кабелях эту щель перехлеста шунтирует оплетка поверх слоя фольги).
Для антенны внешняя сторона оплетки кабеля представляет собой просто инородный провод в ее ближней зоне, мешающий
ее работе из за того, что на нем наводятся токи и он участвует в работе антенны как "нежелательный элемент". Поэтому отвод
кабеля из антенн ВК с вертикальной или кроссполяризацией затруднен и обычно выполняется отводом за рефлектор и далее
вниз, что усложняет конструкцию и снижает надежность. На КВ, чтобы уменьшить влияние растяжек, их разбивают изоляторами
на отрезки длиной 0,2 λ и менее. Четвертьволновый стакан, вернее его открытый торец, на резонансной частоте тоже
можно считать изолятором и использовать это свойство для разбивки кабеля на отрезки 0,2 λ и отвода его по удобному
для вас пути. Для этого на нем устанавливается цепочка следующих друг за другом стаканов.
На стр. "Антенны с ППВ 145 мгц" есть антенны в вертикальной поляризации, в которых кабель, разбитый стаканами, открытые торцы которых смоделированы нагрузками, отведен вниз между директорами. Одна из них, 8el145pp75-1, в которой кабель отведен вниз между 1 и 2 директорами, работает в настоящее время на р.ст. RA6FOO. В случае недостаточной отсечки тока больше всего страдает диаграмма направленности. Расхождение измерений с расчетной формой боковых лепестков и провалов между ними в диаграмме направленности не более 3 дб, что является хорошим показателем соответствия модели для любой антенны.
При отводе кабеля со стаканами под 90° к траверсе между рефлектором и вибратором или между 1 и 2 директорами,его
влияние в реальной антенне может быть заметно,но дополнительных мер обычно не требует.
При отводе кабеля по наклонной распорке,длина стаканов в проекции на вектор поляризации и наведенный ток уменьшаются,
а при отводе от антенн с кроссполяризацией по по наклонным распоркам под 60° и к траверсе и к плоскостям элементов
настолько мала, что гарантирует отсутствие какого либо влияния.
Самые строгие требования к качеству стаканов нужны при отводе кабеля между вибратором и 1 директором в плоскости
элементов перпендикулярно к траверсе. Стаканы любого качества из за их внешней длины 0,2 λ здесь не обеспечивают
снижения влияния кабеля до величины, которой можно пренебречь. Здесь нужно и полное моделирование между стаканами сопротивлений z или контура с эквивалентными добротностью, емкостью и индуктивностью стаканов и доводка модели
антенны с учетом их влияния. Такая антенна может моделироваться только как имеющая их в своем составе и с достаточно
точно определенными и введеными в модель их параметрами.
Иногда одним из вариантов отвода кабеля от из зоны антенны с вертикальной поляризацией предлагается вывод кабеля
внутри трубки одного из плеч разрезного вибратора в открытый торец вибратора и далее вниз с изгибом- к мачте. Здесь
плечо вибратора с кабелем внутри уже образует стакан, даже несколько более добротный, с сопротивлением z 3000...5000 Ом.
Длина такого стакана определяется необходимой для антенны длиной вибратора а не длиной, необходимой для этого стакана
и максимум отсечки скорее всего окажется вне полосы. Напряжение на торце вибратора (относительно земли или нулевой
точки) в 8...10 раз выше, чем на точках питания антенны и для достижения уменьшения тока по оплетке идущего далее кабеля
до той же степени отсечки необходимо иметь z стакана в 8...10 раз выше, т.е. 12000...15000 Ом. Поэтому рекомендация такого
способа отвода кабеля должна сопровождаться подробной детализацией конструкции специального высокодоборотного
стакана-плеча вибратора.
Можно в 3 раза повысить z стакана на кабеле с любой оболочкой, увеличив ее толщину дополнительным слоем из
разрезанной вдоль ПЭ оболочки от кабеля большего диаметра. Для кабеля типа РК 75-4-11 подходит оболочка от РК 75-7-11.
К укорочения остается прежним- 0,667. С дополнительным слоем ПЭ изоляции на ПЭ кабеле сопротивление z стакана 3000...4000 ом.
Для RG 58 или РК 75-3-32 подходит оболочка от РК 75-4-11, здесь К укор. для комбинированного диэлектрика взять 0,63.
На кабелях с ПВХ оболочкой можно поднять z до 1000 ом и выше, заменив ПВХ оболочку на разрезанную вдоль
оболочку от ПЭ кабеля, (info de UA6EM). При этом из за воздушных зазоров длину стакана увеличить на 1...2%.
Еще проще увеличить толщину изоляции одним-двумя слоями термоусадочной трубки из полиолефина
или модифицированного полиэтилена (те, что легко загораются от зажигалки без копоти и резкого запаха).
На кабелях с оболочкой из ПЭ дополнительный слой имеет ту же Еr и длина стакана при этом остается прежней.
На кабелях с оболочкой из ПВХ получается двухслойный диэлектрик с разными Еr слоев и разными tg потерь, и
о них пока предположительно:- z увеличится до 1000 и более ом, а длина стакана должна быть несколько
больше, чем без дополнительного слоя. Точные данные могут быть получены измерением конкретных образцов.
C увеличением добротности и z стакана сужается полоса частот, и повышаются требования к точности размера.
Сопротивление 1500 Ом вполне достаточно для большинства случаев применения, а стакан с увеличенным z
из за разброса свойств диэлектрика и плотности облегания оболочки может потребовать уточнения его длины
предварительным изготовлением макета-аналога и измерением его частоты.
1- Создание параллельного проводника с таким же током противоположного направления.
Такое устройство подвержено влиянию осадков и его работа зависит от близости траверсы, от отношения между
расстоянием между кабелями и толщиной их внешних оболочек, от диэлектрической проницаемости оболочки (ПЭ или ПВХ),
от влияния индуктивностей косичек и центр. жил кабелей. Оно, также как и стакан, должно обладать резонансными свойствами и
достаточной добротностью. Если стакан изготовлен неточно и максимум реактанса оказывается вне диапазона, то у стакана
просто падает отсечка тока на рабочих частотах. Это устройство, в отличие от стакана, подключено непосредственно к
вибратору и в случае, если его частота вне диапазона, оно не только не обеспечивает достаточную отсечку тока, но и
начинает работать как hairpin-согласование (согласование шпилькой) и вносит расстройку в вибратор.
Рекомендации типа: "Расстояние между кабелями не критично. Оптимально - 1...1.5 диаметра. Коэффициент укорочения
при этом составляет 0.94...0.97 и во внимание может не приниматься" не позволяют с достаточной точностью изготовить
устройство, тем более, что К укорочения здесь определен неточно, его величина в таком устройстве 0,83...0,93.
Вода в зазоре между кабелями, снег, особенно мокрый, внесут значительную расстройку в итак слишком неопределенную
электрическую длину. Результатом всего этого вместо отсечки тока может быть ухудшение работы антенны.
2- Насадка на кабель одного- трех ферритовых колец. Несмотря на простоту, такой способ на УКВ имеет множество
недостатков и в любительских условиях достичь необходимой отсечки тока можно лишь при наличии довольно дорогих
приборов и представления о том, что и как измерять. Подробнее об этом на стр.Ферриты на кабеле.
Пожалуй единственным его достоинством является широкополосность.
В качестве устройства для отсечки тока антенн DK7ZB с входным сопротивлением 28 Ом предлагается противоположный
от вибратора конец спаренных 75 омных кабелей, используемых как трансформатор 28 - 37,5 - 50 Ом, подключить к разьему,
который закреплен на металлической траверсе, а двухпроводную линию, образуемую между трансформатором из
кабелей и траверсой, считать четвертьволновым стаканом. (Не путать с устройством из параллельного отрезка кабеля)
Если использовать 75 омные кабели с вспененным ПЭ и К укорочения 0,81, плотно прижать их по всей длине к траверсе,
то есть вероятность, что эта линия тоже будет иметь К укорочения 0,81 и "четвертьволновость". Но для достижения
достаточной степени отсечки тока необходим стакан с высоким сопротивлением току ВЧ, т.е. с свободным ненагруженным
противоположным плечом. Траверса имеет продолжение и таковым плечом быть не может. Кроме этого, наличие
напряжения на плече стакана, подключенном к вибратору, означает либо наличие противофазного напряжения в
противоположной точке на другом плече ( на траверсе под вибратором) и нулевое на дне стакана ( где разьем на
траверсе), либо нулевое в этой точке и половинное на дне. С любой точки зрения это напряжение, которое возбуждает
ток по траверсе, текущий по всей ее длине. Также, как это происходит в J антенне: штырь 3/4 λ, рядом с ним проводник
1/4, возбуждающий этот штырь ... вобщем никакой отсечки нет.
Литература: 1) З.Беньковский Э. Липинский " Любительские антенны КВ и УКВ" стр. 236-239 "Радио и связь" 1983 г