Антенны КВ Обычно, когда мы покупаем коаксиальный кабель или другой фидер, мы выбираем хорошо известный тип с указанным волновым сопротивлением — чаще всего 50 Ом — и не придаём этому особого значения. Однако иногда мы можем столкнуться с кабелем без маркировки или с кабелем, о котором у нас нет данных.
И тогда возникает ситуация, когда требуется определить его импеданс, чтобы понять, как его можно использовать. Существует несколько способов измерения характеристического импеданса в зависимости от того, какое испытательное оборудование у вас есть.
Во-первых, все эти методы следует считать приблизительными, особенно если речь идёт о конструкции оборудования для любительской радиосвязи, а не для лабораторных исследований. Кроме того, характеристическое сопротивление не является фиксированной величиной — оно меняется в зависимости от частоты. Не сильно, но достаточно, чтобы это можно было измерить.
Например, один из кабелей с номинальным сопротивлением 50 Ом, который использовался, на самом деле имел сопротивление 54 Ом на частоте 1 МГц, 52 Ом на частоте 4 МГц, 50,75 Ом на частоте 30 МГц и приближался к 50 Ом по мере приближения частоты к 1 ГГц. Таким образом, один и тот же кабель может иметь разное сопротивление в зависимости от частоты, на которой вы его тестируете.
А волновое сопротивление — это даже не действительное значение, а комплексное число, например 50,5 – j0,5 Ом (для коаксиального кабеля RG-58 на частоте 30 МГц). (Реактивный член учитывает потери в кабеле). Так что, мы просто находим значение, которое достаточно близко к истинному, чтобы знать, чего ожидать от фидерной линии с точки зрения согласования, но не обязательно с высокой точностью.
50 или 75 Ом?
Часто нам нужно просто определить, какой это коаксиальный кабель — на 50 или 75 Ом, два наиболее распространённых значения. В этом случае нам просто нужно уметь их различать. (Другие значения для коаксиальных кабелей типа RG: 25, 93 или 125 Ом.) Вот три самых простых способа:
Способ № 1: измеритель ёмкости
Для этого теста нужен только небольшой отрезок кабеля. Для кабелей с цельной полиэтиленовой изоляцией ёмкость между центральным проводником и экраном составляет около 100 пФ на метр (30 пФ на фут) для кабелей с сопротивлением 50 Ом и 67 пФ на метр (20 пФ на фут) для кабелей с сопротивлением 75 Ом.
Для кабелей с вспененным диэлектриком значения ниже: примерно до 75 пФ/м (23 пФ/фут) для кабелей с очень низкими потерями на 50 Ом и 53 пФ/м (16 пФ/фут) для кабелей на 75 Ом. При использовании цифрового измерителя ёмкости достаточно измерить даже 1 м (3 фута) кабеля, особенно для кабелей с твёрдым диэлектриком (в противном случае в диапазоне от 67 до 75 пФ/м (от 20 до 23 пФ/фут) может возникнуть некоторая неопределённость. Просто измерьте ёмкость и разделите на длину кабеля.
Способ № 2: проверьте КСВ
Подключите к концу кабеля имитатор нагрузки сопротивлением 50 Ом и соедините его с передатчиком через измеритель КСВ. Если КСВ превышает 1,5 : 1 (при условии, что имитатор нагрузки исправен), то, скорее всего, это кабель сопротивлением 75 Ом. Если КСВ близок к 1 : 1 на всех диапазонах, то это кабель сопротивлением 50 Ом. Главное, чтобы кабель был достаточно длинным — желательно не менее 1/4 длины волны.
Сопротивление на радиоприемнике будет меняться от 50 до 112 Ом при подключении 75-омного кабеля с 50-омной нагрузкой. Если длина кабеля составляет нечётное число четвертей длины волны, сопротивление превысит 100 Ом, а КСВ будет больше 2:1. К счастью, для успешного проведения теста не требуется высокая точность этой длины, поэтому можно отрезать четверть волны, используя примерный коэффициент укорочения от 0,7 до 0,75, и вы всё равно увидите достаточную разницу. Когда длина кабеля кратна половине длины волны, сопротивление на передатчике будет близко к 50 Ом независимо от сопротивления кабеля, поэтому для уверенности может потребоваться протестировать его на разных диапазонах.
Если у вас есть антенный анализатор, вы можете измерить КСВ в диапазоне частот. При нагрузке 50 Ом на кабеле сопротивлением 75 Ом вы должны увидеть, что на некоторых частотах КСВ возрастает примерно до 2 : 1, а на других снижается до 1 : 1.
Способ № 3: измерьте КСВ на большом расстоянии
Когда один конец кабеля разомкнут или закорочен, то полное сопротивление на другом конце кабеля приблизится к характеристическому полному сопротивлению, когда кабель достаточно длинный, чтобы ослабить отражённую волну. Это более удобно на более высоких частотах, УКВ или УВЧ, если только у вас нет большой катушки, поскольку для получения надежного результата может потребоваться 10-20 длин волн.
Если у вас есть анализатор, вы можете просканировать диапазон частот, включающий несколько минимумов и максимумов значения R, и визуально определить среднее значение по центральной линии графика.
Преимущество этого подхода в том, что вы можете проверить большую катушку кабеля, не разматывая его, и даже не зная, разомкнут ли дальний конец или закорочен. При потерях в линии 10 дБ сопротивление на входе передатчика должно составлять от 40 до 60 Ом для кабеля с сопротивлением 50 Ом (КСВ 1,2 : 1 или меньше).
Другие импедансы
Иногда мы не знаем, какого сопротивления ожидать, особенно если используем какой-то провод, не предназначенный для радиочастотных сигналов, например акустический кабель или шнур питания переменного тока. В таких случаях нам нужна более точная оценка характеристического сопротивления, и мы не знаем, какого диапазона ожидать. Это проще сделать с помощью антенного анализатора, но некоторые тесты можно провести и с более простым оборудованием.
Метод № 1 в данном случае не подходит, так как диапазон возможных значений ёмкости не обеспечивает достаточного разрешения для детального определения характеристического сопротивления. Однако он может дать вам представление о том, как это работает, особенно для кабелей с твёрдым полиэтиленовым диэлектриком.
Способ № 2: проверка КСВ — расширенный
Этот способ можно применить и к кабелям с другим сопротивлением. При подключении фиктивной нагрузки сопротивлением 50 Ом (или другого известного сопротивления нагрузки, Rнагрузки) сопротивление на конце передающего кабеля длиной в четверть длины волны (Rизмеренное) будет определяться следующим образом:
Rизмеренное = Z0 * Z0 / Rнагрузки
где Z0 — характеристическое сопротивление линии (по крайней мере, если не учитывать потери в фидерной линии).
следовательно,
Z0 = квадратный корень из (Rнагрузки * Rизмеренного)
Обычно волновое сопротивление равно или превышает 50 Ом, и в этом случае измерение КСВ может быть достаточно точным (при условии, что длина линии близка к 1/4 длины волны). Таким образом, КСВ 4 : 1 при нагрузке 50 Ом будет означать, что измеренное сопротивление составляет 200 Ом, а расчётное Z0 — 100 Ом. Многие аналоговые измерители КСВ имеют ограниченную точность при соотношении сторон более 3 : 1 или около того, что может ограничивать использование этого метода, если только не используется цифровой измеритель или анализатор.
Обратите внимание, что КСВ 4 : 1 также может быть вызван сопротивлением Z0 в 25 Ом: такие коаксиальные кабели не очень распространены среди радиолюбителей, но всё же встречаются. Чтобы устранить неоднозначность, замените фиктивную нагрузку резистором в 100 Ом. КСВ на передатчике будет равен 2 : 1 для кабеля сопротивлением 100 Ом или 8 : 1 для кабеля сопротивлением 25 Ом.
Конечно, с помощью анализатора можно просто построить график зависимости R и X от частоты, взять самую низкую частоту, на которой КСВ максимален, и посмотреть значение R.
Если у вас есть несколько неиндуктивных резисторов (например, углеродных — их можно проверить на анализаторе), вы можете попробовать разные варианты и посмотреть, какой из них даёт самую ровную кривую КСВ в зависимости от частоты в диапазоне КВ. Вы также можете использовать предыдущее уравнение в обратном порядке и найти нагрузочный резистор, который даёт низкое значение КСВ50 на анализаторе, и рассчитать на его основе характеристическое сопротивление. Можно использовать комбинацию методов для получения приблизительных значений, особенно когда в линии относительно высокие потери.
Способ № 3: измерение КСВ на большом расстоянии — в вытянутом состоянии
Это может сработать для коаксиальных кабелей или других экранированных линий, но для неэкранированных линий с параллельными проводниками вам, вероятно, придётся размотать катушку и протянуть кабель через сад или вдоль деревянного забора, чтобы получить точные показания. Это не так удобно.
Способ № 4: реактивное сопротивление кабеля длиной 1/8 волны
При разомкнутом дальнем конце фидерной линии найдите самую низкую частоту, при которой сопротивление низкое, а реактивное сопротивление равно нулю: это должна быть частота, при которой фидерная линия составляет 1/4 длины волны (с точки зрения электричества — немного короче, чем рассчитанная длина четвертьволнового провода). Теперь установите анализатор ровно на половину частоты и измерьте комплексное сопротивление: значение реактивного сопротивления должно быть равно характеристическому сопротивлению фидерной линии.
Теоретически это работает и в том случае, если дальний конец кабеля закорочен. В этом случае точка на расстоянии 1/4 длины волны является самой низкой частотой, при которой значение R велико. Но по опыту, если используются какие-либо адаптеры для подключения коаксиального кабеля к анализатору (потому что на кабеле нет подходящего разъёма), это сильнее влияет на показания.
Краткое резюме
Существует несколько различных методов. Обычно используются как минимум два, если это возможно, чтобы проверить результаты, в зависимости от обстоятельств. Потренируйтесь использовать их, применяя линии с известным импедансом, и посмотрите, какой (какие) из них лучше всего работают с имеющимся у вас оборудованием.
practicalantennas
