Polvlnový opakovač impedancie - mýty a skutočnosť

Každý, kto sa zaoberá anténnou technikou má v pamäti zafixovanú poučku o tom, že vedenie o dĺžke lambda pol je opakovačom impedancie. UR4III na stránke cqham.ru túto tematiku rozoberá podrobnejšie.



Medzi amatérmi, najmä tými, ktorí sa sústreďujú na pásma 160 a 80 m prevláda názor, že najlepším spôsobom napájania antén je použitie polvlnového opakovača. Takýto napájač vraj umožňuje určiť rezonančný kmitočet antény a v pomere 1:1 transformuje jej impedanciu na výstup vysielača, kde sa jednoducho prispôsobí výstupnými obvodmi koncového stupňa. Pritom sa dosahuje dobré PSV nielen na základnom kmitočte ale aj na ostatných pásmach.

Pravdivosť tohto názoru sa dá ľahko overiť kvalitatívnou analýzou procesov, ktoré prebiehajú v sústave anténa – napájač pri polvlnovej dĺžke napájača. Rozloženie prúdu a napätia na rezonančných anténach je analogické rozloženiu v napájačoch.

Treba pripomenúť, že ak je napájač na konci otvorený, potom pri zmene jeho dĺžky od nuly do štvrť vlny sa na jeho vstupe prejavuje kapacitná zložka impedancie. Pri dĺžke štvrť vlny je vstupná impedancia reálna. Pri dĺžkach napájača od štvrť vlny do pol vlny má vstupná impedancia induktívny charakter. Pri dĺžke napájača pol vlny je charakter impedancie reálny s teoreticky nekonečnou, v skutočnosti s veľkou hodnotou. Pri ďalšom zväčšovaní dĺžky napájača sa vo vstupnej impedancii objavuje kapacitná zložka.

Ak je napájač na konci skratovaný, pri zmene dĺžky od nuly do štvrť vlny sa vo vstupnej impedancii objavuje narastajúca induktívna zložka. Štvrťvlnový napájač má vstupnú impedanciu reálneho charakteru s veľkou hodnotou. Pri dĺžke od štvrť do pol vlny má vstupná impedancia kapacitný charakter s klesajúcou hodnotou. Polvlnový napájač má vstupnú impedanciu reálnu a pri zväčšovaní dĺžky napájača sa zväčšuje induktívna zložka impedancie..

Rozdelenie prúdu a napätia na otvorených anténach je analogické rozdeleniu na otvorenom napájači, v slučkových anténach je analogické rozdeleniu v skratovanom napájači.

Rozoberme vlastnosti „opakovača“ na príkladoch.

Príklad 1

Predpokladajme, že máme dipól. Jeho rezonančný kmitočet je 3600 kHz a vstupná impedancia je 75 Ohm. Na začiatku hodnotu impedancie nepoznáme a pokúšame sa ju zistiť. Zhotovíme si polvlnový opakovač z kábla, ktorý má impedanciu 50 Ohm a dĺžku, ktorá zodpovedá polvlne na kmitočte 3650 kHz. Merania urobíme v určitom rozsahu kmitočtov. Čo sa pri tom deje na anténe a napájači?

Rozdelenie prúdu a napätia na dipóle je analogické rozdeleniu na otvorenom štvrťvlnovom napájači. Na kmitočtoch nižších ako je rezonančný kmitočet antény sa objavuje narastajúca kapacitná zložka impedancie. Na kmitočtoch vyšších ako je rezonančný kmitočet antény sa objavuje narastajúca induktívna zložka impedancie.

Aký charakter budú mať procesy v samotnom napájači?

Pretože napájač je ukončený odporom väčším ako je jeho charakteristická impedancia, dôjde k odrazom, pričom stojaté vlny budú analogické ako v napájači otvorenom na konci. Teda pod kmitočtom 3650 kHz sa bude prejavovať klesajúca kapacitná zložka vstupnej impedancie vedenia. Celková impedancia na vstupe napájača bude súčtom impedancie antény a „opakovača“. V rozsahu od 3500 do 3600 kHz sa sčíta vzrastajúca kapacitná zložka vstupnej impedancie antény a klesajúca induktívna zložka „opakovača“. Na určitom kmitočte sa vzájomne kompenzujú a na vstupe napájača sa objavuje len činná zložka impedancie. Rezonancia!

V rozsahu 3600 – 3650 kHz sa prejavujú narastajúca a klesajúca induktívna zložka impedancie antény a „opakovača“. Na kmitočte 3650 kHz a vyššie sa prejavuje narastajúca induktívna zložka antény a klesajúca kapacitná zložka „opakovača“. Na určitom kmitočte ich súčet vytvorí druhú rezonanciu.

Rádioamatéri pri meraní rezonancie antény vzťahujú jednu rezonanciu k rezonancii samotnej antény a druhú k rezonancii napájača. No ako vidíme, obidve rezonancie nesúhlasia s rezonančným kmitočtom antény.

Urobme „opakovač“ z kábla s impedanciou 100 Ohm a zopakujme pokus. V tomto prípade bude stojatá vlna v „opakovači“ analogická ako v napájači skratovanom na konci. Pod 3650 kHz bude „opakovač“  vnášať do celkovej impedancie sústavy anténa – napájač narastajúcu kapacitnú zložku a nad týmto kmitočtom zasa narastajúcu induktívnu zložku. Na kmitočtoch pod 3600 kHz sa sa budú kapacitné zložky antény a „opakovača“ sčítavať. Takisto sa budú sčítavať induktívne zložky na kmitočtoch nad 3650 kHz. Medzi 3600 a 3650 kHz narastajú induktívna zložka impedancie antény a klesá kapacitná zložka imepdancie „opakovača“. Na určitom kmitočte sa objaví rezonancia! Toto je už bližšie, ale je to len rezonančný kmitočet sústavy anténa – napájač, nie antény.

Príklad 2

Predpokladajme celovlnnú uzavretú slučku. Rezonančný kmitočet je rovnaký ako v predchádzajúcom príklade 3600 kHz, vstupná impedancia je 120 Ohm. Toto v skutočnosti nevieme. Urobíme „opakovač“ na kmitočet 3650 kHz s kábla s impedanciou 75 Ohm. Priebehy prúdu a napätia na anténe sú ako v prípade polvlnného vedenia skratovaného na konci. Pod kmitočtom 3600 kHz sa bude prejavovať kapacitná, nad týmto kmitočtom narastajúca indukčná zložka vstupnej impedancie antény.

Priebehy prúdu a napätia v „opakovači“ sú rovnaké ako v napájači na konci otvorenom. Pod kmitočtom 3650 kHz induktívna zložka klesá, nad týmto kmitočtom klesá kapacitná zložka.

V rozsahu pod 3600 kHz sa skladá narastajúca kapacitná zložka impedancie antény a klesajúca induktívna zložka impedancie „opakovača“. Niekde sa objaví rezonančný kmitočet. Medzi 3600 a 3650  - narastajúca induktívna zložka klesajúca kapacitná zložka antény a „opakovača“. Nad 3650 kHz – narastajúca induktívna zložka antény a klesajúca kapacitná zložka „opakovača“. Druhá rezonancia sústavy anténa – napájač. Ak „opakovač“ vyrobíme z napájača s charakteristickou impedanciou 300 Ohm, potom rozloženie prúdu a napätia na ňom bude rovnaké ako v napájači na konci skratovanom. V tomto prípade pod kmitočtom 3600 kHz budeme mať narastajúce kapacitné zložky antény a „opakovača“, nad kmitočtom 3650 kHz súčet induktívnych zložiek. A v oblasti 3600 – 3650 kHz narastajúcu induktívnu zložku impedancie antény a kapacitnú „opakovača“. Rovnako ako v prvom príklade máme len jednu rezonanciu, blízku rezonancii antény.

Takúto istú analýzu je možné urobiť pre polvlnovú dĺžku „opakovača“ pod rezonančným kmitočtom antény. Výsledok bude rovnaký.

Vyvodíme závery.

Mýtus číslo 1.

Pomocou „opakovača“ je možné nájsť rezonančný kmitočet antény.

V skutočnosti je možné zistiť len to, či sa anténa dostala do pásma alebo nie. Pri tom je vhodné použiť pre „opakovač“ napájač s veľkou charakteristickou impedanciou.

Mýtus číslo 2.

„Opakovač“ transformuje vstupný odpor antény v pomere 1:1 na výstup vysielača.

V skutočnosti „opakovač“ pridáva imaginárnu zložku impedancie k impedancii antény. Raz ju zväčšuje, inokedy zmenšuje. Mimo svojho rezonančného kmitočtu mení reálnu zložku impedancie.

Mýtus číslo 3.

„Opakovač“ sa dobre „prispôsobuje“ pí-článkom pričom sa dosahuje dobré PSV.

PSV–meter je zariadenie, na ktorého jednom konci vždy musí byť odpor, na ktorý je konštruovaný. Zo strany antény sa k nemu vo všeobecnom prípade pripája komplexný odpor s neznámou hodnotou reálnej časti impedancie. Pí-článok sa pri prispôsobovaní nastavuje tak, aby sa pridala imaginárna impedancia opačná impedacii antény a nastavil sa transformačný pomer vyrovnávajúci reálne odpory „studeného“ konca a vstupu systému anténa – napájač. To znamená, že PSV-meter tu nepoužijeme.

Skutočným ukazovateľom prispôsobenia je v tomto prípade pokles anódového prúdu koncového stupňa.

В.М. Тихонов, UR 4 III: Полуволновый повторитель: мифы и реальность, http://www.news.cqham.ru/articles/detail.phtml?id=339