Согласование коаксиальных линий 75 Ом и 50 Ом
Иногда бывает необходимо согласовать аппаратуру 75 Ом с линией передачи 50 Ом (или наоборот, что эквивалентно).
Для этого можно воспользоваться отрезком коаксиального кабеля. Для простоты расчёта можно представить отрезок 75 Ом в виде резистора.
В таком случае, КСВ (SWR - standing wave ratio) линии с одним переходом 50/75 Ом будет рассчитываться по формуле:
Таким образом подключение 75-омной линии передачи к 50-омной аппаратуре приведет к повышению КСВ в линии как минимум до 1.5. Такое повышение КСВ с точки зрения энергетических потерь не существенно, так как приводит к незначительной (не более 3%) потере мощности передаваемого сигнала.
Если же антенна имеет сопротивление 50 Ом и требуется соединить её с 50-омным источником с помощью 75-омного кабеля, в линии будет уже два перехода 50/75 Ом, что приведет к возрастанию потерь вдвое (~7,8%). По таблице приведённой выше прекрасно видно, что чем ниже КСВ в линии, тем сильнее падает КПД передачи с ростом затухания в кабеле (обратите внимание - большинство коаксиальных кабелей имеют достаточно высокое затухание, особенно на высоких частотах). Также это влечёт изменение режима выходного каскада передатчика, более того, высокие значения КСВ могут привести к выходу передатчика из строя. Поэтому целесообразно всегда стремиться к возможно более точному согласованию передатчика и антенно-фидерной системы.
Существует несколько сравнительно простых способов, позволяющих обеспечить согласование 75-омного кабеля с 50-омной Си-Би техникой. Наиболее удобно использовать четвертьволновый коаксиальный трансформатор сопротивлений. В качестве такого трансформатора следует использовать отрезок 60-омного коаксиального кабеля длиной 1.82 м (в качестве примера используется длина четвертьволнового отрезка в диапазоне 27 МГц для кабеля с коэффициентом укорочения 0.66), который включается между выходом трансивера и 75-омным кабелем:
Можно также воспользоваться свойством фидерной линии длиной, равной целому числу полуволн. Линия такой длины имеет входное сопротивление равное сопротивлению, подключенному к другому концу линии. Если к 75-омному кабелю такой длины подключена 50-омная антенна, то Си-Би трансивер будет работать на согласованную 50-омную нагрузку.
Для обеспечения работы фидерной линии в режиме полуволнового повторителя необходимо учитывать коэффициент укорочения длины волны в коаксиальном кабеле.
Для кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией он составляет величину 0.65 … 0.66.
Длина волны в кабеле может быть рассчитана по формуле:
f — частота [МГц];
k — коэффициент укорочения.
Необходимо отметить, что с увеличением количества полуволн, укладывающихся в длине кабеля, уменьшается полоса частот, в которой такой кабель работает в режиме полуволнового повторителя сопротивлений. Тем не менее, при длине кабеля до 40 … 50 метров, этот способ согласования можно использовать в Си-Би диапазоне.
при Zвх > Zвых КСВ = Zвх / Zвых
при Zвх < Zвых КСВ = Zвых / Zвх
Таким образом подключение 75-омной линии передачи к 50-омной аппаратуре приведет к повышению КСВ в линии как минимум до 1.5. Такое повышение КСВ с точки зрения энергетических потерь не существенно, так как приводит к незначительной (не более 3%) потере мощности передаваемого сигнала.
Расчёт потерь рассмотрим подробнее:
При небольших потерях в согласованной линии (затухание менее 2 дБ), КПД этой же линии при плохом согласовании хорошо описывается формулой:
Так как речь идёт о коротком трансформирующем отрезке, можно допустить, что потери в нём невелики (α <= 0,1 дБ).
КПД рассогласованной линии
КПД = 1 / (1 + 0.115 · α (КСВ + 1/КСВ))
где α - потери (затухание) в дБ этой же линии при идеальном согласовании (КСВ = 1).Так как речь идёт о коротком трансформирующем отрезке, можно допустить, что потери в нём невелики (α <= 0,1 дБ).
| КСВ | α = 2 дБ | a = 1 дБ | a = 0,5 дБ | α = 0,2 дБ | α = 0,1 дБ |
| 1 | 68% | 81,3% | 89,6% | 95,6% | 97,8% |
| 1,5 | 66,7% | 80,1% | 88,9% | 95,2% | 97,6% |
| 2 | 63,5% | 77,7% | 87,5% | 94,6% | 97,2% |
| 3 | 56,6% | 72,3% | 83,9% | 92,9% | 96,3% |
| 5 | 45,5% | 62,5% | 76,9% | 83,6% | 94,3% |
| 10 | 30% | 46,2% | 63,2% | 81,1% | 89,6% |
| 20 | 17,8% | 30,2% | 46% | 68,4% | 81,3% |
КПД рассогласованной линии
Если же антенна имеет сопротивление 50 Ом и требуется соединить её с 50-омным источником с помощью 75-омного кабеля, в линии будет уже два перехода 50/75 Ом, что приведет к возрастанию потерь вдвое (~7,8%). По таблице приведённой выше прекрасно видно, что чем ниже КСВ в линии, тем сильнее падает КПД передачи с ростом затухания в кабеле (обратите внимание - большинство коаксиальных кабелей имеют достаточно высокое затухание, особенно на высоких частотах). Также это влечёт изменение режима выходного каскада передатчика, более того, высокие значения КСВ могут привести к выходу передатчика из строя. Поэтому целесообразно всегда стремиться к возможно более точному согласованию передатчика и антенно-фидерной системы.
Существует несколько сравнительно простых способов, позволяющих обеспечить согласование 75-омного кабеля с 50-омной Си-Би техникой. Наиболее удобно использовать четвертьволновый коаксиальный трансформатор сопротивлений. В качестве такого трансформатора следует использовать отрезок 60-омного коаксиального кабеля длиной 1.82 м (в качестве примера используется длина четвертьволнового отрезка в диапазоне 27 МГц для кабеля с коэффициентом укорочения 0.66), который включается между выходом трансивера и 75-омным кабелем:
Можно также воспользоваться свойством фидерной линии длиной, равной целому числу полуволн. Линия такой длины имеет входное сопротивление равное сопротивлению, подключенному к другому концу линии. Если к 75-омному кабелю такой длины подключена 50-омная антенна, то Си-Би трансивер будет работать на согласованную 50-омную нагрузку.
Для обеспечения работы фидерной линии в режиме полуволнового повторителя необходимо учитывать коэффициент укорочения длины волны в коаксиальном кабеле.
Для кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией он составляет величину 0.65 … 0.66.
Длина волны в кабеле может быть рассчитана по формуле:
L = (k · 300) / f
где: L — длина волны [м];f — частота [МГц];
k — коэффициент укорочения.
Необходимо отметить, что с увеличением количества полуволн, укладывающихся в длине кабеля, уменьшается полоса частот, в которой такой кабель работает в режиме полуволнового повторителя сопротивлений. Тем не менее, при длине кабеля до 40 … 50 метров, этот способ согласования можно использовать в Си-Би диапазоне.