Οι γραμμές μετάδοσης και μεταφορά του σήματος
Οι γραμμές μετάδοσης είναι η σύνδεση μεταξύ του σταθμoύ σας, του δέκτη, του πομποδέκτη, και της κεραίας. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές αλλά δύο σημαντικοί τύποι γραμμών υπερισχύουν για τις συχνότητες σε γενική χρήση από τους ραδιοερασιτέχνες.
Η γραμμή παράλληλων αγωγών, επίσης γνωστή ως δίδυμος-γραμμή, ή η ανοικτή γραμμή καλωδίων. Αποτελείται από δύο παράλληλους αγωγούς που βρίσκονται χώρια σε μια σταθερή σταθερή απόσταση από τους μονωτές. Αυτός ο τύπος γραμμής μετάδοσης είναι "ισορροπημένος". Αυτό σημαίνει ότι κάθε καλώδιο είναι "καυτό" όσον αφορά τη γη.
Το ομοαξονικό καλώδιο είναι ο άλλος σημαντικός τύπος και αποτελείται από δύο ομόκεντρους αγωγούς. Είναι ένα ενιαίο καλώδιο που περιβάλλεται από τη μόνωση και που εσωκλείεται σε έναν εξωτερικό αγωγό, συνήθως μια πλεξούδα. Αυτό είναι μια "ασύμμετρη" γραμμή, το εξωτερικό πλέγμα μπορεί να είναι γειωμένο, μόνο το εσωτερικό καλώδιο είναι "καυτό".
Η ενέργεια που ακτινοβολεί η κεραία είναι λιγότερη από αυτή που παράγεται στη συσκευή του πομπού λόγω των απωλειών στη γραμμή μετάδοσης. Αυτές οι απώλειες αυξάνονται με τις υψηλότερες τιμές SWR, με τις υψηλότερες συχνότητες και με την αύξηση του μήκους της γραμμής.
Παράλληλες γραμμές
Αυτές έρχονται σε διάφορους τύπους. Η επίπεδη κορδέλλα TV "300ohm" είναι ένα παράδειγμα. Μια άλλη είναι "η σκάλα-γραμμή", στην οποία δύο παράλληλοι αγωγοί χωρίζονται κατά διαστήματα από τη μόνωση "αποστάτες". Αυτές οι γραμμές είναι σχετικά φτηνές. Οι γραμμές ανοικτού τύπου μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας αυτοσχεδιασμένους "μονωτήρες". Αυτές οι γραμμές έχουν τις χαμηλές απώλειες στις συχνότητες HF.
Αυτές οι γραμμές έχουν το μειονέκτημα ότι πρέπει να κρατηθούν μακρυά από άλλους αγωγούς και επιχωματωμένα αντικείμενα. Δεν μπορούν να θαφτούν ή να δεθούν άμεσα σε έναν πύργο.
Στις υψηλότερες συχνότητες, η απόσταση ανάμεσα στους αγωγούς των γραμμών ανοικτού τύπου γίνεται ένα σημαντικό μέρος του μήκους κύματος και η γραμμή θα ακτινοβολήσει κάποια ενέργεια.
Επειδή είναι μια ισορροπημένη γραμμή, μπορεί να τροφοδοτήσει ένα δίπολο άμεσα χωρίς τη χρήση ενός "balun" στην κεραία. (Baluns συζητείται κατωτέρω.) Οι περισσότεροι πομποδέκτες έχουν μια ασύμμετρη σύνθετη αντίσταση εξόδου 50ohm και ένας μετασχηματιστής balun θα απαιτηθεί για να τροφοδοτήσει μια ισορροπημένη γραμμή.
Οι παράλληλες γραμμές ποικίλλουν στη σύνθετη αντίσταση ανάλογα με τη διάμετρο και το διάστημα των αγωγών. Το πλακέ καλώδιο TV έχει μια σύνθετη αντίσταση 300ohm και η σκάλα-γραμμή είναι συνήθως 450 ή 600ohm.
Ομοαξονικό καλώδιο
Το ομοαξονικό καλώδιο αποτελείται από δύο ομόκεντρους αγωγούς με τη διηλεκτρική μόνωση στο διάστημα μεταξύ των αγωγών. Ο εσωτερικός αγωγός φέρνει το σήμα (δηλ. είναι "καυτός"). Ο εξωτερικός αγωγός είναι συνήθως γειωμένος και ενεργεί ως ασπίδα. Αυτό το καλώδιο μπορεί να θαφτεί και να περάσει κοντά στα μεταλλικά αντικείμενα, χωρίς τα επιβλαβή αποτελέσματα.
Βρίσκεται σε διάφορα μεγέθη από πολύ μικρές έως μεγάλες διαμέτρους. Τα μικρά μεγέθη είναι για τις χαμηλές ισχύς και τις σύντομες αποστάσεις. Τα μεγαλύτερα μεγέθη έχουν τις υψηλότερες αντοχές και συνήθως τις χαμηλότερες απώλειες. Οι περισσότεροι ερασιτέχνες χρησιμοποιούν το καλώδιο 50ohm ενώ της TV είναι συνήθως 75 οhm.
Ο διηλεκτρικός μονωτής είναι γενικά η κύρια αιτία της ενεργειακής απώλειας. Οι περισσότεροι χρησιμοποιούν το στερεό πολυαιθυλένιο χρήσεων και μερικοί τύποι χρησιμοποιούν μια έκδοση αφρού. Η έκδοση αφρού έχει χαμηλότερη απώλεια αλλά η στερεά έκδοση είναι πιό βαριά. Για πολύ χαμηλούς λόγους απώλειας, χρησιμοποιείται ("hardline"), και ο εσωτερικός αγωγός υποστηρίζεται από έναν σπειροειδή μονωτή ή από τις χάντρες. Αυτός ο τύπος είναι δύσχρηστος, δεν μπορεί να καμφθεί πολύ και είναι γενικά ακριβός.
Σύνθετη αντίσταση
Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό μιας γραμμής μετάδοσης είναι "η σύνθετη αντίστασή του". Αυτό μπορεί να κυμανθεί από περίπου 30 ωμ για το υψηλής ισχύος. Χρησιμοποιείται 600 έως 1000 ωμ για καλώδιο ανοιχτής γραμμής. Η μονάδα της μέτρησης είναι το ωμ, αλλά δεν μπορεί απλά να συνδεθεί ένα ωμόμετρο για να μετρήσουμε τη σύνθετη αντίστασή της.
Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση μιας γραμμής δεν εξαρτάται από το μήκος της αλλά από τη φυσική ρύθμιση του μεγέθους και της απόστασης των αγωγών. (Θυμηθείτε ότι όταν τίθεται απλά, σύνθετη αντίσταση είναι η αναλογία της τάσης στο ρεύμα. Μια υψηλή τάση και ένα χαμηλό ρεύμα σημαίνουν μια υψηλή σύνθετη αντίσταση. Μια χαμηλή τάση και υψηλό ρεύμα σημαίνουν μια τρέχουσα χαμηλή σύνθετη αντίσταση μέσων).
Τα φορτία που συνδέονται με το απομακρυσμένο τέλος μιας γραμμής επιδρούν στη σύνθετη αντίσταση "που φαίνεται" στην αρχή της γραμμής.
Όταν μια γραμμή ολοκληρώνεται στο τέλος με μια σύνθετη αντίσταση λήξης που είναι η ίδια με τη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της γραμμής, τότε η αρχή της γραμμής "θα φανεί" με την ίδια χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση. Με άλλα λόγια, κοιτάζοντας μέσα από την αρχή αυτής της γραμμής, "βλέπουμε" μια απείρως-μακριά γραμμή. Αυτό είναι ιδανικό για τη βέλτιστη μεταφορά της ισχύος από τον πομπό προς στην κεραία, χωρίς επιστροφή.
Σε αυτό το διάγραμμα, η λήξη έχει την ίδια τιμή με τη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της γραμμής. Η τάση πέρα από τη γραμμή παρουσιάζεται ως E για τα διάφορα σημεία σύμφωνα με τη γραμμή και το ρεύμα στη γραμμή σε εκείνα τα ίδια σημεία παρουσιάζεται ως I.
Σημειώστε ότι η γραμμή είναι "επίπεδη" - δεν υπάρχει καμία παραλλαγή σε αναλογία της τάσης στο ρεύμα (δηλ. καμία παραλλαγή στη σύνθετη αντίσταση) σε οποιοδήποτε σημείο σύμφωνα με τη γραμμή.
Εάν υπήρχε μια τέτοια απείρως μακριά γραμμή και την κόβαμε για να τη συνδέσουμε με ένα φορτίο, ίσο με τη χαρακτηριστική σύνθετη αντίστασή του, θα καθιστούσε τη γραμμή ακόμα όμοια με την αρχή της, όπως φαίνεται στο διάγραμμα ανωτέρω.
Λήξεις γραμμών
Υπάρχουν διάφορες κλασικές περιπτώσεις της λήξης γραμμών και κάθε μια θα περιγραφεί στη συνέχεια.
Για μια γραμμή με μια λήξη βραχυκυκλώματος, εξετάστε αυτήν την προσέγγιση:
Ένα σήμα αρχίζει και ταξιδεύει κάτω από τη γραμμή. Φθάνει στο απόμακρο τέλος και βρίσκει τη γραμμή για να βραχυκυκλωθεί. Τι μπορεί να γίνει; Γυρίζει γύρω και ταξιδεύει πίσω στην πηγή. Έτσι υπάρχουν τώρα ΔΥΟ κύματα που ταξιδεύουν στη γραμμή αλλά στις διαφορετικές κατευθύνσεις - το μπροστινό κύμα ακόμα που στέλνεται και το ανακλασμένο κύμα, στο δρόμο του.
Σε οποιοδήποτε σημείο στη γραμμή, η τάση πέρα από τη γραμμή θα είναι το ποσό αυτών των δύο συστατικών κυμάτων, που μετριέται χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο βολτόμετρο.
Αλλά η τάση πέρα από τη γραμμή σε ένα βραχυκύκλωμα πρέπει να είναι μηδέν. Έτσι το ανακλασμένο κύμα πρέπει να συγχρονιστεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε η επακόλουθη τάση στο βραχυκύκλωμα να είναι μηδέν. Δείτε την κόκκινη καμπύλη Ε ανωτέρω. Η επιστροφή κάτω στη γραμμή θα αυξήσει την τάση, όπως φαίνεται στο διάγραμμα ανωτέρω.
Επιπλέον, σε ένα βραχυκύκλωμα το ρεύμα θα είναι υψηλό. Έτσι το ρεύμα στη γραμμή πρέπει να είναι υψηλό στη λήξη και θα μειωθεί δεδομένου ότι το μετράτε κάτω στην αρχή της γραμμής. Το ρεύμα θα ακολουθήσει την μπλε καμπύλη Ι που παρουσιάζεται ανωτέρω.
Η σύνθετη αντίσταση είναι η αναλογία της τάσης στο ρεύμα. Έτσι στο φορτίο (ένα βραχυκύκλωμα) η σύνθετη αντίσταση θα είναι μηδέν. Όταν η γραμμή είναι μήκος κύματος τετάρτου, η σύνθετη αντίσταση θα είναι πολύ υψηλή.
Ένα παρόμοιο φαινόμενο συμβαίνει όταν η γραμμή είναι ανοικτός.
Σε αυτήν την περίπτωση, θα υπάρξει μια υψηλή τάση στο τέλος της γραμμής - το ανοιχτό κύκλωμα. Το ρεύμα στη γραμμή πρέπει να είναι μηδέν εκεί. Έτσι η σύνθετη αντίσταση θα είναι πολύ υψηλή. Διακινούμενη πίσω κάτω από τη γραμμή, η σύνθετη αντίσταση (η αναλογία της τάσης στο ρεύμα) θα μειωθεί μέχρι σε ένα σημείο τέταρτος-μήκους κύματος και η σύνθετη αντίσταση εκεί θα είναι μηδέν.
Το quarter-wave μήκος της γραμμής αναστρέφει ουσιαστικά τη σύνθετη αντίσταση στη λήξη του. Τα quarter-wave μήκη της γραμμής είναι πολύ χρήσιμα για πολλές εφαρμογές ειδικά στο VHF και το UHF.
Το μήκος ημικυμάτων της γραμμής μπορεί να θεωρηθεί ως δύο τέταρτα-μήκη κύματος και η απόδοσή της μπορεί να συναχθεί από αυτή την προσέγγιση.
Η σύνθετη αντίσταση εισαγωγής ενός μήκους ημικυμάτων της γραμμής είναι μια επανάληψη της λήξης στο απόμακρο τέλος.
Η αναλογία τάσης των στασίμων κυμάτων (VSWR)
Έχουμε εξετάσει τη γραμμή συσχετισμένη με ένα φορτίο, με μια λήξη βραχυκυκλώματος και με μια ανοιχτή λήξη. Οι πρακτικές τιμές του φορτίου μειώνονται κάπου μεταξύ αυτών των ορίων.
Το VSWR (συντομεύεται συνήθως σε SWR) μπορεί να απεικονιστεί με την εξέταση των μπροστινών και ανακλασμένων κυμάτων σε μια γραμμή. Εάν η κεραία (δηλαδή, το φορτίο στο τέλος της γραμμής) δεν ταιριάζει ακριβώς με τη γραμμή (δηλ. δεν είναι ακριβώς ίσος με τη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της γραμμής), τότε κάποια ενέργεια θα ανακλαστεί πίσω κάτω στη γραμμή. Έτσι έχουμε ένα μπροστινό κύμα (υψηλή ενέργεια) και ένα ανακλασμένο κύμα (μικρότερο από το μπροστινό κύμα) στη γραμμή. Ένα σχέδιο των αιχμών και των βυθισμάτων στην τάση που μετριέται μεταξύ των αγωγών θα απεικονιστεί από την καταγραφή των τιμών της.
Το SWR μπορεί να μετρηθεί με μια συσκευή γνωστή ποικιλοτρόπως ως "reflectometer" ή γέφυρα SWR, ή το μετρητή SWR.
Ο μετρητής SWR τοποθετείται συνήθως πλησίον στη συσκευή του πομπού. Διακρίνει μεταξύ των μπροστινών και ανακλασμένων κυμάτων στη γραμμή. Όταν παρεμβάλλεται στη γραμμή μεταξύ του πομπού και της μονάδας συντονισμού της κεραίας, της επιτρέπει να ρυθμιστεί.
Οποιεσδήποτε αποκλήσεις από μία "σωστή κατάληξη" στο τέλος της γραμμής μπορούν να έχουν μια σημαντική επίδραση στη δύναμη που ακτινοβολείται από το σύστημα:
1. Ο πομπός απαιτεί μια "σωστή κατάληξη" (συνήθως 50ohm) στη γραμμή για την καλύτερη μεταφορά της ενέργειας.
2. Η γραμμή απαιτεί ένα ελάχιστο SWR για λιγότερες απώλειες, και
3. Από τη γραμμή στην κεραία πρέπει να είναι επίσης σωστή η προσαρμογή για να ελαχιστοποιηθεί το SWR στη γραμμή.
Οι αποκλήσεις από μια σωστή προσαρμογή μπορούν επίσης να έχουν ανεπιθύμητα αποτελέσματα στο πομπό, ιδιαίτερα στο τελικό στάδιο, στο σημείο που προκαλούν υπερθέρμανση και να σχηματίσουν ηλεκτρικό τόξο στα συντονισμένα κυκλώματα.
Ο "συντονιστής κεραιών" (Antenna Tuner)
Αυτό παρεμβάλλεται συνήθως στη γραμμή μετάδοσης και την κεραία προς το τέλος της γραμμής.
Ο συντονιστής κεραιών (tuner) δεν συντονίζει πραγματικά την κεραία. Δεν ρυθμίζει το μήκος των στοιχείων των κεραιών, δεν αλλάζει το ύψος επάνω από το έδαφος, και τα λοιπά. Αυτό που κάνει είναι να μετασχηματίζει τη σύνθετη αντίσταση στο feedline που εισάγεται, σε μια τιμή που ο πομπός μπορεί να αποδώσει- συνήθως 50 ωμ. Σκεφτείτε το ρυθμιστή κεραιών ως ένα διευθετήσιμο μετασχηματιστή σύνθετης αντίστασης και θα καταλάβετε τη λειτουργία της.
Εάν η κεραία κόβεται σωστά και σχεδιάζεται για να ταιριάξει με τη σύνθετη αντίσταση του πομπού και του feedline, τότε δεν απαιτείται ένας συντονιστής κεραιών. Ο πομπός παρουσιάζεται με 50ohm φορτώνει και μπορεί να αποδώσει την πλήρη ισχύ της παραγωγής του.
Το "εύρος ζώνης SWR" είναι σημαντικό. Το εύρος ζώνης SWR πολλών σχεδίων κεραιών περιορίζεται συνήθως μόνο σε περίπου 200 ή 300 kHz. Εάν ένα δίπολο κόβεται για να συντονίσει στις 1:1 SWR σε 7 MHz, μπορείτε να διαπιστώσετε ότι το SWR είναι στις 2.5:1 σε 7200 kHz. Οι περισσότεροι σύγχρονοι πομποδέκτες θα αρχίσουν να μειώνουν την ισχύ ή μπορούν αυτόματα εντελώς να διακόψουν σε SWR στις 2:1.
Με έναν συντονιστή κεραιών στην ίδια γραμμή, μπορείτε να μετασχηματίσετε τη σύνθετη αντίσταση του πομπού σε 50ohm, και να μειώσετε το SWR στο σύντομο κομμάτι της γραμμής μεταξύ του πομπού και του συντονιστή κεραιών στις 1:1 πάλι. Ο πομποδέκτης αποδίδει έπειτα την πλήρη ισχύ του πάλι. Η ακτινοβολούσα ενέργεια θα μειωθεί ελαφρώς λόγω των υψηλότερων απωλειών στη γραμμή μεταξύ του συντονιστή και της κεραίας, μείωση λόγω των υψηλότερων ρευμάτων των γραμμών που συνδέονται με το υψηλότερο SWR σε εκείνο το σημείο της γραμμής.
Αυτή η μείωση προκαλείται από το γεγονός ότι ο συντονισμός με λειτουργία του συντονιστή δεν έχει αλλάξει τους όρους στη γραμμή μεταξύ αυτού και της κεραίας.
Παράγοντας ταχύτητας
Ένα ραδιοκύμα διαδίδεται ελεύθερα στο διάστημα με την ταχύτητα του φωτός. Όταν ένα κύμα ταξιδεύει σε μια γραμμή μετάδοσης, ταξιδεύει πιό αργά, διακινούμενο μέσω ενός διηλεκτρικού/μιας μόνωσης. Η ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει σε μια γραμμή έναντι της ελεύθερου χώρου είναι γνωστή ως "παράγοντας ταχύτητας".
Οι χαρακτηριστικοί αριθμοί είναι:
Δίδυμη γραμμή 0,82, ομοαξονικό καλώδιο 0,66, (ελεύθερο διαστημικό 1.0).
Έτσι ένα κύμα ταξιδεύει στα ομοαξονικά καλωδίων κατά περίπου 66% της ταχύτητας του φωτός (για παράδειγμα).
Αυτό σημαίνει ότι εάν πρέπει να κόψετε ένα μήκος της ομοαξονικής γραμμής μετάδοσης για να είστε ένα μισό-μήκος κύματος, το μήκος της γραμμής που κόβετε θα πρέπει να είναι 0,66 του ελεύθερου χώρου μήκους που υπολογίσατε.
Baluns
Ένα balun είναι μια συσκευή για να μετατρέψει την ασύμμετρη γραμμή σε μια ισορροπημένη - και αντίστροφα. Έρχεται σε ποικίλους τύπους.
Ο τύπος "μετασχηματιστών" είναι πιθανώς η ευκολότερη λύση. Θα βρούμε έναν μετασχηματιστή με δύο windings, αρχικό και έναν δευτεροβάθμιο. Ο αρχικός μπορεί να τροφοδοτηθεί από ένα ομοαξονικό καλώδιο - η εισαγωγή Unbalanced.
Όταν μια ισορροπημένη κεραία, όπως ένα δίπολο, τροφοδοτείται απ’ ευθείας (με ασύμμετρη γραμμή), τα ρεύματα κεραιών (που είναι εγγενώς ισορροπημένα) θα «τρέξουν» έξω για να ισορροπηθούν τα ομοαξονικά ρεύματα των καλωδίων που είναι εγγενώς ασύμμετρα. Αυτό το ρεύμα feedline οδηγεί στην ακτινοβολία από το ίδιο το feedline και μπορεί να διαστρεβλώσει το σχέδιο ακτινοβολίας κεραιών. Το RF μπορεί να ταξιδέψει πίσω στο σταθμό και στις επιφάνειες μετάλλων δημιουργεί τάσεις RF. Οι κλονισμοί RF είναι δυσάρεστοι και καίνε τη σάρκα. Πρέπει να αποφευχθούν. Για να διορθωθεί αυτό, ένα balun πρέπει να χρησιμοποιηθεί κατά σύνδεση μιας ισορροπημένης γραμμής με μια ασύμμετρη γραμμή και αντίστροφα.
Το Baluns χρησιμοποιείται για τη σύνδεση των δεκτών TV (70 οhm γραμμή ασύμμετρη) με την καλωδιοκορδέλλα 300ohm (που ισορροπείται).
Η χρησιμοποίηση μιας ενιαίας κεραίας για εκπομπή και λήψη
Ένα σύστημα κεραίας πρέπει επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη λήψη. Αυτό είναι συνήθως η περίπτωση με έναν πομποδέκτη.
Σε έναν σταθμό που περιλαμβάνει χωριστό πομπό και δέκτη, ένας μεταγωγικός ηλεκτρονόμος μπορεί να εγκατασταθεί για να μεταστρέψει τον τροφοδότη κεραιών μεταξύ των δύο στοιχείων. Οι πρόσθετοι πόλοι σε αυτόν τον ίδιο ηλεκτρονόμο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να θέσουν εκτός λειτουργίας τη συσκευή που δεν χρησιμοποιείται.
