СУММАТОРЫ—ДЕЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ ДЛЯ АНТЕНН

Для эффективной работы в эфире радиолюбители применяют направленные антенны с большим коэффициентом усиления. Чтобы проводить дальние связи, одной антенны бывает недостаточно, требуются антенные решётки из нескольких однотипных антенн. В связи с этим встаёт вопрос о сумматоре—делителе сигнала, и по какой схеме его лучше сделать. Рассмотрим для примера стек из двух антенн, каждая из которых имеет входное сопротивление 50 Ом. Существует несколько основных вариантов конструкции и принципа действия сумматоров—делителей, выполняющих ещё и функцию согласования передатчика (и приёмника) с антеннами. Один из самых распространённых вариантов — применение четвертьволнового трансформатора, который изготавливают из коаксиального кабеля (рис. 1).

Рис. 1 Четвертьволновый трансформатор

Физическую длину кабеля выбирают исходя из коэффициента укорочения а, который зависит от его конструкции.

При параллельном включении двух антенн импедансом по 50 Ом, результирующий будет 25 Ом. Для их согласования потребуется четвертьволновый с волновым сопротивлением 35,3 Ом. Кабель с таким сопротивлением не существует, поэтому можно использовать два отрезка коаксиального кабеля по 75 Ом которые включены параллельно и в результате дают сопротивление 37,5 Ом (рис. 2).

Рис. 2

Так как сопротивление трансформатора более 35,3 Ом, КСВ при таком сложении будет больше единицы, в лучшем случае КСВ = 1,12. При этом если мы посмотрим на КСВ со стороны каждой антенны, то оно так же не будет равно единице, а это говорит о том дополнительных потерях. Ещё хуже то, что при таком соединении двух антенн в стек присутствует непосредственная связь между двумя антеннами, т. е. между ними нет развязки. Кроме того, между антеннами присутствует связь через электромагнитное поле, поэтому, антенны немного расстраивают друг друга, ещё больше ухудшая КСВ и другие параметры. Это хорошо показывает программа MMANA, поэтому требуется оптимизация двух антенн с небольшой корректировкой их размеров.

Схема ещё одного вариант аналогичного сумматора—делителя питания двух антенн показана на рис. 3, но ей присущи те же недостатки.

Рис. 3

Схема сумматора—делителя Уилкинсона показана на рис. 4. Он обеспечивает между антеннами развязку по сигналу не менее 14 дБ, что значительно улучшает характеристику стека, но для этого требуется кабель с волновым сопротивлением 70,7 Ом.

Рис. 4 Сумматора—делителя Уилкинсона

Стандартного кабеля с таким волновым сопротивлением нет, поэтому радиолюбители иногда изготавливают такие линии самостоятельно, например коаксиал на основе алюминиевых трубок или изменяя толщину внутренней изоляции коаксиального кабеля. Пример способа изменения волнового сопротивления коаксиального кабеля иллюстрирует рис. 5.

Рис. 5 Способ изменения волнового сопротивления кабеля

Такой вариант изменения волнового сопротивления, во-первых, пригоден для реализации только для УКВ-диапазона, где отрезки кабеля относительно небольшие, во-вторых, он трудоёмок и желаемый результат получить не просто. На рис. 6 показана схема, а на рис. 7 — конструкция сумматора—делителя Уилкинсона на основе кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом. Для уменьшения КСВ здесь добавлены подстроечные коденсаторы С1—С3. Эти конденсаторы должны выдерживать мощность сигнала, проходящего через такое устройство.

Рис. 6 Схема сумматора—делителя Уилкинсона

Рис. 7 Конструкция сумматора—делителя Уилкинсона

В диапазоне коротких волн описанные выше делители—сумматоры предполагают большой расход коаксиального кабеля, поэтому предпочтительна их реализация на основе LC-элементов. Такой делители—сумматоры можно рассчитать с помощью различных программ, одна из них — RFSim99. Пример расчёта на частоту 145 МГц показан на рис. 8.

Рис. 8 Реализация делителя—сумматора Уилкинсона на основе LC-элементов

Лучший вариант делителя—сумматора получается при применении гибридного кольца (рис. 9) [2].

Рис.9 Гибридное кольцо

Для УКВ-диапазона его можно изготовить из коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом и малыми потерями (рис. 10).

Рис. 10 Реализация гибридного кольца

Но аналогичный по параметрам делитель—сумматор можно изготовить на LC-элементах. Для его расчёта можно воспользоваться той же программой. На рис. 11 показана схема гибридного кольца для диапазона 14 МГц, а на рис. 12 — его конструкция.

Рис. 11 Схема гибридного кольца для 14 МГц

Рис. 12 Конструкция гибридного кольца на 14 МГц

Гибридное кольцо интересно ещё тем, что его помощью можно не только делить и суммировать сигналы, но и проводить другие действия. Например, возможны одновременная работа приёмника и передатчика на общую антенну, измерение сопротивлений антенн или других устройств, реализация делителей—сумматоров для синфазного или противофазного питания антенн.

Делители—сумматоры на LC-элементах в отличии устройств на отрезках кабеля, имеют возможность налаживания требуемых параметров. Опыт и макетирование позволили таких устройств позволили сделать вывод, что их относительно нетрудно реализовать в домашних условиях до частоты 500 МГц с очень малыми значениями КСВ от 1,006 до 1,01.

ВЛАДИМИР ПРИХОДЬКО (EW8AU), г. Гомель, Беларусь

ЛИТЕРАТУРА

1. Сазонов Д. М. «Антенны и устройства СВЧ» — М.: Высшая школа, 1988.

2. Приходько В.. Улучшение основных характеристик антенн с активным рефлектором. — URL: https://www.qrz.ru/schemes/contribute/antenns/ew8au/improve.shtml (25.09.22).