|
Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВ(н)), измеренный (или рассчитанный) на входе антенны или кабеля, подключенного к приемной антенне, - один из самых "популярных" параметров, обсуждаемый в ряде публикаций и обычно нормируемый в рекламных материалах. У пользователя, естественно, возникает представление об особой важности этого параметра, например, при оценке качества антенны. В большинстве случаев, это ложное представление. Для человека, хотя бы косвенно ознакомленного с основами радиотехники доказать это несложно (естественно, если этот человек готов отказаться от догм).
Немного истории о КСВ(н). Этот параметр введен в широкий обиход в начале 70-х годов после того, как произошла "маленькая революция" в технике СВЧ-измерений. До 70-х годов качество согласования СВЧ-устройств измерялось на дискретных частотах с помощью специальных измерительных линий. Измерительная линия позволяет определить распределение напряженности поля на участке длины волны и вычислить отношение Umin/Umax, которое характеризует модуль коэффициента отражения 0 < |Г| <1от подключенной нагрузки.  Соответственно, было введено понятие коэффициента бегущей волны (1):
В случае Umin=0 волна чисто "стоячая" (переноса энергии нет), а при Umax=Umin волна чисто бегущая (без отражений).
"Маленькая революция" заключалась в том, что был разработан и освоен промышленностью серийный выпуск автоматических измерителей амплитудно-частотных характеристик СВЧ-устройств. В этих приборах с целью удобства созданы шкалы отсчета [1;+Ґ ] для измерения КСВ(н) в заданной полосе частот:
КСВ(н) = 1/КБВ О [1;+Ґ] (2)
Процесс измерения качества согласования и регулировки СВЧ-устройства существенно упростился (по времени сократился на несколько порядков). Более того, в конечном итоге, отпала необходимость использования в практической работе различного рода диаграмм (Вольперта-Смита, Картера, Мейнке-Клемента), обеспечивающих расчет пространственного положения и характера полной проводимости (сопротивления) неоднородности, включение которой необходимо для улучшения согласования СВЧ-устройства. Интересно отметить, что в учебных процессах радиотехнических специальностей многих ВУЗов до настоящего времени упорно мучают студентов диаграммой Вольперта-Смита (но это отдельная тема).
КСВ(н) и вносимые потери. Первое, что обычно связывают с коэффициентом отражения – это потери рассеяния, которые в сумме с тепловыми потерями в токоведущих элементах СВЧ-стройства определяют значение вносимых потерь. Численная оценка потерь рассеяния за счет конечного согласования СВЧ-устройства (3)
 Нетрудно убедиться, что, как правило, в большинстве случаев, КСВ(н) несущественно увеличивает вносимые потери (рис.1). Обычно считается, что КСВ(н) » 2,0 – удовлетворительное значение для широкополосной приемной антенны эфирного вещания. При этом значение коэффициента усиления (КУ) антенны снижается максимум на 0,5 дБ. Подключение кабеля к антенне заметно изменяет общий КСВ(н) на входе. Разъемы кабеля имеют конечную степень согласования, и общий КСВ(н) антенны и кабеля может увеличиться. Например, если в кабеле отсутствуют тепловые потери, то общий максимальный КСВ(н) на входе на отдельных частотах может достигать (4)
где КСВ(н)а – КСВ на входе антенны;
КСВ(н)k – КСВ кабеля с идеальной нагрузкой.
Однако кабель имеет достаточно заметные тепловые потери (табл.1). Поэтому даже если согласование антенны будет нарушено, то на входе относительно длинного кабеля измерение КСВ(н) покажет хорошее согласование, поскольку отраженная волна может практически полностью поглотиться в кабеле (5)
где
 - коэффициент отражения на входе антенны;
 - коэффициент отражения на входе кабеля при условии Га=0;
a L – затухание в кабеле (L – длина кабеля), дБ.
Таблица 1. Погонное затухание в коаксиальном кабеле
 |
| Тип кабеля |
Погонное затухание, дБ/м |
| 200 МГц
| 100 МГц |
1000 МГц |
| РК75-1-11 |
0,18 |
0,45 |
1,5 |
| РК75-1,5-11 |
0,12 |
0,30 |
0,9 |
| РК75-2-13 |
0,008 |
0,022 |
0,65 |
| РК75-4-11 |
0,030 |
0,08 |
0,40 |
| РК75-7-11 |
0,022 |
0,06 |
0,34 |
|
Например, при a L =10 дБ в случае обрыва запитки антенны (КСВ(н)а ® Ґ) значение КСВ(н) вх Ј 2 при хорошо согласованном разъеме кабеля, но, очевидно, что приема сигнала не будет. Таким образом, хорошее согласование не дает никаких гарантий качества, а плохое – еще не говорит ни о чем.
КСВ(Н) и неравномерность ГВЗ.В ряде случаев опасно не прямое увеличение вносимых потерь за счет КСВ(н), а последствия, которые связаны "несогласованность" СВЧ-устройства. Как известно, фазочастотная и амплитудночастотная характеристики большинства СВЧ-устройств взаимосвязаны (исключение составляет специальный класс неминимально фазовых устройств). Физическую оценку степени искажения фазочастотной характеристики принято задавать значением неравномерности группового времени запаздывания (НГВЗ) в рабочей полосе частот (этот параметр измеряется, например, векторным анализатором СВЧ-цепей или рассчитывается). Здесь существует целая теория, в которую глубоко вдаваться в рамках данной статьи нет смысла. Выделим лишь общие упрощенные соотношения, полезные для экспресс-анализа. Итак, значение КСВ и НГВЗ взаимосвязаны. Если измерен или задан КСВ(н) на входе, то размах осцилляции ГВЗ составит: (6)
D t s – максимально возможный размах осцилляции ГВЗ в рабочей полосе частот;
КСВ(н)max, КСВ(н)min– максимальное и минимальное значение КСВ(н) на входе в рабочей полосе частот (обычно КСВ(н)min<<КСВ(н)max и может быть принят равным 1);
tо – абсолютная задержка сигнала в СВЧ устройстве.
Значение абсолютной задержки сигнала
t ppо = I/Vгр (7)
где Vгр – групповая скорость распространения сигнала (в коаксиальном кабеле со сплошным заполнением примерно 2х108 м/с),
I – физическая длина СВЧ устройства (например, кабеля).
Как правило, значение tо может быть определено (примерно) расчетным путем с достаточной степенью точности.
Следует также учитывать, что совокупное значение D t s определяется и согласованием устройств, подключенных на входе и выходе
где 
Если не вдаваться в подробности, то в общем случае обычно принимают допустимое значение D t so заведомо меньше половины длительности символа, а полосу частот, в которой нормируют D t so принимают 0,85 от ширины основного лепестка спектра сигнала (в этой полосе обычно нормируют D t узкополосных фильтров).
Особо следует отметить, что значение D t so существенным образом зависит от физической длины линии передачи (например, кабеля, подключенного к антенне). Так, при I=30 м и КСВ(н)max » 2, значение D t s может достигать 14 нс. Соответственно, длительность символа должна быть не менее 28 нс, что определяет скорость передачи с еще допустимыми искажениями. Используя такой подход, можно дать оценку этого эффекта для различных ТВ-стандартов (табл.2). Более того, значение D t so является, например, существенным фактором, ограничивающим физические возможности ВОЛС по скорости передачи в отдельном цифровом потоке (возможно даже более значимым, чем регулярные составляющие дисперсионной задержки, но это уже тема для "глубокой" науки).
Таблица 2. Оценка допустимой длины кабеля (м) в зависимости от согласования на его входе применительно к различным ТВ-стандартам
|
| Стандарт ТВ |
КСВ(н)вх |
| 1,25 |
2,0 |
4,0 |
SECAM
PAL
NTSC |
1400
1540…2000
2000 |
140
154…200
200 |
39
43…56
56 |
MPEG-2:
Low
Main
High 1440
High |
4200
1120
280
210 |
420
112
28
21 |
117
31
8
6 |
|
Примечание: 1) предполагается, что затухание в кабеле мало;
2) предполагается, что допустимое ухудшение отношения сигнал/шум в канале изображения менее 1 дБ.
Таким образом, требование к качеству согласования (значение КСВ(н)) должно следовать из анализа комплексной задачи (может оказаться так, что даже КСВ(н)вх ~ 1,1 недопустимо для одной задачи, а для другой – ограничения связаны только с дополнительным затуханием сигнала).
|
|
Ширина ДН и коэффициента усиления антенны являются взаимозависящими параметрами, т.е. эти параметры всегда имеют определенное численное соответствие. Установить их точное соответствие удается далеко не во всех случаях, но на практике достаточно знание приближенного (с точностью до 5ё 7%) соответствия этих параметров.
С целью исключить все сложные зависимости, связанные с характером распределения токов (или поля) на элементах антенны вводится понятие коэффициента направленного действия (КНД) идеальной антенны: (9)
где D q a, D q b - ширина ДН идеальной антенны в ортогональных плоскостях, град.
Идеальная антенна концентрирует равномерное синфазное поле в угловом секторе D q a ґ D q b и имеет форму ДН (рис.2) в виде прямоугольника (это пространственный конус, за пределами которого поле отсутствует).
С другой стороны, известно классическое соотношение для оценки КНД реальной антенны: (10)
где Sг – излучающая поверхность (площадь) реальной антенны (для апертурной антенны Sг – физический раскрыв антенны).
Это соотношение справедливо для любого типа антенны и показывает, что КНД растет с увеличением частоты и ее габаритов в пределах рабочей полосы частот. Отметим, что, как правило, физическое значение Sг применительно к (10) возможно оценить только для антенн апертурного типа (например, обычных зеркальных антенн), у которых размер раскрыва более 5l . Причем несложно показать (как будет следовать из (11)), что в это случае всегда выполняется соотношение
КНДИА>КНДРА (11), где Gp – коэффициент усиления реальной антенны.
В ряде случае, если коэффициент усиления реальной антенны отвечает соотношению
КНДРА<GP<КНДИА (12), то говорят об эффекте слабой сверхнаправленности. Такой эффект, например, имеет место для антенны в виде открытого конца обычного круглого волновода с основной волной Н11 (размер раскрыва менее l ), излучающего запредельного волновода и в некоторых других случаях, но при этом всегда Sг<l 2.
Реальная антенна не может создать ДН в форме прямоугольника (возможно лишь приближение к этой форме, например, антенна с контурной ДН). Любая реальная антенна имеет форму ДН, для которой базисной функцией является sin(x)/x. Идеальная ДН реальной антенны показана на рис.2.
В теории антенн доказано, что ширина ДН по уровню –3 дБ (0,707 по напряжению) определяется линейной величиной излучающего раскрыва и зависит от характера распределения возбуждающего тока (поля) на его поверхности: (13)
где La (b) – линейные размеры излучающего раскрыва,
К – коэффициент, зависящий от распределения поля (при равномерном распределении для круглого раскрыва К=58,3 ° и La = Lb =D).
Часто на практике значениям D q a и D q b в (9) ставят в соответствие D q a и D q b , которые определены из (13), либо экспериментально.
Вычисленное таким образом КНДИА – это КНД идеальной антенны, имеющей ширину ДН эквивалентную реальной антенне. Значение ККНДИА – это предельная верхняя (практически недостижимое значение) оценка коэффициента усиления реальной антенны, имеющей ширину ДН в ортогональных плоскостях D q >a(b). Естественно, чем ближе Gр реальной антенны к значению ККНДИА, тем эффективнее антенна. С целью приближения (9) к значению Gр реальной антенны вводится понятие эффективного (суммарного) коэффициента использования излучающей поверхности (КИП) или коэффициента полезного действия (КПД) (1$)
где  - зависит от типа антенны; КНДИА - определяется из (9).
Отметим, что  , где h i < 1 - коэффициенты, учитывающие все факторы отличия реальной антенны от идеальной.
Действительные значения h S (по крайней мере, для большинства антенн) возможно установить только путем прямых измерений коэффициента усиления и ширины ДН антенн одного типа. В табл.3 представлены значения h S, полученные на основе обработки и анализа многочисленных экспериментальных данных ряда широко распространенных типов антенн (в том числе, для которых невозможно указать физическое (численное) значение площади (Sr) излучающей апертуры). Данные табл.3 и представленные соотношения являются основой сопоставления эффективности антенн и позволяют оценить не только достоверность значений, указанных, например, в рекламе, но и принять обоснованное решение при выборе типа антенны.
Таблица 3. Наиболее часто используемые типы антенн
|
| Рекомендуемый диапазон частот для реализации антенны, МГц |
Тип антенны |
Эффективный КИП |
Поляризация |
Уровень обратного излучения, дБ |
Достижимая рабочая полоса частот, fв/fн |
| до 3000 |
Линейные всенаправленные антенны |
0,91 |
Линейная (вертикальная) |
- |
Ј 0,05 |
| до 8000 |
Вибраторные логопериодические антенны |
0,87 |
Линейная |
15…20 |
< 100 |
| 300…10000 |
Цилиндрические спиральные антенны |
0,78 |
Круговая |
15…20 |
< 0,2 |
| 300…12000 |
Микрополосковые однослойные антенны |
0,8* |
Круговая |
10…35
(зависит от экрана) |
< 0,03 |
| 300…12000 |
Двухслойные микрополосковые антенны |
0,94* |
Круговая |
10…25(зависит от экрана) |
< 0,2 |
| 100…3000 |
Волновой канал |
0,75 |
Линейная(горизонтальная) |
10…20 |
< 0,1 |
| ** |
Зеркальные антенны |
0,55...0,75 |
Линейная или круговая |
>30 |
** |
|
Примечание:
* значения КИП представлены при использовании подложки с tgd Ј 0,001, при tgd < 0,03 (стеклотекстолит) значение КИП уменьшается до 0,3 для однослойной и до 0,77 для двухслойной микрополосковой антенны;
** рабочая полоса частот зависит от типа облучателя , чем шире полоса частот, тем меньше КИП.
Литература
- Ю.Н. Носов, А.А, Кукаев, Обзор приемных антенн наземного телевизионного и звукового вещания, Телевидение и радиовещание – Broadcasting, №4(8), июнь-июль, 2000, стр.56-62.
Статья подготовлена в 2001г.
|
