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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Feeder-Antenneneffekt. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Zivile Funkkommunikation Der normale Betrieb der Antennen-Speisestrecke bestimmt weitgehend die Effektivität einer Amateurfunkstation als Ganzes. Der in diesem Artikel diskutierte Effekt kann ihn erheblich reduzieren, da er sich in den meisten praktischen Antennendesigns (einschließlich fabrikgefertigter) manifestiert. Der erste Teil des Artikels zeigt die Ursachen des Speiseantenneneffekts und seinen Einfluss auf den Betrieb der Antenne-Speisestrecke auf. Im zweiten Teil werden praktische Empfehlungen gegeben, um diesen Einfluss zu eliminieren. Fast jede Kurzwelle kennt die Situation, wenn die Sendearbeiten die elektronischen Geräte im Haus stören - das Neonlicht leuchtet, wenn es an den Körper des eingeschalteten Senders gebracht wird, und der Empfang wird von starken Störungen lokaler Herkunft begleitet. Dies sind die auffälligsten Erscheinungsformen des seit langem bekannten, aber relativ wenig untersuchten Feeder-Antenneneffekts, dessen Wesen und Merkmale im Artikel beschrieben werden. Das Wesen und die Ursachen der Antennenwirkung des Feeders Als Antenneneffekt bezeichnet man üblicherweise das Phänomen der Abstrahlung oder des Empfangs von Funkwellen durch dafür nicht vorgesehene Gegenstände. Die Speiseleitung sollte nur zur Übertragung von Hochfrequenzenergie von einem Sender zu einer Antenne oder von einer Antenne zu einem Empfänger verwendet werden. Die Betrachtung der Ursachen des Feeder-Antenneneffekts (AEF) beginnt mit dem Übertragungsmodus. Bekanntlich wird das von einer Antenne ausgesendete elektromagnetische Feld durch Wechselströme erzeugt, die durch die Leiter, aus denen sie besteht, fließen. Fast immer befindet sich die Antenne nicht im freien Raum. In seiner unmittelbaren Nähe können sich viele Objekte befinden (z. B. innerhalb der Wellenlänge a). Dies sind die Drähte von Stromversorgungsleitungen, Rundfunk- und Kommunikationsleitungen, Leitmasten, Stützen und Abspannseile, Rohre, Takelage, Armaturen, Karosserien und Rümpfe von Fahrzeugen, Dächer und Wände von Gebäuden, der Körper des Bedieners und die Erdoberfläche . Entstehen auf irgendeine Weise Ströme in umliegenden Objekten (induziert beispielsweise durch das Nahfeld einer Antenne), dann addiert sich das durch diese Ströme erzeugte Strahlungsfeld zum Feld aus den Antennenströmen. Die Antenne zusammen mit ihrer Umgebung wird als Antennensystem (AS) bezeichnet. Unter diesen Bedingungen können die Eigenschaften der Lautsprecher stark von den berechneten Eigenschaften der Antenne selbst abweichen. Um die Eigenschaften der Lautsprecher weniger von der Umgebung abhängig zu machen, versuchen sie, die Antenne höher anzuheben, sie weiter von leitenden Strukturen entfernt zu installieren und Masten und Abspanndrähte nicht aus Metall herzustellen. Eines der nächstgelegenen und grundsätzlich nicht entfernbaren Objekte rund um die Antenne ist die Zuleitung, die sie speist. Die einfachste Zuleitung ist eine offene Zweidrahtleitung. Im Idealfall sind die Momentanwerte der Ströme in den Leitungsdrähten in jedem Abschnitt der Zuleitung und zu jedem Zeitpunkt gleich groß und entgegengesetzt gerichtet, d. h. die Summe der Ströme beider Zuleitungsdrähte in jedem Abschnitt beträgt null. Wir werden solche Ströme als gegenphasig bezeichnen. Eine offene Zweidrahtleitung strahlt auch unter dieser Bedingung, der Grund dafür ist der endliche Abstand d zwischen den Adern der Leitung. Eine vertikale Linie sendet vertikal polarisierte Wellen in der horizontalen Ebene mit Maxima in der Ebene der Linie und horizontal polarisierte Wellen mit Maxima senkrecht zu dieser Ebene aus. Das Strahlungsfeld ist proportional zum Verhältnis d/X. Die Abstrahlung einer Zweidrahtleitung ist bei angepasster Leitungsbelastung minimal und nimmt bei Nichtanpassung deutlich zu, wenn stehende Stromwellen auftreten. Das beschriebene Phänomen (unter der Bedingung streng gegenphasiger Ströme im Zuleitungssystem) wird als Antenneneffekt der Zuleitung 2. Art (AEF-2) bezeichnet [1]. In der Praxis zeigt es sich sehr schwach. Bei einer Frequenz von 145 MHz sendet beispielsweise eine Leitung eines Fernsehkabels KATB (oder KATP) mit einer Länge von a/2 und d = 10 mm aufgrund dieses Effekts ein Feld aus, das etwa 50-mal schwächer ist als ein halbes Wellenschleifenvibrator, der an diese Leitung angeschlossen ist. Es gibt viele Gründe, warum die Summe der Ströme aller Drähte im Querschnitt einer Zuleitung von Null abweichen kann. Das Vektordiagramm (Abb. 1) zeigt, dass bei einer beliebigen Differenz der Phasen und Amplituden der Ströme I1 und I2 in einzelnen Drähten diese Ströme als Summe der gegenphasigen Komponenten I1n = I2n und gleichphasigen Komponenten I1c =l2c dargestellt werden können (Letztere werden manchmal als Single-Ended bezeichnet). Die durch Gleichtaktströme verschiedener Drähte erzeugten Felder werden nicht kompensiert (wie bei gegenphasigen), sondern aufsummiert. Wenn die Feeder-Länge mit X vergleichbar ist, kann ihre Summe eine große zusätzliche Strahlung erzeugen. Dieses Phänomen wird als Antenneneffekt des Feeders 1. Art (AEF-1) bezeichnet [1]. Es ist deutlich schwerwiegender als AEF-2. was weiter unten besprochen wird.
Da AEF der 1. Art (im Folgenden einfach AEF) mit Gleichtaktströmen assoziiert ist, kann das Problem der Bestimmung seiner Ursachen darauf reduziert werden, die Ursachen für das Auftreten von Gleichtaktströmen der Speiseleitung im Übertragungsmodus (in im Empfangsbetrieb entstehen solche Ströme immer unter dem Einfluss externer elektromagnetischer Felder). Betrachten Sie eine horizontale Dipolantenne mit einer Zweidrahtzuführung, ohne die "Masse" zu berücksichtigen. Wir gehen davon aus, dass die AU nur aus einer Antenne und einem Feeder besteht. Das Strahlungsfeld des Lautsprechers an jedem Punkt im Raum ist die Vektorsumme der Felder, die durch die Ströme aller Leiter des Lautsprechers erzeugt werden. Das Gesamtfeld an jedem Punkt hängt von der Verteilung der Ströme entlang der Leiter des Systems ab. Diese Verteilung bei einer bestimmten Frequenz wird eindeutig durch die Form, Größe und Platzierung der Lautsprecherkabel bestimmt. sowie die Art der Stimulation. Ganz offensichtliche Überlegungen führen zu dem (durch Berechnung und Praxis bestätigten) Schluss, dass bei geometrischer Symmetrie des Lautsprechers und symmetrischer (streng gegenphasiger) Anregung auch die Stromverteilung sowohl entlang der Antennendrähte als auch entlang der Zuleitungen symmetrisch sein wird. In diesem Fall ist die Summe der Gleichtaktströme aller Zuleitungen gleich Null.
Ein Beispiel für einen solchen Fall ist im Modell in Abb. dargestellt. 2, a. Die Ströme der Drähte einer symmetrischen Zuleitung sind in Amplitude und Gegenphase gleich, dies wird durch die Symmetrie der Arme der Vibratorantenne und die symmetrische Lage der symmetrischen Zuleitung relativ zu diesen Armen sowie die symmetrische Verbindung der bestimmt Generator an den Anfang der Zuleitung anschließen. Jeder der folgenden Gründe kann zum Auftreten von Gleichtakt-Speiseströmen führen: Antennenasymmetrie (geometrische Asymmetrie der Arme, Leistung liegt nicht in der Mitte, Abb. 2, b): Feeder-Asymmetrie (unterschiedliche Durchmesser oder Längen der Drähte, Abb. 2, c); Asymmetrie des Lautsprechersystems als Ganzes (asymmetrische relative Position von Antenne und Speiseleitung, Abb. 2,d). Unter Berücksichtigung der „Erde“ werden die geometrische Asymmetrie des AS relativ zur „Erde“ (Abb. 2, e) und die elektrische Asymmetrie der Quelle relativ zur „Erde“ (Z1-Z2. Abb. 2, f) wird hier hinzugefügt. Wenn in der vorherigen Situation grundsätzlich eine vollständige Symmetrie möglich ist, ist bei der Speisung einer symmetrischen Antenne mit einer koaxialen (grundsätzlich asymmetrischen) Einspeisung ohne besondere Maßnahmen AEF-1 einfach unvermeidlich, obwohl eine solche Einspeisung frei von AEF-2 ist. Eine Besonderheit einer Koaxialleitung ist, dass... dass es sich bei hohen Funkfrequenzen nicht um eine Zweidraht-, sondern um eine Dreidrahtleitung handelt. Aufgrund des Skin-Effekts können die Ströme entlang der Innen- und Außenflächen des Kabelgeflechts unterschiedlich sein. Um Gleichtaktströme in einem Modell zu analysieren, können Sie die Außenfläche des Kabelgeflechts als einen Draht darstellen und den Generator direkt an die Antenne anschließen. Wenn der Mittelleiter des Kabels mit einem Arm einer symmetrischen Antenne und das Geflecht mit dem anderen verbunden ist (Modell - Abb. 3, a), dann sogar mit einer geometrisch symmetrischen Anordnung des Kabels relativ zur Antenne , AEF wird im Lautsprecher auftreten. Der Grund ist die elektrische Asymmetrie beim Anschluss einer äquivalenten Quelle an einen geometrisch symmetrischen Lautsprecher (die Quelle soll eine Punktquelle sein und genau in der Mitte der Antenne eingeschaltet werden, aber links ist ein Antennenarm und rechts ist die andere plus die Außenfläche des Kabelmantels!). Die Stromverteilung hängt in diesem Fall stark von der elektrischen Länge der Außenfläche des Kabelgeflechts ab (aufgrund der Außenisolierung ist sie ca. 1 % größer als die geometrische), mit einer Resonanzlänge (einer ganzen Zahl von Halbwellen). unter Berücksichtigung der Erdungslänge für das geerdete untere Ende oder einer ganzen Zahl von Halbwellen plus a/4 für das ungeerdete Ende des Kabels, wie in unserem Fall), die maximale Amplitude des Gleichtaktstroms lc des Kabels ist maximal und kann 43 % der maximalen Amplitude des Stroms I des linken Arms der Antenne erreichen (Abb. 3,b).
In diesem Beispiel ist es zweckmäßig, einen vereinfachten "Mechanismus" zum Induzieren von Strömen entlang der äußeren Oberfläche des Geflechts zu zeigen, was dazu beitragen wird, die physikalischen Prozesse, die zu der AEF führen, klarer darzustellen. Einer der Gründe für den Gleichtaktstrom liegt auf der Hand: Es handelt sich um eine äquivalente Erregerquelle, an deren einer Klemme ein Außenleiter angeschlossen ist. Allerdings liegt dieser Leiter auch im Nahfeld der Antennenarme, in denen die Ströme nicht gleich sind. Daraus ergibt sich ein weiterer Grund für Gleichtaktströme: asymmetrisch und damit unkompensiert am Ort der Einspeisung, das Nahfeld der Antenne selbst. Eine solche Idee ist natürlich sehr primitiv, aber manchmal wird dieser zweite Grund in der Praxis der Bekämpfung von AEF aus irgendeinem Grund überhaupt nicht berücksichtigt. Vertikal polarisierte Antennen in geringer Höhe sind im Verhältnis zum „Boden“ (oder Dach) deutlich asymmetrisch. Auch wenn wir auf eine formale relative Symmetrie von Antenne und Einspeisung achten (vertikaler Dipol bei seitlicher Einspeisung). AEF ist unvermeidlich. Daher können im Sendebetrieb Feeder-Gleichtaktströme aus folgenden Hauptgründen auftreten:
Im Empfangsbetrieb können unter dem Einfluss äußerer elektromagnetischer Felder auf die Zuleitung in deren Leitungen sowohl gegenphasige als auch gleichphasige Ströme entstehen. Die ersten entstehen in offenen Zweidrahtleitungen und wirken sich direkt auf den Eingang des Empfängers aus (AEF 2. Art). Gleichtaktströme treten in jeder Zuleitung auf. Aufgrund des Reziprozitätsprinzips ist der Einfluss dieser Ströme auf den Eingang des Empfängers (AEF 1. Art) umso stärker, je größer die relative Intensität der Gleichtaktströme der Zuleitung eines bestimmten Lautsprechers im Sendemodus ist . Nur gegenphasige Einspeiseströme können direkt auf einen korrekt konfigurierten Empfängereingang wirken. Der „Mechanismus“ zur Umwandlung von Gleichtaktströmen im Empfangsmodus in gegenphasige Ströme ähnelt dem oben für eine koaxiale Einspeisung im Sendemodus beschriebenen. Eine Möglichkeit besteht darin, die äußere Oberfläche des Geflechts mit der inneren am Antennenverbindungspunkt zu verbinden, und die zweite Möglichkeit besteht darin, die Nahfeld-Gleichtaktströme zu verwenden, die für verschiedene Arme der Antenne asymmetrisch sind, und zwar durch die Antenne ein asymmetrischer Lautsprecher. Die Eigenschaften des Lautsprechersystems unter Berücksichtigung der Einspeisung unterscheiden sich von den berechneten Eigenschaften der Antenne ohne Berücksichtigung des Einflusses der Einspeisung. Auf diese Weise. AEF bedeutet nicht nur Empfang oder Übertragung direkt durch den Feeder, daher ist das Konzept erweiterbar. AEF im weitesten Sinne ist der Einfluss des Feeders auf die Eigenschaften des Antennensystems (sowohl beim Empfang als auch beim Senden). Betrachten wir diesen Einfluss genauer. Manifestationen der Antennenwirkung des Feeders Die auffälligsten Manifestationen von AEF wurden oben erwähnt. Betrachten wir diese und mögliche andere signifikante Manifestationen von AEF genauer. Nehmen wir als Beispiele einen horizontalen Halbwellenvibrator und die bekannte vertikale GP-Antenne der λ/4-Höhe mit drei gleich langen Gegengewichten, montiert im Winkel von 135° zum Sender. Die Eingangsimpedanz einer solchen Antenne im freien Raum und ohne Berücksichtigung des Einflusses der Zuleitung ist rein aktiv und beträgt etwa 50 Ohm. In Abb. Abbildung 4 zeigt das Richtungsmuster (DP) in der vertikalen Ebene und die Verteilung der Ströme entlang der Drähte des Stifts (I1) und der Gegengewichte (I2 – I4) für diesen Fall. Alle hier angegebenen Kennwerte wurden durch Computersimulation ohne Berücksichtigung von Verlusten ermittelt.
Während der Übertragung können die folgenden Manifestationen von ADF auftreten. 1. Auftreten von AS-Strahlung mit nicht-primärer Polarisation. Wenn die Hauptpolarisation der Antenne vertikal ist und der Feeder nicht vertikal, erscheint Feeder-Strahlung mit einer horizontalen Komponente. Wenn die Hauptantennenpolarisation horizontal ist und der Feeder nicht horizontal, erscheint Feeder-Strahlung mit einer vertikalen Komponente. Beispiel – Muster in der vertikalen Ebene Abb. 5 für einen horizontalen Dipol. Die vertikale Komponente des Feldes En aufgrund des AEF beträgt etwa 30 % der nützlichen horizontalen Komponente En. Und das ist zum Beispiel beim Fernsehempfang ein sehr unerwünschter Effekt.
2. Musteränderung mit der Hauptpolarisation. Strahlung von einer Einspeisung mit der Hauptpolarisation kann zu einer erheblichen Änderung des Hauptmusters führen (z. B. bei vertikalen Antennen in der vertikalen Ebene): Die Richtwirkung in der Hauptrichtung ändert sich (sie kann entweder abnehmen oder zunehmen) und es entstehen unerwünschte Keulen in andere Richtungen erscheinen. Beispiel - Abb. 6 für GP-Antenne mit ungeerdeter Kabellänge 9λ/4. Wenn ein Kabel mit der Hauptpolarisation nicht strahlt, kann sich das Muster aufgrund der Unterbrechung der Anregungssymmetrie ändern (Abb. 7 für Ep, einen horizontalen Dipol). 3 Änderung des komplexen Eingangswiderstands. Bei der GP-Antenne kann der aktive Anteil R der komplexen Impedanz an den Anregungspunkten Z = R + jX je nach Länge der Koaxialzuleitung zwischen 42 und 100 Ohm variieren. und die reaktive Komponente X beträgt -40 bis +17 Ohm. 4. Eine Änderung des Eingangswiderstands ist mit einer Änderung des Stehwellenverhältnisses (SWR) in der Speiseleitung verbunden. In Abb. Abbildung 8 zeigt die SWR-Abhängigkeiten für die GP-Antenne bei λ=10.9 m: 1 – bei „normaler“ Kabelverbindung zur Antenne; 2 - mit idealer „Isolierung“ der Außenfläche des Geflechts am Verbindungspunkt zur Antenne. Wie aus den Diagrammen ersichtlich ist, hängt das SWR in beiden Fällen von der Länge der Zuleitung ab, was ohne Gleichtaktströme (AEF) und Verluste in der Zuleitung nicht auftreten sollte [2]. Beachten wir hier, dass es Gleichtaktströme sind, die zu einer Änderung des SWR (durch Z) führen, aber nicht umgekehrt! Die Abhängigkeit von AEF-2 vom SWR hat einen anderen „Mechanismus“.
5. Ein schlechtes SWR bedeutet das Vorhandensein eines erheblichen Anteils stehender Wellen in den Speiseströmen, die nicht an der Übertragung von HF-Energie beteiligt sind. In einem realen Kabel steigen die Verluste, wodurch die Effizienz des Antennen-Speisesystems abnimmt. Gleichtaktströme selbst führen auch zu zusätzlichen Energieverlusten, die dem Wechselstrom zugeführt werden. 6. Verschlechterung von DP und SWR. Eine Verringerung der Effizienz verringert das Energiepotenzial der Funkverbindung. Die Reichweite des zuverlässigen Empfangs nimmt ab und um die erwartete Kommunikationsqualität zu erreichen, ist eine Erhöhung der Leistung erforderlich. Und das ist zusätzlicher Energieverbrauch. Gleichzeitig verschärfen sich die Probleme unter den Punkten 7-9. 7. Das Ändern des Musters führt zum Auftreten von Strahlung in unvorhergesehenen Richtungen, was zu starken Interferenzen oder Feldstärken führen kann, die gemäß Hygienestandards nicht akzeptabel sind. 8. Befindet sich die Einspeisung in der Nähe anderer Leitungen, beispielsweise Strom- oder Telefonleitungen, kann das Vorhandensein einer induktiven Kopplung mit diesen bei Vorhandensein einer AEF zu ernsthaften Schwierigkeiten bei der Gewährleistung des gemeinsamen Betriebs des Radiosenders mit anderen Funkleitungen führen. elektronische Geräte (starke gegenseitige Beeinflussung beim Senden und Empfangen). 9. In der Nähe der Zuleitung des Sendegeräts kann ein merkliches elektromagnetisches Feld entstehen, vergleichbar mit den Feldern in der Nähe der aktiven Teile der AU. Alle. bezüglich Änderungen der allgemeinen Eigenschaften von Sendelautsprechern. gilt gleichermaßen für Empfangslautsprecher (DP. Eingangsimpedanz. SWR. Wirkungsgrad) Externe Störquellen mit Nicht-Hauptpolarisation oder im Bereich zusätzlicher DP-Keulen. oder in der Nähe des Einspeisers erzeugt bei Vorhandensein eines AEF ein zusätzliches Hintergrundgeräusch beim Empfang. Wir stellen einige allgemeine Merkmale der Manifestation von AEF fest: 1. AEF manifestiert sich stärker bei resonanten Abmessungen des Feeders und schwächer - bei nicht resonanten Abmessungen. 2. Die Art der RP-Änderung in Anwesenheit von AEF hängt von der Länge der Zuführung ab. Je länger der vertikale Feeder ist, desto stärker wird der DN in der vertikalen Ebene eingerückt. 3. Die Verstärkung der AS in der Hauptrichtung bei Anwesenheit der AEF kann sowohl größer als auch kleiner sein als ohne Berücksichtigung der AEF. 4. Der AEF macht sich umso stärker bemerkbar, je stärker das Nahfeld der Antenne des Feeders ist. In diesem Sinne ist die betrachtete GP-Antenne eine der anfälligsten. 5. Bei Vibratorantennen (Dipolantennen) ist AEF ausgeprägter als bei Schleifenantennen. 6. Bei vertikal polarisierten Antennen tritt AEF häufiger und stärker auf als bei horizontal polarisierten Antennen. 7. Der Einfluss der Einspeisung auf die Eigenschaften des Lautsprechers ist umso stärker, je kleiner die Antenne und je geringer ihr Wirkungsgrad ist. Folglich. ADF ist für elektrisch kleine Antennen sehr gefährlich. 8. AEF ist besonders gefährlich für stark gezielte und. insbesondere Peilantennen. 9. Die Manifestation von AEF bei empfangenden Sprechern ist nicht weniger und sogar schwerwiegender als bei sendenden. Dieses Problem trat erstmals beim Empfang von Rednern auf Literatur
Autoren: Anatoly Grechikhin (UA3TZ), Dmitry Proskuryakov
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