Страница 1 из 51 123411 ... ПоследняяПоследняя
Показано с 1 по 10 из 508

Тема: Тайны фидерных линий

  1. #1
    Аватар для Vlad UR 4 III
    Регистрация
    27.01.2003
    Адрес
    г.Донецк, Украина
    Сообщений
    3,231

    Тайны фидерных линий

    ur0gt, Amw, YuraSanych, NE-SORRY, RV3DSF, а также любителям картинок демонстрационных программ и просто начинающим любителям радио посвящаю эту рискованную попытку рассказать просто и доходчиво о процессах, происходящих в линии питания.

    Вступление
    «Мы все учились понемногу чему-нибудь и как-нибудь» - писал поэт. Похожая ситуация сложилась в понимании процессов, происходящих в АФУ. Радиолюбитель, усвоивший общепринятые постулаты, может прекрасно решать практические задачи согласования, но зачастую с трудом может выбрать оптимальный вариант из возможных. Поэтому в эфире часто можно услышать рекомендации, под которые подходит изречение из одной мудрой книги – «Не ведают, что творят».
    Попробуем докопаться до сути процессов в линиях без привлечения высших математик и компьютерных технологий. Дальнейшее будет интересно тем, кому «во всём хочется дойти до самой сути». Но прежде чем перейти к процессам в линиях следует познакомиться с явлением, которое, на мой взгляд, является ключом к их пониманию.


  2. #2
    Аватар для Vlad UR 4 III
    Регистрация
    27.01.2003
    Адрес
    г.Донецк, Украина
    Сообщений
    3,231
    Сказ о колебательном контуре

    Если зарядить конденсатор, а потом замкнуть накоротко его выводы, то он разрядится. График разрядного тока во времени будет напоминать треугольник с относительно малым основанием и большой высотой. Т.е. ток почти мгновенно достигает большой величины, а затем стремительно падает до нуля.
    Если конденсатор разряжать через катушку индуктивности, то график тока будет в виде синусоиды и если на элементах получившегося колебательного контура не будет потерь энергии, то имеем вечно длящиеся гармонические колебания.

    Чем объясняется такая метаморфоза тока? Явлением самоиндукции.
    Явление индукции – возникновение эдс в проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, открыл англичанин Фарадей. Петербургский академик Ленц установил, что эдс индукции всегда противодействует причине, порождающей её.
    Эдс возникает и собственно в проводнике при протекании по нему переменного тока под действием переменного магнитного поля, образованного самим этим током. Возникновение эдс в проводнике под действием собственного магнитного поля называется явлением самоиндукции. Чем сильнее меняется величина тока в проводнике, тем сильнее изменяется создаваемое им магнитное поле, тем сильнее эдс самоиндукции.

    Как проявляется действие эдс самоиндукции в колебательном контуре?
    При росте величины тока в витках катушки силовые линии вспыхивающего магнитного поля, наводят в них эдс, действие которой, направлено против возрастающего тока. На преодоление действия эдс тратится некая величина энергии, запасённая конденсатором. Эта энергия переходит в энергию магнитного поля. Ток разряда конденсатора вынужден под действием эдс замедлить свой рост во времени.
    Вот он достиг максимума, его рост прекратился. Следовательно, величина эдс самоиндукции стала равна нулю.
    Затем ток начинает уменьшаться. Снова появляется эдс. Но теперь она направлена попутно с убывающим током и поддерживает его величину. Её источник – энергия гаснущего магнитного поля. Эдс самоиндукции, ток, вызванный ею, поддерживает ток разряда конденсатора и продолжает существовать некоторое время после разряда конденсатора, осуществляя перезаряд его обкладок.
    Конденсатор разрядился и перезарядился, тока нет, а эдс самоиндукции достигла максимума. Колебательный контур готов к следующему периоду колебаний тока.

    Какие выводы следуют из приведенного?
    1.Эдс самоиндукции отстаёт от тока её порождающего на четверть периода колебаний, т.е. на 90 градусов.
    2.Энергия, идущая на создание магнитного поля и на зарядку конденсатора, не может быть потрачена на выполнение какой-либо работы. Например, на нагрев провода катушки индуктивности. Поэтому эта энергия называется реактивной, а индуктивность и ёмкость - реактивными элементами. Ток и напряжение на них не совпадают по фазе, угол между соответствующими векторами равен 90 градусов.

    Информация к размышлению
    А куда собственно девается энергия, накопленная в конденсаторе, при коротком замыкании его выводов?
    Ответ на этот вопрос актуален при дальнейшем рассмотрении процессов в фидере.

  3. #3
    Аватар для Vlad UR 4 III
    Регистрация
    27.01.2003
    Адрес
    г.Донецк, Украина
    Сообщений
    3,231
    Возможен ли ток в гальванически незамкнутой цепи и что такое волна тока?

    Сделаем ещё один экскурс к основам физики.
    Для возникновения движения электрических зарядов необходимо существование электрического поля. Постоянный ток возникает при разности потенциалов. Поэтому цепь нагрузки источника постоянного тока должна быть замкнута на него. Многие радиолюбители, усвоив этот вывод и превращая его в стереотип мышления, забывают, что разность потенциалов существует не только на клеммах источника тока, но и между заряженным и незаряженным объектами.
    Предположим, имеем сферу с бесконечно большим положительным зарядом и бесконечно длинный незаряженный провод. При его подсоединении к сфере электрические заряды начнут перетекать в провод, по нему потечёт электрический ток.
    Если мгновенно заменить положительно заряженную сферу отрицательно заряженной, то вслед за положительными зарядами в проводе будут распространяться отрицательные.
    Источником переменного тока является электродвижущая сила, вырабатываемая генератором. Составной частью высокочастотного генератора является колебательная система, модификации которой, по сути, являются колебательным контуром, работу которого мы разобрали ранее. Количество электрических зарядов на обкладках конденсатора изменяется по функции синуса. Если бесконечно длинный провод подсоединить к одной из обкладок, то количество и знак зарядов, распространяющихся по проводу, будут также изменяться по синусоидальной функции. По проводу будет распространяться волна переменного тока.
    Если к противоположной обкладке конденсатора подсоединить другой бесконечно длинный провод, то по нему также потечёт токовая волна. Отличие этих волн будет только в полярности фронтальных полуволн тока. Понятно, что волны тока распространяются от генератора. Но условность в направлении движения токов часто запутывает понимание процессов в линиях. Так, если движение положительных зарядов (положительная полуволна) от источника принять за направление тока от источника, то движение отрицательных зарядов в том же направлении обуславливает направление тока к источнику. Зачастую это приводит к неверному представлению, что ток втекает в нагрузку по одному проводу, а вытекает по другому.
    Если провода расположить в пространстве параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, получим линию питания. Электрическое поле, создаваемое зарядами, будет располагаться в основном между проводами (вектор электрического поля перпендикулярен оси провода и направлен по линии, соединяющей провода), а магнитное поле, создаваемое током в каждом проводе, будет компенсироваться вне проводов и суммироваться между проводами (вектор магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости, проходящей через провода). Оба поля являются составляющими электромагнитного поля (ЭМП). Вектор направления распространения ЭМП (вектор Пойтинга) будет направлен вдоль линии от генератора к нагрузке.
    Величина напряжения между проводами линии в её любом сечении также меняется по синусоидальной функции. Следовательно, между проводами линии существует бегущая волна напряжения.
    Таким образом, два параллельно расположенных провода образуют систему, передающую энергию от генератора к нагрузке, - фидер.
    Теперь во всеоружии можно перейти к тайнам линии питания. При этом продолжим пользоваться «зарядной моделью» процессов в линии.

  4. #4
    Аватар для Vlad UR 4 III
    Регистрация
    27.01.2003
    Адрес
    г.Донецк, Украина
    Сообщений
    3,231
    Тайна N1 – какое зеркало находится в нагрузке линии.
    Линию можно представить как колебательную систему с распределенными по её длине индуктивностями и емкостями. Теория обычно оперирует с идеальной линией, т.е. с линией, в которой отсутствуют активные элементы, на преодоление сопротивления которых тратится некое количество энергии. Идеальная линия – это линия без потерь. Последуем за теорией.
    При распространении электромагнитной энергии (ЭМЭ) вдоль линии на заряд-разряд элементарных емкостей и на преодоление сопротивления элементарных индуктивностей (создание и гашение магнитного поля) будет тратиться определённое время. Поэтому скорость распространения ЭМЭ вдоль линии будет зависеть от величин этих реактивных элементов, обуславливающих среду распространения энергии.
    В любом элементарном отрезке линии при протекании волн тока и напряжения происходит обмен энергии между ёмкостью и индуктивностью подобный обмену энергии в колебательном контуре. Поэтому величины реактивных элементов линии обуславливают величины тока и напряжения в линии. Отношение амплитудных значений напряжения и тока называется волновым сопротивлением линии. Оно характеризует среду распространения ЭМЭ и обуславливает величины тока и напряжения в линии при заданной передаваемой мощности. Разумеется, на преодоление этого сопротивления энергия не расходуется.
    Режим распространения ЭМЭ в бесконечно длинной линии может быть сохранён, если её превратить в линию конечной длины, нагруженную на активное сопротивление, равное по величине её волновому сопротивлению. В этом случае активное сопротивление является эквивалентом «отрезанной» бесконечной линии. Такой режим распространения ЭМЭ в линии называется режимом бегущих волн.
    Если активная нагрузка линии будет отличаться от её волнового сопротивления, то в линии появятся волны тока и напряжения, идущие от нагрузки к генератору.
    Почему?
    Ведь активная нагрузка по идее должна поглотить всю подведенную к ней энергию. Откуда же появляются волны идущие от нагрузки? Почему она вдруг стала выполнять роль зеркала?
    Вот в литературе и термины соответствующие применяются - падающая и отраженная волны. И даже специалисты зачастую этот процесс описывают так: «Прямая волна отражается от нагрузки» - или «Ток прямой волны на конце линии меняет фазу на 180 гр».
    Источником переменного тока является эдс. Если обратная волна тока есть, по сути, продолжение прямой, то при возврате к генератору она должна создавать дополнительное сопротивление прямой волне. В итоге на входе в линию и в самой линии должна существовать только прямая волна, являющаяся разностью величин тока первоначальной прямой и обратной в переходном режиме. Однако, это не так. Прибор, именуемый КСВ-метром, фиксирует обратную волну на входе линии. Вот она, целехонькая, никуда не делась!
    Отсюда однозначный вывод – эдс генератора не является источником обратных волн тока и напряжения.
    Но нагрузка пассивна, не содержит никакого источника эдс. Кроме того, она может быть реактивной или, вообще, линия может быть разомкнута или замкнута на конце, а обратные волны всё равно есть!
    Как ни странно, но именно эти случаи помогают понять источник образования обратных волн. Он прост. Для тех, кто разобрался с явлением самоиндукции.

  5. #5
    Аватар для Vlad UR 4 III
    Регистрация
    27.01.2003
    Адрес
    г.Донецк, Украина
    Сообщений
    3,231
    Образование обратных волн тока и напряжения в линии, разомкнутой на конце.
    Электрические заряды прямой волны тока, достигнув конца провода, вынуждены остановиться. Течь току дальше некуда. Падение величины тока бегущей прямой волны вызывает появление эдс самоиндукции, направленной попутно с убывающим током. Эта эдс отстаёт от тока на 90 гр и поэтому имеет максимальное значение на конце провода, где ток равен нулю. А это означает, что вся энергия, посланная генератором в линию, перешла в распоряжение эдс самоиндукции. Электрические заряды вынуждены двигаться в обратном направлении.
    На конце линии заряды прямой и обратной волн тока складываются, поэтому здесь возникает удвоенная величина напряжения. Вдоль линии прямые и обратные волны тока и напряжения, накладываясь друг на друга, образуют стоячие волны тока и напряжения. Следует помнить, что стоячая волна не существует самостоятельно, а является результатом наложения прямой и обратной волн друг на друга.

    Образование обратных волн тока и напряжения в линии, замкнутой на конце.
    Напомню, что фронтальные половинки синусоид волн тока в проводах линии отличаются знаком зарядов. При встрече полуволн на конце линии ток увеличивается в два раза, а напряжение равно нулю. Увеличение тока приводит к появлению эдс самоиндукции противодействующей этому увеличению.
    Что происходит с зарядами на конце линии?
    Когда два разнополярных заряда соприкасаются, происходит их разряд. Вспомним об упоминавшемся ранее разряде конденсатора. Энергия разряда идёт на преодоление сопротивления, оказываемое разрядному току, на нагрев закорачивающего проводника и на излучение ЭМЭ. Энергия согласно закону сохранения энергии переходит в другие формы существования.
    В линии, как мы ранее условились, нет активного сопротивления проводов. Поэтому энергии не на что потратиться. Она остаётся в линии, но уже не подчиняется действию эдс генератора и попадает под действие другой силы – эдс самоиндукции, которая направляет заряды к началу линии.
    Следует отметить различную полярность отражённых фронтальных полуволн в случае разомкнутой и замкнутой на конце линии.
    В разомкнутой вследствие того, что эдс самоиндукции поддерживает угасающий ток прямой волны, на концах проводов линии «скапливаются» однополярные заряды прямой и обратной волн тока. Поэтому полярность обратных фронтальных полуволн тока в проводах линии совпадает с полярностью прямых полуволн.
    В замкнутой эдс самоиндукции противодействует росту тока. Поэтому полярность обратных фронтальных полуволн меняется на противоположную.

  6. #6
    Аватар для Vlad UR 4 III
    Регистрация
    27.01.2003
    Адрес
    г.Донецк, Украина
    Сообщений
    3,231
    Характер распределения тока и напряжения стоячей волны и эквивалентное сопротивление.

    Вернёмся к активной нагрузке линии. Если её сопротивление равно волновому линии, в линии режим бегущих прямых (падающих) волн. Если её сопротивление не равно волновому, то часть энергии прямых волн отражается от нагрузки. Такой режим, в отличие от полного отражения энергии от конца линии иногда называют режимом смешанных вол, подразумевая наличие стоячей волны. Однако, следует не забывать, что кроме прямых и обратных бегущих волн других волн в линии нет.
    Энергия прямых волн полностью или частично поглощается нагрузкой. Энергия обратных волн возвращается в колебательную систему источника эдс.
    Характер распределения тока и напряжения стоячей волны вдоль линии подобен случаю разомкнутой на конце линии, если сопротивление нагрузки больше волнового. Если оно меньше волнового, распределение тока и напряжение подобно случаю линии, замкнутой на конце.
    Если нагрузка имеет реактивную составляющую, то пучности тока и напряжения в линии по сравнению с распределением при активной нагрузке смещаются то ли к генератору, то ли к нагрузке в зависимости от вида реактивности. Распределения тока и напряжения по линии при реактивной нагрузке имеет смысл рассмотреть подробнее.
    Пусть имеем линию, разомкнутую на конце. Прямые и обратные волны тока и напряжения образуют суммарное распределение тока и напряжения по длине линии. Ток и напряжение получившейся стоячей волны смещены по длине линии относительно друг друга на 90 гр. Если поделить напряжение на ток стоячей волны в произвольном сечении линии, начиная от её конца, получим некое сопротивление. Разумеется, на преодоление этого сопротивления энергия прямых и обратных волн не тратится. Но оно всё-таки имеет физическую сущность.
    На конце линии ток равен нулю, поэтому сопротивление равно бесконечности. При удалении от конца сопротивление будет иметь чисто реактивный емкостной характер. (Соответствующие формулы напряжения, тока и сопротивления в линии со стоячей волной приводятся в учебниках). Если измерить реактивное сопротивление в каком–либо сечении линии в пределах λ/4 от её конца и нагрузить линию в этом сечении на соответствующую ёмкость, отсоединив оставшуюся часть, то характер распределения тока и напряжения в линии не изменится. Таким образом:
    1.Ёмкость является эквивалентом отсоединённой части линии.
    2.Распределение тока и напряжения в линии, нагруженной на емкость, аналогично распределению в линии разомкнутой на конце несколько длиннее искомой.

    На расстоянии λ/4 от конца разомкнутой линии напряжение упадёт до нуля. Следовательно, сопротивление будет равно нулю. На следующем четвертьволновом отрезке линии будет наблюдаться возрастающая реактивность индуктивного характера. И так далее, до входа в линию.
    Таким образом, линию можно укоротить, заменив отсоединённую часть соответствующим эквивалентом. . Эквивалентом можно заменить не только часть линии, но и всю её вместе с нагрузкой. В этом случае эквивалент называется входным сопротивлением линии.

    Читателю предлагается проделать те же манипуляции с линией, замкнутой на конце.
    Обратные волны возникают также при изменении волнового сопротивления линии. Но в любом случае «зеркалом», от которого отражается энергия прямых волн, является явление самоиндукции.

  7. #7
    Аватар для Vlad UR 4 III
    Регистрация
    27.01.2003
    Адрес
    г.Донецк, Украина
    Сообщений
    3,231
    Тайна N2. Почему токи прямой и обратной волн не противодействуют друг другу.

    Если в цепь нагрузки источника постоянного тока (ИПТ) включить последовательно ещё один ИПТ с меньшим напряжением так чтобы их однополярные клеммы соединялись, то суммарное напряжение на нагрузке будет равно разности напряжений, а каждый ИПТ будет являться нагрузкой для другого.
    Похожая ситуация складывается в линии при движении одного потока энергии к нагрузке и другого – к генератору. По аналогии с приведенным примером в линии должен существовать только разностный поток энергии к нагрузке. Однако, КСВ-метр на входе линии фиксирует обратные волны тока и напряжения. Вычитание энергий не происходит. Почему?
    Проще всего это объясняется тем, что генератор и нагрузка формируют встречные потоки ЭМЭ, которые не противодействуют друг другу. Но для объяснения процессов в линии мы решили использовать «зарядную модель».

    Вектор эдс самоиндукции, возникающей у нагрузки линии, имеет с вектором тока её порождающего угол в 90 гр., т.е. он не влияет на величину тока прямой волны. Ток и напряжение обратных волн совпадают по фазе. Поэтому ток обратной волны с напряжением прямой волны и ток прямой волны с напряжением обратной волны имеют фазу в 90 гр., т.е. отсутствуют условия для траты энергий на выполнение какой-то работы. В отличие от антенны, которая также представляет собой систему распределённых индуктивностей и емкостей, но в которой вследствие влияния её элементарных участков друг на друга суммарный вектор эдс самоиндукции имеет угол с вектором тока больше 90 гр., и поэтому эдс самоиндукции частично противодействует току, образуя сопротивление излучения. В линии нет взаимовлияния элементарных участков друг на друга. Поэтому заряды, движущиеся под действием эдс самоиндукции и эдс генератора, в идеальной линии не оказывают сопротивления друг другу.
    Вследствие фазовых сдвигов угол между векторами токов прямой и обратной волн и напряжений тех же волн по длине линии изменяется от нуля до 180 гр. Но в любом сечении линии суммарный вектор тока и суммарный вектор напряжения имеют угол 90 гр. Поэтому стоячие волны тока и напряжения, образованные вследствие наложения прямых и обратных волн друг на друга, не переносят активную энергию.

  8. #8
    Аватар для Vlad UR 4 III
    Регистрация
    27.01.2003
    Адрес
    г.Донецк, Украина
    Сообщений
    3,231
    Тайна N3. Согласование.

    Если сопротивление нагрузки линии не равно её волновому сопротивлению, то появляется обратный поток ЭМЭ. Чтобы предотвратить его появление, необходимо сопротивление нагрузки привести к волновому линии. Понятнее всего это сделать с помощью трансформатора – сопротивление первичной обмотки сделать равным волновому сопротивлению линии, а вторичной – сопротивлению нагрузки.
    Этот приём хорош при активном характере нагрузки, но её сопротивление может содержать и реактивную часть. Тогда в цепь вторичной обмотки необходимо будет включить реактивные элементы, компенсирующие реактивность нагрузки. А это не всегда практически удобно, так как согласующее устройство (СУ) располагается возле антенны и при работе в широком диапазоне частот не всегда доступно для корректировки его элементов.
    Есть способы согласования, в которых СУ располагается на рабочем месте оператора. Эти способы основаны на знании и использовании процессов в линии несогласованной с нагрузкой. Самый популярный способ - это СУ (тюнер) перед входом линии. Однако, часто можно услышать мнение, что тюнер согласовывает только выход усилителя мощности (УМ) с входом линии, а «отражение» от нагрузки как было, так и осталось. При этом делается логичный вывод, что если вся ЭМЭ проходит через СУ, но не полностью поглощается нагрузкой, то её отражённая часть рассеивается на проводах линии и в самом СУ, так как на входе СУ она отсутствует.
    Конечно, при более тщательном анализе видно, что этот вывод ошибочен. Если выход УМ согласован с системой «СУ-линия-антенна», то эта система является для УМ активной нагрузкой, мощность в которой рассеивается пропорционально активным сопротивлениям элементов системы. Т.е. большая часть мощности всё-таки пойдет на излучение ЭМЭ. Но как же это происходит при сохранении «отражения» энергии от нагрузки?
    Попробуем объяснить это через «трансформаторный» способ согласования.
    Если нагрузка линии активна, то применение трансформатора (Тр) между линией и нагрузкой понятно. Попробуем включить Тр в линию на некотором расстоянии от нагрузки. Тогда сопротивление вторичной обмотки должно быть равно трансформированному в данное сечение линии активному сопротивлению нагрузки и содержать реактивный элемент, компенсирующий появившуюся реактивность. Это положение справедливо для любого сечения линии, в том числе и для её входного сечения. Т.е. при расположении Тр на входе линии вся энергия, подведенная к первичной обмотке, окажется в нагрузке. Зачастую же Тр на входе линии не нужен, достаточно чтобы выход УМ был комплексно сопряжен с входным сопротивлением линии.

    «Это понятно» - не сдаётся пытливый ум. «Но отражение ЭМЭ от нагрузки остаётся! Как совместить отражение с проходом всей подведенной мощности в нагрузку? И куда девается «отраженка», если на входе линии перед СУ её нет?»
    Справедливые вопросы.

    Если вернуться к процессам в колебательном контуре, то отметим, что в четверть периода самоиндукция отбирает энергию, а в следующие четверть периода колебания отдаёт её. Энергия «отражения» это, по сути, энергия, забранная у нагрузки. Не знаю, кому первому пришла в голову простая гениальная мысль – вернуть эту энергию в энергию прямых волн. Но мысль и способ её претворения оказались результативными. Они реализованы в конструкциях четверть волнового трансформатора и полуволнового «повторителя».

  9. #9
    Аватар для Vlad UR 4 III
    Регистрация
    27.01.2003
    Адрес
    г.Донецк, Украина
    Сообщений
    3,231
    Хватит для начала.
    Если кому-то эта информация нужна, продолжу где-то после 500-ого просмотра.

    В следующей серии предполагается:
    Четверть волновой трансформатор.
    Полуволновой «повторитель»
    Система “СУ + линия”
    Согласование с помощью шлейфов.
    Что такое настроенная линия
    Зачем разгадывать тайны?
    Мифы фидерных линий


  10. #10
    Цитата Сообщение от Vlad UR 4 III
    Тайна N3. Согласование.

    Однако, часто можно услышать мнение, что тюнер согласовывает выход усилителя мощности (УМ) с входом линии ….
    С входным сопротивлением линии.

    Цитата Сообщение от Vlad UR 4 III
    Если выход УМ согласован с системой «СУ-линия-антенна», то эта система является для УМ активной нагрузкой … .
    Vlad UR 4 III сколько можно твердить простую истину, что для УМ существует только входное сопротивление линии. При согласовании с этим сопротивлением, КПД передатчика станет максимальным. Поэтому наш передатчик и отдаст тот максимум, на который он способен.
    73

Страница 1 из 51 123411 ... ПоследняяПоследняя

Информация о теме

Пользователи, просматривающие эту тему

Эту тему просматривают: 1 (пользователей: 0 , гостей: 1)

Похожие темы

  1. Тайны лампового звука
    от Oleg UR6EJ в разделе Старое радио (Ламповые души)
    Ответов: 353
    Последнее сообщение: 13.09.2017, 16:55
  2. Тайны фидерных линий 2
    от Amw в разделе Антенная механика
    Ответов: 266
    Последнее сообщение: 25.08.2017, 13:33
  3. Конструкции 2-х проводных линий
    от sr-71 в разделе Антенная механика
    Ответов: 248
    Последнее сообщение: 19.01.2016, 00:24
  4. Расчёт микрополосковых линий.
    от UR5ZEW в разделе Технический кабинет
    Ответов: 22
    Последнее сообщение: 05.04.2014, 18:13

Ваши права

  • Вы не можете создавать новые темы
  • Вы не можете отвечать в темах
  • Вы не можете прикреплять вложения
  • Вы не можете редактировать свои сообщения
  •