Исследуем коэффициент укорочения кабеля

Имея на руках современные инструменты, реальный коэффициент укорочения антенного фидера узнать несложно, но в этом деле есть свои нюансы.

Первое приближение

Как известно, в различных материалах электромагнитные волны распространяются по-разному, но медленнее, нежели в вакууме. И поскольку в жизни мы никогда не используем вакуум в качестве диэлектрика фидера, неплохо бы знать его реальные характеристики.

Рассмотрим отрезок коаксиального кабеля как четвертьволновой волновод. Если найти его основной резонанс, можно вычислить электрическую длину и сопоставить с физической. Как это выглядит на практике?

Используем для эксперимента отрезки кабеля F1560BV. По паспорту скорость распространения сигнала в нём — 88% от скорости света в вакууме. Первый отрезок — 13,2 метра. Это означает, что в идеале длина волны должна быть вчетверо больше, т.е. 52,8 м.

Чтобы понимать, в каком диапазоне частот искать резонанс, разделим скорость света на вычисленную длину, получим 5,68 МГц. Зададим диапазон от 4 до 6 МГц. Для поиска резонанса я использовал свой анализатор. Дальний конец кабеля замкнут, на ближнем подключён анализатор: выход — к центральной жиле, вход — к оплётке. Какова физика процесса?

Волна пробегает 1/4 своей длины по центральному проводнику до перемычки, образуя на дальнем конце пучность (λ/4 соответствует точке π/2 на синусоиде, т.е. максимуму амплитуды). От перемычки она пробегает по оплётке обратно, образуя минимум (λ/2 или π). Значит, на кривой должен получиться минимум. Так и происходит:

Минимум (резонанс) пришёлся на 4,796 МГц. Это означает, что реальный коэффициент укорочения составляет 5,68/4,796=1,18 или обратная этому значению величина — скорость распространения волны — будет 1/1,18=0,84 скорости света в вакууме.

Как видим, небольшое расхождение с паспортным значением имеется. Насколько оно критично? Если при изготовлении фидера для антенны 40-метрового диапазона длиной, равной длине волны, опираться на паспортные данные, следовало бы взять: 299,8/7,050=42,53 м, с учётом укорочения — 42,53*0,88=37,42 м. А зная реальное значение — 42,53*0,84=35,72 м. Разница — 1,7 метра!

Тонкости

Теперь добавим физики. До сих пор мы считали, что у волны нет продольной составляющей относительно оси кабеля, и распространение происходит без дисперсии. На деле всё, конечно, не так. Материал и геометрия коаксиала не идеальны, и дисперсия имеет место. К чему это приводит? Скорость распространения волны зависит от частоты.

Второй отрезок того же кабеля — 4,2 метра. Характерная длина волны — 16,8 м, частота — 17,86 МГц. Замыкаем один конец, на втором подключаем анализатор.

Получаем 15,218 МГц, и отношение — 1,17, скорость — 0,85 от скорости света. Насколько бы мы ошиблись, если бы взяли более «низкочастотное» значение 0,84?

Допустим, требуется вычислить длину фидера для антенны 20-метрового диапазона, равную 1,5 длины волны. Волна — 299,8/14,150=21,19 м, полторы — 31,78 м. При коэффициенте 0,84 вышло бы 26,7 м, а при 0,85 — 27 ровно. Наверное, не катастрофическая, но разница есть. Причём удлинить фидер «потом» гораздо сложнее, нежели укоротить.

Выводы

  • Фактический коэффициент укорочения может значительно отличаться от паспортного значения.
  • В реальных средах имеет место дисперсия, поэтому коэффициент лучше измерять на частотах, близких к рабочему диапазону.
  • Выбрать кабель для фидера — полуволнового повторителя так, чтобы его длина была кратна половине длины волн сразу нескольких диапазонов — задача не из простых, и её решение потребует компромисса.

73! de UR5RBJ