Фирма Радиал - ведущий российский производитель базового антенно-фидерного оборудования
English version
  • Прайс-лист нашей продукции
  • Заказ каталога
  • Заказ продукции
  • Варианты отгрузки
  • О фирме
  • Вы можете легко нас найти.
  • Форум
  • Диллеры в России и ближнем зарубежье


    ЗАГАДКА ПЯТИДЕСЯТИ ОМ, или «Достигли ли вы согласования?»

    ТОЛЬКО ДЛЯ ОЗНАКОМЛЕНИЯ. ПЕЧАТЬ И ПУБЛИКАЦИЯ ЗАПРЕЩЕНЫ
    William F. Lieske, Sr. EMR-corporation,INC Arizona USA

    О чем эта статья:

    Если Вы работаете с радиочастотными системами и управлением передачей и приемом в различных электронных системах обмена сообщениями, то обнаружите, что предмет настоящей статьи имеет отношение к Вашей работе. Если Вы участвуете в разработке, установке, поддержке или проектировании Наземных Мобильных Беспроводных систем любого типа, то эта статья раскроет некоторые загадки, которые кажутся даже непостижимыми.

    Упоминание пятидесяти ом относится к сопротивлению приборов и устройств, таких как радиоприемник на входе, передатчик на входе и выходе, коаксиальные передающие линии и антенные системы.

    Исходная информация

    В течение многих лет использования в различных типах систем связи понятие результирующей производительности системы было одним из тех, которые составляли предмет первичного интереса компании EMR Corporation. Цель этой статьи – представить обзор и исследование различных аспектов, которые необходимо изучить для обеспечения максимальной эффективности эксплуатации системы и ее надежности посредством согласования сопротивлений различных элементов системы.

    Типичные передающие системы

    Радиочастотная мощность наиболее часто производится комбинированием задающего генератора с усилителем мощности. Для того, чтобы передать сигнал с выхода задающего генератора на вход усилителя мощности, а затем от усилителя мощности к соответствующей антенне в системах, работающих в частотном диапазоне ниже 2,5ГГц, наиболее часто используются коаксиально-кабельные линии передачи. Большие волноводы используются в микроволновых системах и при передаче телевизионных сигналов высокой мощности в диапазоне UHF, в основном в более высокочастотных UHF каналах. Системы , работающие в диапазоне выше 2,5 ГГц, в основном используют волноводы для питания антенн.

    Элементы типичной передающей системы показаны в виде блок-схемы на Рис.1. Точки, представляющие интерес в свете настоящей статьи, выделены звездочкой (*). В зависимости от класса рассматриваемых услуг, могут быть представлены уровни мощности в диапазоне, начиная с настолько малых как несколько сотен милливатт, до достаточно высоких мощностей, достигающих большое количество киловатт.

    В каждой точке, отмеченной (*) на Рис.1, должно обеспечиваться приемлемое электрическое согласование, если необходимо достигнуть высокой результирующей производительности системы. Составляет ли уровень мощности милливатты или киловатты, любая потеря электрической энергии нежелательна. При низких уровнях мощности низкая производительность приводит к низкому уровню мощности реально передаваемого сигнала, что сокращает диапазоны передачи. При более высоких уровнях мощности потери увеличивают затраты электроэнергии, необходимой для генерирования нужной мощности. Все элементы передающей системы также размещаются с риском излишнего нагрева важных элементов системы и сокращения диапазона связи, особенно при интенсивной или продолжительной работе.

    Где происходят потери в системах передачи

    Простой ответ на этот вопрос состоит в следующем: Все, что является проводником мощности, будет вносить вклад в потери канала, особенно, если динамические сопротивления всех элементов не согласованы между собой. Кабели являются проводниками мощности, и, следовательно, вносят свой вклад в потери. Стандартное сопротивление, характерное для систем в беспроводной индустрии, составляет 50 Ω в течение, по меньшей мере, последних пятидесяти лет. Соответственно, все оборудование и кабели должны иметь эту величину сопротивления для обеспечения максимальной результирующей производительности системы. Для комплектации таких кабелей должны использоваться коннекторы тоже с сопротивлением 50 Ω

    Пожалуйста, заметьте, что коннекторы серии «UHF», включая коннекторы типов PL259 и SO239, все еще используемые, были разработаны более пятидесяти лет назад, когда частота 50 МГц считалась «вершиной» радиодиапазона. Эти коннекторы не обладают постоянным сопротивлением и могут приводить к достаточно серьезным рассогласованиям в важных компонентах системы при частотах выше 30 МГц.

    Тщательное изучение коаксиального кабеля

    Коаксиальный кабель состоит из «внешнего проводника» в виде трубки или оплетки и концентрически вытянутого или скрученного «внутреннего проводника». Соотношение размеров внутреннего и внешнего проводников, наряду с природой диэлектрического изоляционного материала кабеля, определяет характеристики или «волновое сопротивление» коаксиального кабеля.

    Как представлено на Рис.2, сопротивление линии передачи в сухом воздушном диэлектрике дается следующей формулой:

    Z0 = 138 log10 (b/a)
    
    Где:
    Z0 = характерное сопротивление в Ω
    b =  внутренний диаметр внешнего проводника
    a = внешний диаметр внутреннего проводника.
    

    (Замечание: все размеры должны быть в одних и тех же единицах измерения, напр.: дюймы, мм и т.п.)

    Диэлектрические свойства

    Термин «Диэлектрик» применяется к любому материалу, который не является проводником электричества: изолятор. Сухой воздух на уровне моря имеет диэлектрическую проницаемость равную 1, все другие изолирующие среды имеют диэлектрическую проницаемость больше 1. Кабели, использующие твердый винил или вспененный диэлектрик, изолирующий разделяющий материал в виде сплошного или спирально насеченного тефлона, как в современной конструкции кабеля, могут иметь диэлектрические постоянные вплоть до величин, в несколько раз превышающих величину диэлектрической постоянной сухого воздуха на уровне моря. Сухой азот, инертный газ, отфильтрованный через «влагопоглотитель» для полного удаления влаги, хранящийся при давлении, немного превышающем давление воздуха на уровне моря, широко используется в герметичных цельных кабелях с целью обеспечения того, чтобы изменения атмосферного давления и относительной влажности не привели к изменению сопротивления кабеля.

    При работе с высокими мощностями и в области более высоких частот используются кабели большего диаметра, имеющие меньшие потери при заданных длинах. Потери кабеля обычно измеряются в децибелах, дБ, на 100 футов в наиболее распространенных для наземной мобильной связи частотных диапазонах. Гибкие кабели, изготовленные в соответствии с действующими в течение долгого времени стандартами RG-58 и RG-59, были заменены в большей части, если не во всех, коммерческих системах покрытыми серебром проводниками с двойной защитной оболочкой и тефлоновыми изоляционными материалами или специальными типами вспененных диэлектриков для уменьшения потерь и существенного усовершенствования кабеля с точки зрения защитной оболочки. В полугибких кабелях с цельными проводниками или жестких кабелях с цельными проводниками используются керамические изоляционные материалы или спиралевидные, центрирующие внутренний проводник опорные конструкции из тефлона с сухой азотной герметизацией вдоль них для уменьшения потерь. Такие типы кабеля находят применение в приложениях с повышенными мощностями и при повышенных частотах.

    Большая часть систем распределения CATV и СCTV стандартизованы при сопротивлении 72 Ω много лет назад и такое системное сопротивление продолжает использоваться в настоящее время в этой промышленности. При возникновении специальных системных требований, таких как при использовании кабелей в качестве линейных преобразователей, могут использоваться кабели с сопротивлением 75, 93 Ω и с другими специальными величинами сопротивлений. Эти типы доступны от нескольких производителей кабеля. При проектировании кабельных сетей используются характерные длины таких кабелей, такие, чтобы сопротивления секций были согласованы с приборами и электрическими цепями, с которыми в противном случае они были бы рассогласованы.

    Реализм согласования сопротивлений

    Часто предполагается, что в системе, в которой все элементы имеют сопротивление 50 Ω, можно использовать любую длину 50-омного кабеля, и «совершенное согласование» будет в результате иметь место.Это справедливо только, когда все элементы системы имеют чисто резистивные 50 Ω характеристики, не проявляя ни индуктивного, ни емкостного реактивного сопротивлений.

    ПОЖАЛУЙСТА, прочтите еще раз предыдущую главу

    При практическом применении радиочастотных приборов наличие даже сравнительно небольших эффектов индуктивности или емкости может привести к понижению эффективности в целом, когда два или более прибора соединены кабелями. Для согласования кабелей необходимо рассчитать реактивную компоненту, чтобы достичь самой высокой возможной производительности. Для полного понимания того, что имеется в виду, давайте посмотрим на природу усилителей, прежде чем обращаться к вопросу о сопротивлениях линий передачи и антенн.

    Анатомия задающих генераторов

    Наиболее современная частотная генерация выполняется посредством электронного синтеза. Гибкость и простота, с которой сегодняшние много-канальные передатчики и приемники программируются и работают, стала возможной посредством современной технологии синтезатора «твердого тела».

    Аспекты проектирования синтезаторов – это вопрос в себе. Современные задающие генераторы на основе твердого тела будет задавать высоко стабильный частотный канал, как запрограммировано, при низком уровне мощности, используя сложный синтез частот для точного установления требуемых частот канала. Обычно применяют модуляцию выборочных носителей как часть функции синтезатора. В результате последовательных этапов этот сигнал усиливается до уровня мощности, приемлемого для усилителя мощности (У.М.). Этот У.М. может иметь две или более ступеней, чтобы получить на выходе требуемый уровень мощности.

    В задающем генераторе выявляются различные меж- ступенчатые сопротивления, в соответствие с выбором проектировщика и доступностью активных компонент сети. Обычная практика состоит в проектировании выходного сопротивления задающего генератора, равном 50Ω при некотором заданном уровне мощности, таком как 3,5 или 10 ватт. При этом различные формы или типы У.М. используются, с наибольшей вероятностью, в предположении, что входное сопротивление усилителя будет для выхода усилителя таким же, как создаваемой «нагрузкой» сопротивление. Важно, чтобы соблюдалось адекватное согласование сопротивлений, так как задающий генератор является фактически передатчиком с низкой мощностью. Он будет передавать мощность на вход У.М. наиболее эффективно, только когда его выходное сопротивление согласовано с входным сопротивлением У.М.

    Довольно часто возникают ситуации, когда задающий генератор, который может доставить требуемую мощность на У.М., выходит из строя и генерирует ложные выходные частоты или прекращает работать, когда входное сопротивление У.М. значительно отличается от пятидесяти ом, или когда между выходом задающего генератора и входом У.М. используется рассогласованный кабель. Когда задающий генератор нормирован на, скажем, 5 ватт мощности на выходе и использует выход класса «В» или «С» наряду с настройкой «выходного уровня» на некоторых предыдущих стадиях, часто эффективное сопротивление может изменяться в широком диапазоне, так как выходная мощность задающего генератора изменяется в пределах доступного настройке диапазона мощности.

    Этот факт часто наблюдают многие специалисты, при ошибочном предположении, что выходное сопротивление задающего генератора постоянно, независимо от генерируемой мощности.

    Типичные усилители на твердом теле.

    В течение многих лет твердотельные усилители были основаны единственно на технологии мощных транзисторов, однако сейчас промышленность все больше производит и использует усиливающие приборы Power FET. Мы, однако, можем ожидать, что использование усилителей с би-полярными мощными транзисторами будет продолжаться в течение еще нескольких лет, так как большинство приборов с такими компонентами были спроектированы для непосредственной работы от 12,6 (номинал) транспортабельных источников мощности (VDC), в то время как приборы FET, работающие на уровне мощности 25 ватт или выше, обычно требуют более высоких рабочих напряжений, усложняя требования к энергоснабжению, особенно в транспортных применениях.

    Радиочастотные мощные транзисторы, как выяснилось, включают приборы, генерирующие мощность в диапазоне от величины, ниже 1 ватта до 60 ватт и более, а приборы FET уже сейчас способны работать с мощностями до 250 ватт на выходе. Традиционным в транзисторных усилителях мощности является использование одной ступени с достаточным усилением мощности, чтобы запустить два или четыре «двухтактных, параллельных» прибора, питаемых гибридными делителями, подключенным к их входам, и ре-комбинировать выходы, используя гибридные приборы.

    Рис.3 представляет в виде блок-схемы типичную организацию компонент в твердотельном усилителе. В этих контурах активные приборы обычно работают в режиме Класса «В», выдавая очень небольшие количества тока, пока не получат возбуждение от запускающего сигнала. Так как их работа в динамическом режиме определяется уровнем запуска, то чем больше энергия запуска, тем больше будет прямой ток, выдаваемый источником мощности.

    Гибридные пары могут быть типа 90°, или, как показано на Рис.3, могут иметь конструкцию ”Wilkinson”, используя ленточные элементы в типичном дизайне. Линии длиной в две половины длины волны с сопротивлением 70Ω обеспечивают 50-омные источник и выходные сопротивления в разумных частотных диапазонах. Нагрузки представляют собой 100-омные резисторы, обычно смонтированные на теплоотводах, которые также служат для рассеивания тепла, вырабатываемого активными элементами. Резисторы рассеивают мало энергии или не рассеивают вообще, пока на их противоположных концах сдвиг по фазе равен 180° , и имеют одинаковые амплитуды напряжения, пока поддерживается баланс в сети.

    Динамическое сопротивление как на входе, так и на выходе этих ступеней будет меняться при изменении применяемой энергии запуска. В должным образом сконструированном усилителе этого типа может быть обеспечен только сравнительно узкий диапазон выходного уровня, в котором существует особое динамическое сопротивление. Конструкторы усилителей стараются удовлетворять требования производителей компонент по рекомендуемым рабочим уровням, используя подходяще выбранные постоянные цепи, чтобы прийти к нужным входному и выходному сопротивлениям.

    Таким образом, конструкции усилителей Классов «В» и «С» должны иметь конкретный уровень выходной мощности, и можно ожидать, что эти усилители с наибольшей эффективностью будут работать в пределах сравнительно узкого интервала уровней выходной мощности. Важно осознавать, что работа конкретного усилителя на уровнях, более высоких или более низких, чем заложенный при его проектировании уровень выходного значения мощности, приведет к изменениям в его динамических входном или выходном сопротивлениях.

    Мощные усилители FET чувствительны к тем же самым аспектам. Их входное сопротивление много выше, чем у транзисторов, и правильное согласование на входе значительно более критично, если требуется достичь стабильной работы с низким уровнем интермодуляции. Если любой усилитель значительно перегружен при запуске, то часто происходит сбой прибора, если только не обеспечены определенные защитные схемы цепи, ограничивающие входной уровень при запуске относительно уровня выходной мощности. Пере-возбуждение приведет к излишне большому току в транзисторах или в приборах FET, вызывая сбой компонент и/или повреждения монтажных плат или других компонент из-за генерации излишнего тепла.

    Информация, представленная на этой странице не является официальной офертой.
    Для уточнения актуальных параметров свяжитесь с отделом продаж перед оформлением заказа.