На рис. 3.7 представлена одна из возможных шунтовых симметричных схем согласования, получившая название дельта-трансформатора. Шунтовая схема согласования — одна из традиционных схем питания полуволнового диполя с помощью двухпроводной воздушной линии, волновое сопротивление которой Z0 чаще всего равно 600 Ом. Использование такого способа согласования базируется на свойстве полуволнового диполя, в силу которого его входное сопротивление, измеренное относительно точек, симметрично смещенных от центра диполя, увеличивается с 70 до 3000 Ом при перемещении точек питания к концам диполя. Следовательно, на диполе найдутся две такие симметрично расположенные относительно центра точки, входное сопротивление в которых составляет Rвх = 600 Ом. Именно к этим точкам и следует подключить линию питания с Z0 = 600 Ом. Однако расстояние Е между этими точками по длине вибратора практически никогда не совпадает с расстоянием е между проводами двухпроводной линии. Поэтому необходимо осуществить переход от расстояния Е к расстоянию е. Этот переход осуществляется на длине С линии питания. Образовавшийся таким образом переходный участок от однородной линии питания к точкам питания на вибраторе напоминает треугольник или греческую букву Δ, откуда и возникло название данного способа (см. рис. 3.7). Следует иметь в виду, что увеличение расстояния между проводами двухпроводной линии на участке С приводит к росту Z0 на этом участке. Поэтому требуется найти новое значение Е, при котором произошло бы точное сопряжение Rвх = Z0. Точный анализ этой задачи достаточно сложен, и поэтому в табл. 3.3 приведены справочные данные по геометрическим параметрам дельта-трансформатора для ряда частот.
| Частота, МГц | Е, м | С, м | Дополнительный коэффициент укорочения |
|---|---|---|---|
| 3,65 | 9,90 | 12,40 | 0,94 |
| 7,05 | 4,97 | 6,20 | 0,95 |
| 14,20 | 2,43 | 3,04 | 0,96 |
| 21,20 | 1,63 | 2,04 | 0,97 |
| 28,80 | 1,20 | 1,50 | 0,98 |
Следует отметить, что дельта трансформатор вносит в антенну дополнительную индуктивность. Поэтому при настройке антенны в резонанс надо иметь в виду, что для данной схемы питания антенны коэффициент укорочения длины вибратора Крез = К·К', где К' — коэффициент укорочения, обусловленный схемой симметрирования (см. табл. 3.3), К — коэффициент укорочения одиночного вибратора (см. рис. 2.80). Отметим также, что на практике расчетные геометрические параметры дельта-трансформатора E и С обычно подвергаются корректировке при настройке антенны и линии в целом по минимуму коэффициента стоячей волны.
Еще одним достоинством линии питания с дельта-трансформатором является то, что центр вибратора, имеющий нулевой потенциал, может служить местом крепления к мачте-опоре.
Другой шуитовой симметричной схемой согласования является Т-трансформатор. В диапазоне волн короче 10 м вибраторные антенны, как правило, выполняются из полых трубок, а линия питания к ним — в виде двухпроводной линии в ленточном изоляторе с волновым сопротивлением Z0 = 280...300 Ом.
На рис. 3.8 согласование вибратора с линией питания выполняется с помощью Т-трансформатора. Сразу скажем, что при настройке эта схема значительно удобнее, чем схема дельта-трансформатора. Однако практическая реализация схемы Т-трансформатора более трудоемкая, что обусловлено изготовлением большего числа (правда, не очень сложных) элементов.
Заметим, что предельное увеличение длины шлейфа l2 до размера вибратора l1 переводит линейный вибратор в петлевой. Для расчета Т-трансформатора необходимо определить правильные соотношения между его геометрическими параметрами d1, d2, l1, l2, e и λ, а также правильно выбрать емкости С (рис. 3.83). Для упрощения расчета обычно полагают, что d1 = d2; е = 0,033; l1 = K·0,5λ.
Длину шлейфа l2 и входное сопротивление антенны ZA можно в принципе определить, пользуясь графиками на рис. 2.46. Однако более точные результаты можно получить, используя графики на рис. 3.8б, в и г. Из графика рис. 3.8б следует, что при l1 = l2, т. е. при работе с петлевым вибратором и d1 = d2, входное сопротивление антенны RA = 276 Ом. Уменьшая l2 до значения l2 = 0,475l1, увеличиваем RA до значения RA = 680 Ом. Дальнейшее уменьшение l2 приводит к уменьшению RA; так, например, при l2 = 0,251l1 RA = 60 Ом. Из графика 3.8в видно, что при l2/l1 ≠ 1 и при l2/l1 ≠ 0,5 появляется реактивная составляющая XA, причем в интервале 0,5l1 < l2 < 1,0l1 это сопротивление имеет емкостный характер, что несколько увеличивает резонансную частоту fP вибратора (см. рис. 3.8г) в пределах (1...1,08)fB. В интервале значений 0 < l2 < 0,5l1 реактивность носит индуктивный характер, вследствие чего резонансная частота вибратора несколько снижается. На практике не используют шлейфы с малым значением l2/l1, так как в этом случае сильно искажается диаграмма излучения вибратора. Еще раз подчеркнем, что подбор значения l2, при котором выполняется равенство RA = Z0, еще не гарантирует настройку системы в целом. Полную настройку можно осуществить только в том случае, когда одновременно выполняются два условия; во-первых, RA = Z0 и, во-вторых, XA = 0, т. е. компенсация реактивной составляющей антенны, что достигается путем изменения длины вибратора.
Пример. Известны: резонансная частота вибратора fB = 145 МГц, λ = 2,07 м, d1 = d2 = 14 мм, RA = 70 Ом, Z0 = 300 Ом. Согласование можно получить, если l2/l1 = 0,32 либо l2/l1 = 0,7, причем в первом случае резонансная частота уменьшается более чем на 15%, а в другом увеличивается на 8%. Это соответствует значению резонансной частоты fP = 1,08·fB = 156 МГц. Длина вибратора, который имеет резонанс на частоте fB, l = 0,5·К·1,08λ. Значение коэффициента укорочения находим из графика на рис. 2.80. Для случая, когда λ/d = 150, получаем, что К = 0,94.
Еще раз отметим, что настройка линии с помощью Т-трансформатора достаточно трудоемка, так как каждое изменение длины шлейфа l2 приводит к изменению резонансной частоты вибратора fB, которая, в свою очередь, корректируется изменением длины вибратора l1.
На практике чаще используется схема, приведенная на рис. 3.8д. В данном случае вибратор, имеющий длину l1 = Kλ/2, возбуждается с помощью шлейфа постоянной длины l2 = λ/8. Шлейф подключается к линии питания с волновым сопротивлением Z0 = 240...300 Ом через два конденсатора С, емкости которых примерно равны 8пФ×λ Ом. Шлейф выполняется из проволоки или трубки диаметром d2 = 0,25d1 и укрепляется на расстоянии e = 4d1 от вибратора. Настройка антенны в резонанс достигается изменением емкостей С. Обратим внимание на то, что конденсаторы С подбираются на рабочее напряжение не меньше 1500 В. Для того чтобы конденсаторы С не пробивались атмосферным электрическим зарядом, центр вибратора обычно заземляют. Рекомендуется также заземлять оба провода линии с помощью специальных дросселей.
Возможный вариант питания вибратора линией с использованием Т-трансформатора изображен на рис. 3.8е. Здесь в качестве линии питания используются два коаксиальных кабеля, внешние экраны которых соединены между собой. Такая линия имеет сопротивление 2×75 = 150 Ом. Пользуясь графиками на рис. 3.8б, найдем, что l2 = 0,3l1. Из графика рис. 3.8в определим, что в этом случае антенна имеет большое значение реактивной составляющей входного сопротивления (X ≈ 300 Ом), носящей индуктивный характер. Эту реактивность можно скомпенсировать дополнительными емкостями, значения которых можно определить по графику на рис. 3.38а. В диапазоне 144 МГц эти емкости составляют 2 × 3,6 = 7,2 пФ.
Достоинствами данной схемы трансформации являются, во-первых, возможность заземления средней точки вибратора, во-вторых, экранирование линии питания.