В упрощенном виде антенну можно представить как резонансный контур с распределенными параметрами (индуктивность и емкость). Изменяя индуктивность и емкость, антенну можно настроить в резонанс, в этом случае ее входное сопротивление наиболее велико. Входное сопротивление антенны — это комплексная величина, которую называют также полным сопротивлением (импеданс) антенны. Выбор антенны производят по значению этого сопротивления. Штыревая антенна длиной 1/2 волны имеет входное сопротивление 50—60 Ом, а длиной 1/4 волны — около 36 Ом. Применение еще более короткой антенны (например, 1/5 длины волны, имеющей входное сопротивление 15 Ом) приводит к значительным потерям энергии ВЧ передатчика по сравнению с указанной выше антенной, так как требует увеличения тока.
Применение в передатчиках антенн короче полуволновых (5,53 м) приводит к потерям мощности и снижению КПД. Для увеличения излучаемой мощности короткие антенны удлиняют в электрическом отношении (ставят удлинительную катушку).
Как следует из рис. 4.1, эффективнее всего излучает та часть антенны, в которой ток имеет наибольшую интенсивность — верхний конец вертикальной антенны излучает слабее всего. Чтобы переместить точку наибольшей интенсивности как можно дальше вверх при одновременном укорочении длины антенны, используют удлинительные катушки. На рис. 4.1 в показаны три чаще всего применяемые короткие антенны с удлинительными катушками, при правильной подгонке которых такая антенна соответствует полуволновой. Нижняя удлинительная катушка имеет мало витков, но точка наибольшей интенсивности расположена довольно низко. Средняя катушка лучше, чем нижняя, но для нее требуется большее количество витков. Наконец, с верхней катушкой точка наибольшей интенсивности высоко, это лучше всего, но для нее требуется самое большое количество витков, что, в свою очередь, вызывает потери и делает антенну невыгодной с точки зрения конструкции. На практике чаще всего применяют антенны со средней или с нижней катушкой.
Конструкция удлинительных катушек показана на рис. 4.2. Следует подчеркнуть, что КПД антенны длиной меньше 1,2 м даже при использовании удлинительных катушек меньше КПД полуволновой антенны, хотя, в свою очередь, первая излучает более эффективно, чем короткая антенна без катушки.
Вот что показали сравнительные измерения двух антенн одинаковой длины, одна из которых имела нижнюю катушку (помещенную внутри корпуса передатчика), а другая — среднюю удлинительную катушку. После подстройки антенны со средней катушкой в резонанс напряженность электромагнитного поля возросла в 2,32 раза, что соответствует четырех-, пятикратному увеличению уровня излучаемой энергии. Подчеркиваем, что речь идет об антеннах, работавших при одном и том же передатчике.
Скажем несколько слов о взаимной зависимости параметров антенны. Излучаемая мощность антенны пропорциональна квадрату тока ВЧ, питающего антенну, и ее входному сопротивлению:
Поэтому даже небольшие изменения тока в антенне вызывают значительные колебания излучаемой мощности. Например, для антенны с входным сопротивлением 50 Ом и током 0,1 А эта мощность составляет 0,5 Вт. Увеличение тока вдвое дает четырехкратное увеличение мощности излучения. Важно также иметь как можно большее значение входного сопротивления антенны.
Чтобы из выходной цепи передатчика передавать в антенну максимум ВЧ энергии, полное сопротивление обоих должно быть примерно одинаковым. Поэтому говорят, что антенна должна быть согласована с передатчиком.
Связь передатчика с антенной может быть емкостной или индуктивной. К сожалению, и то, и другое решения не дают хорошего согласования полных сопротивлений, причем в обоих случаях возникают нежелательные гармоники. Поэтому необходимо использовать трансформатор, согласующий полное сопротивление выходного контура с полным сопротивлением антенны. Таким трансформатором является антенный П-фильтр, называемый также фильтром Коллинза (рис. 4.3).
Оконечный каскад передатчика и антенна представляют собой одно целое, именно так и следует их рассматривать. Чаще всего встречаются такие два решения:
1. Параллельный колебательный контур в каскаде ВЧ мощности и индуктивная связь с антенной. В этом случае согласование заключается в подборе правильного соотношения числа витков в катушке контура и в катушке связи с антенной. Подстройка антенны в резонанс осуществляется с помощью нижней или средней удлинительной катушки.
2. П-фильтр и непосредственное подключение антенны (или через конденсатор). Согласование обеспечивается подбором второго конденсатора полупеременной емкости. Антенну подстраивают с помощью удлинительной катушки в резонанс только приближенно, а точнее согласование достигается путем изменения емкости элементов П-фильтра. Дополнительная настройка антенны удлинительной катушки становится излишней и даже вредной, так как противодействует согласованию, уже достигнутому в П-фильтре.
Однако следует помнить, что даже идеальный П-фильтр поглощает около 10% ВЧ энергии передатчика. Если П-фильтр плохо построен и согласован, это ухудшает положение.
П-фильтр — это, по существу, обычный колебательный контур, настраиваемый емкостью двух конденсаторов, подключенных последовательно. Поэтому, если, например для контура требуется емкость 30 пФ, то в фильтр ставят два последовательно соединенных конденсатора 60 пФ. Причем каждый из них влияет на резонанс контура и степень связи с антенной. Конденсатор С1 (рис. 4.3а) служит для настройки в резонанс, конденсатор С2 обеспечивает подстройку антенны.
П-фильтр подавляет гармонические частоты тем более эффективно, чем больше емкость конденсатора, находящегося на стороне питания элемента постоянным напряжением от батареи, или когда сумма обеих емкостей в 4 раза больше емкости конденсатора С настройки выходной цепи передатчика. Катушка L3 практически служит дросселем для гармоник. Увеличивая С1 и одновремено уменьшая С2, чтобы контур был построен в резонанс, можно получить различные результаты.
Полное сопротивление в точке 2 меньше, а в точке 1 больше, чем в точке 3. П-фильтр тогда действует как трансформатор, согласующий большее входное сопротивление в точке 1 с меньшим выходным сопротивлением в точке 2 (например, выходная цепь транзистора — входная цепь антенны). Как известно, чем лучше электрическое согласование, тем более эффективно излучает антенна и тем больший КПД имеет передатчик. С помощью П-фильтра можно настроить в резонанс каждую антенну определенной длины и увеличить КПД передатчика.
На практике в качестве С1 используют конденсатор переменной емкости 35 пФ, а в качестве С2 — постоянный керамический конденсатор емкостью от 70 до 120 пФ. Антенну соединяют с точкой 2 через керамический конденсатор емкостью 1000—5000 пФ, который отделяет ее от постоянной составляющей выходного напряжения передатчика. Однако в этом не всегда есть надобность. Следует помнить, что на работу оконечного каскада передатчика с П-фильтром влияет также внутренняя емкость транзистора, поэтому при замене транзистора или изменении напряжения питания надо настроить П-фильтр на резонансную частоту. Емкости С1 и С2 должны быть как можно большими, а добротность контура Q=10÷15, чтобы обеспечить эффективное подавление гармоник.
Таким образом, П-фильтр решает три задачи: 1) выполняет функцию колебательного контура каскада мощности ВЧ; 2) эффективно служит для подавления гармоник; 3) позволяет согласовать антенну с выходным каскадом ВЧ.
В передатчиках мощностью более 300 мВт часто встречается дополнительный колебательный контур, служащий для лучшего подавления гармоник. Такой контур имеется во многих передатчиках заводского изготовления для пропорционального управления.
Его применяют для уменьшения вредного излучения передатчика (гармонических составляющих). Рассмотрим этот вопрос подробней.
При амплитудной модуляции сигналом синусоидальной формы в спектре выходного сигнала наряду с несущей имеются две симметрично расположенные боковые полосы частот. Следовательно, в спектре передатчика, например десятиканального, имеется десять верхних и десять нижних боковых частот. Если напряжение передатчика модулируется сигналом прямоугольной формы, то в нем содержится еще больше боковых частот, которые расширяют боковые полосы сигнала.
В то же время отведенная для радиомоделей частота 27,12 МГц разделена на 12 (или 32) каналов ВЧ. Таким образом, можно использовать одновременно 12 (или 32) действующих рядом друг с другом управляющих устройств. Однако из этого следует, что ширина обеих боковых полос сигнала не должна превышать 10 кГц, иначе они будут находиться в зоне частоты соседнего канала, что создаст помехи для приема. Добавим, что именно такие высокие требования вынуждают пользоваться узкополосными супергетеро-динными приемниками.
Ширина полосы 27,12 МГц ±0,6%1 равна 325 кГц, так что можно применить модуляцию сигналом прямоугольной формы при условии, что рабочая частота несущей удалена по меньшей мере на 30 кГц от нижней или верхней границы полосы.
В юридических технических правилах эксплуатации радиомодельных передатчиков идет речь о гармонических и паразитных колебаниях. При искажениях чистой синусоидальной формы в сигнале передатчика (например, прямоугольником или трапецией) появляются следующие новые частоты:
В этом отношении хуже всего одиночные генераторы без кварцевой стабилизации. Однако двухтактный автогенератор ВЧ, работающий на частоте 27,12 МГц, хотя и гасит четные гармоники рабочей частоты, подает нечетные гармоники к антенне и излучает их. Правда, напряженность электрического поля, создаваемого этими колебаниями, обычно невозможно измерить приборами радиомоделиста, но тщательные исследования показывают, что она может превысить допустимую величину 30 мкВ/м на расстоянии 30 м от передатчика. Для выполнения правил необходимо, чтобы гармоники были более чем в 8 000 раз «слабее» основной частоты — рабочей. На практике встречаются передатчики, содержащие в гармониках 1/50 и даже 1/10 излучаемой мощности!
Нельзя утешаться тем, что амплитуды гармоник равны лишь небольшой доле значения амплитуды основной частоты. В этом отношении государственные органы связи предъявляют жесткие требования: например, амплитуды напряжений ВЧ в каждой гармонике должны подавляться в отношении 1:100 (а мощности — в отношении 1:10000) к предыдущим.
Все выше изложенное необходимо учитывать при постройке передатчиков. Прежде всего надо подчеркнуть, что не всегда максимальная глубина модуляции полезно влияет на качество сигнала, так как это приводит к излучению боковых гармонических частот.
Боковые частоты могут возникнуть в генераторе ВЧ по следующим причинам: слишком сильная обратная связь (генератор начинает возбуждаться); неустойчивость частоты. В оконечном каскаде ВЧ боковые частоты могут возникнуть по следующим причинам: неправильный монтаж или же наличие связей, приводящих к возбуждению каскада; плохая модуляция (возникают широкие и интенсивные боковые частоты); периодические колебания, возбуждаемые в RC-цепях, в базе и эмиттере транзистора. Дефектное или загрязненное соединение с передатчиком тоже может вызвать искажения сигнала ВЧ (его амплитуды).
Однако особенно жесткие требования предъявляются к ограничению излучаемых гармоник. Поэтому следует правильно выбрать рабочую точку транзисторов в генераторе ВЧ и каскаде усилителя мощности, работать на прямоугольном отрезке характеристики. Колебательные контуры в передатчике должны обладать большой добротностью и иметь узкие полосы пропускания частот (однако на эти параметры отрицательно влияет нагрузка следующим каскадом, так что приходится идти на компромисс). Элементы ВЧ каскадов должны быть экранированы, передатчик помещен в металлический корпус, в схеме использован П-фильтр.
Одним из факторов, вызывающих неустойчивость колебаний ВЧ, как раз и является возникновение гармоник. Это особо относится к схемам с плоскостными транзисторами. Полевые транзисторы дают лучшие результаты в генераторах ВЧ.
Усилитель ВЧ или оконечный каскад передатчика не должен быть перегруженным, так как это приводит к образованию гармоник, что влечет за собой неустойчивость частоты колебаний. Если в генераторе с кварцем имеется резонансный контур, то он повышает селективность схемы, увеличивает усиление и подавляет паразитные процессы кварца.
При работе выходного ВЧ каскада передатчика с подключенной антенной выходной транзистор не перегружен. При отключении антенны или уменьшении ее длины увеличивается перегрузка выходного транзистора, что может привести к его отказу. Поэтому передатчик нельзя включать без антенны или ее эквивалента.
Примечания
1. В СССР для радиомоделей отведена частота 27,12 МГц ±0,05%.