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.
Волновое сопротивление 75 +/- 3,0 Ом
Сопротивление связи 200 мОм/м
Рабочая температура -40 +50 oС
Минимальная температура монтажа -5 oС
Вес 72 кг/км
Минимальный срок службы 12 лет
Коэффициент затухания на 1 м для частот 10 МГц - 0,02 дБ
100 МГц - 0,075 дБ
1 ГГц - 0,40 дБ
10 ГГц - 2,0 дБ
Для сравнения Таблица затухания для коаксиального кабеля RG-213 C/U
ЗАТУХАНИЕ dB/100 m
10 МГц 1.90
50 МГц 4.00
100 МГц 6.00
150 МГц 7.50
Как видно RG-213 C/U чуть лучше рк-75-4-15 и тогда зачем платить больше,если не видно разницы?У себя рк-75-4-15 я покупал по цене 15 рублей за метр,а 213 110 рублей.
Хорошо,продолжим...Что бы наш 75 омный кабель превратить в 50 ом нужно подобрать его длину.Само название говорит о том,что это будет пол волны,но по причине того,что прослойка кабеля имеет диэлектрическую проницаемость отличную от 1.0(1.0 у вауукума,у нас же полиэтилен),то длину полволны надо умножить на коэфициент укорочения,дается в справочниках.Например-частота 27,200 то длина этого трансформатора состовляет 300/27,2=11,02 длина волны и 11,02*0,5=5,51 метра.Коэфициент укорочения для кабелей с плошной(не вспененой) изоляции ровна 0,66 и тем самым наш трансформатор будет равен 5,51*0,66=3,63 метра.Но согласитесь,как правило от трансивера до антенны более дальнее растояние,кажеться незадача,но трансформатор можно увеличивать в n целое число раз.Но чем больше число n,тем уже частотная область,при котором осуществляется трансформация сопротевлений.При длине кабеля 40-50 метров можно не заморачиваться.Если есть ксв метр,то лучше длину кабеля подобрать на нагрузке 50 ом.Отмериваеться необходимое число n с запасом метра 1,5-2,0,на один конец вешаеться безиндуктивное сопротевление величиной 50 ом и мощностью не меньше 2 ватт(можно запаралелить 3 млт-2 по 150 ом),на другой конец кабеля заделываеться разьём и подключаеться к ксв метру и к радиостанции.На станции жмем на передачу и проверяем ксв на середине желаемого участка работы,скажем 27,300.Ищем частоту с ксв равным 1,0,т.к. у нас кабель с запасом,то минимум ксв будет в более низкочастотной области,например 26,300.Хорошо,теперь надо подрезать кабель на 4-6 см,лучше это делать с конца нагрузки.Опять жмем тангенту и видим,что минимум ксв поднялся в более высокочастотную область и на 27,300 ксв уменьшилось,постепенно доводим минимум ксв до 27,100.Это нужно для того,что бы при заделывании кабеля в анетенну у нас был запас на всякий пожарный случай.
На этом всё.Ваши предложения и замечания с удовольствием выслушаю!
Ещё не начав читать статью, попробуйте подумать над вопросом: побежит ли ток, если подключить к батарейке очень длинный провод(более чем 300 тысяч километров, сверхпроводник), если противоположные концы провода никуда не подключены? Сколько Ампер?
Прочитав эту статью, вы поймёте в чём смысл волнового сопротивления. Из лекций по теории волн я вынес только то, что волновое сопротивление - это сопротивление волнам. Большая часть студентов, кажется, поняла ровно то же самое. То есть ничего.
Эта статья - весьма вольный перевод этой книги: Lessons In Electric Circuits
Статьи по теме: На Хабре: Контакт есть, сигнала нет
Трэш в Википедии: Длинная линия
50-омный кабель?
В начале моего увлечения электроникой я часто слышал про волновое сопротивление коаксиального кабеля 50Ω. Коаксиальный кабель – это два провода. Центральный провод, изолятор, оплётка, изолятор. Оплётка полностью закрывает центральный проводник. Такой провод используется для передачи слабых сигналов, а оплётка защищает сигнал от помех.Я был озадачен этой надписью – 50 Ω. Как могут два изолированных проводника иметь сопротивление друг с другом 50 Ω? Я измерил сопротивление между проводами и увидел, как и ожидалось, обрыв. Сопротивление кабеля с одной стороны до другой - ноль. Как бы я не подключал омметр, я так и не смог получить сопротивление 50 Ом.
То, что я не понимал в то время – так это как кабель реагирует на импульсы. Конечно, омметр работает с постоянным током, и показывает, что проводники не соединены друг с другом. Тем не менее, кабель, из-за влияния ёмкости и индуктивности, распределённой по всей длине, работает как резистор. И так же, как и в обычном резисторе, ток пропорционален напряжению. То, что мы видим как пара проводников – важный элемент цепи в присутствии высокочастотных сигналов.
В этот статье вы узнаете что такое линия связи. Многие эффекты линий связи не проявляются при работе с постоянным током или на сетевой частоте 50 Гц. Тем не менее, в высокочастотных схемах эти эффекты весьма значительны. Практическое применение линий передач – в радиосвязи, в компьютерных сетях, и в низкочастотных схемах для защиты от перепадов напряжения или ударов молний.
Провода и скорость света
Рассмотрим следующую схему. Цепь замкнута – лампа зажигается. Цепь разомкнута – лампа гаснет. На самом деле лампа зажигается не мгновенно. Ей как минимум надо раскалиться. Но я хочу заострить внимание не на этом. Хотя электроны двигаются очень медленно, они взаимодействуют друг с другом гораздо быстрее – со скоростью света.
Что произойдёт, если длина проводов будет 300 тысяч км? Так как электроэнергия передаётся с конечной скоростью, очень длинные провода внесут задержку.
Пренебрегая временем на разогрев лампы, и сопротивлением проводов, лампа зажжётся примерно через 1 секунду после включения выключателя. Несмотря на то, что строительство сверхпроводящих ЛЭП такой длины создаст огромные практические проблемы, теоретически это возможно, поэтому наш мысленный эксперимент реален. Когда переключатель выключается, лампа будет продолжать получать питание ещё 1 секунду.
Один из способов представить движение электронов в проводнике – это вагоны поезда. Сами вагоны движутся медленно, только начинают движение, и волна сцеплений передаётся гораздо быстрее.
Другая аналогия, возможно более подходящая – волны в воде. Объект начинает движение горизонтально вдоль поверхности. Создастся волна из-за взаимодействия молекул воды. Волна будет перемещаться гораздо быстрее, чем двигаются молекулы воды.
Электроны взаимодействуют со скоростью света, но движутся гораздо медленнее, подобно молекуле воды на рисунке выше. При очень длинной цепи становится заметна задержка между нажатием на выключатель и включением лампы.
Волновое сопротивление
Предположим, у нас есть два параллельных провода бесконечной длины, без лампочки в конце. Потечёт ли ток при замыкании выключателя?
Несмотря на то, что наш провод - сверхпроводник, мы не можем пренебречь ёмкостью между проводами:
Подключим питание к проводу. Ток заряда конденсатора определяется формулой: I = C(de/dt). Соответственно, мгновенный рост напряжения должен породить бесконечный ток.
Однако ток не может быть бесконечным, так как вдоль проводов есть индуктивность, ограничивающая рост тока. Падение напряжения в индуктивности подчиняется формуле: E = L(dI/dt). Это падение напряжения ограничивает максимальную величину тока.
Поскольку электроны взаимодействуют со скоростью света, волна будет распространяться с той же скоростью. Таким образом, нарастание тока в индуктивностях, и процесс зарядки конденсаторов будет выглядеть следующим образом:
В результате этих взаимодействий, ток через батарею будет ограничен. Так как провода бесконечны, распределённая емкость никогда не зарядится, а индуктивность не даст бесконечно нарастать току. Другими словами, провода будут вести себя как постоянная нагрузка.
Линия передачи ведёт себя как постоянная нагрузка так же, как и резистор. Для источника питания нет никакой разницы, куда бежит ток: в резистор, или в линию передачи. Импеданс (сопротивление) это линии называют волновым сопротивлением, и оно определяется лишь геометрией проводников. Для параллельных проводов с воздушной изоляцией волновое сопротивление рассчитывается так:
Для коаксиального провода формула расчёта волнового сопротивления выглядит несколько иначе:
Если изоляционный материал – не вакуум, скорость распространения будет меньше скорости света. Отношение реальной скорости к скорости света называется коэффициентом укорочения.
Коэффициент укорочения зависит только от свойств изолятора, и рассчитывается по следующей формуле:
Волновое сопротивление известно также как характеристическое сопротивление.
Из формулы видно, что волновое сопротивление увеличивается по мере увеличения расстояния между проводниками. Если проводники отдалить друг от друга, становится меньше их ёмкость, и увеличивается распределённая индуктивность (меньше эффект нейтрализации двух противоположных токов). Меньше ёмкость, больше индуктивность => меньше ток => больше сопротивление. И наоборот, сближение проводов приводит к большей ёмкости, меньшей индуктивности => больше ток => меньше волновое сопротивление.
Исключая эффекты утечки тока через диэлектрик, волновое сопротивление подчиняется следующей формуле:
Линии передачи конечной длины
Линии бесконечной длины – интересная абстракция, но они невозможны. Все линии имеют конечную длину. Если бы тот кусок 50 Ом кабеля RG-58/U, который я измерял с помощью омметра несколько лет назад, был бесконечной длины, я бы зафиксировал сопротивление 50 Ом между внутренним и внешним проводом. Но эта линия не была бесконечной, и она измерялась как открытая, с бесконечным сопротивлением.Тем не менее, волновое сопротивление важно также и при работе с проводом ограниченной длины. Если к линии приложить переходное напряжение, потечёт ток, который равен отношению напряжения к волновому сопротивлению. Это всего лишь закон Ома. Но он будет действовать не бесконечно, а ограниченное время.
Если в конце линии будет обрыв, то в этой точке ток будет остановлен. И это резкое прекращение тока повлияет на всю линию. Представьте себе поезд, идущий вниз по рельсам, имеющий слабину в муфтах. Если он врежется в стенку, он остановится он не весь сразу: сначала первый, потом второй вагон, и т.д.
Сигнал, распространяющийся от источника, называют падающей волной. Распространение сигнала от нагрузки обратно к источнику называют отражённой волной.
Как только нагромождение электронов в конце линии распространяется обратно к батарее, ток в линии прекращается, и она ведёт себя как обычная открытая схема. Всё это происходит очень быстро для линий разумной длины так, что омметр не успевает померить сопротивление. Не успевает поймать тот промежуток времени, когда схема ведёт себя как резистор. Для километрового кабеля с коэффициентом укорочения 0,66 сигнал распространяется всего 5.05мкс. Отражённая волна идёт обратно к источнику ещё столько же, то есть в сумме 10,1 мкс.
Высокоскоростные приборы способны измерить это время между посылкой сигнала и приходом отражения для определения длины кабеля. Этот метод может быть применён также для определения обрыва одного или обоих проводов кабеля. Такие приборы называются рефлектометры для кабельных линий. Основной принцип тот же, что и у ультразвуковых гидролокаторов: генерация импульса и замер времени до эха.
Аналогичное явление происходит и в случае короткого замыкания: когда волна достигает конца линии, она отражается обратно, так как напряжение не может существовать между двумя соединёнными проводами. Когда отражённая волна достигает источника, источник видит, что произошло короткое замыкание. Всё это происходит за время распространения сигнала туда + время обратно.
Простой эксперимент иллюстрирует явление отражения волн. Возьмите верёвку, как показано на рисунке, и дёрните её. Начнёт распространяться волна, пока она полностью не погасится за счёт трения.
Это похоже на длинную линию с потерями. Уровень сигнала будет падать по мере продвижения по линии. Однако, если второй конец закрепить на твёрдую стенку, возникнет отражённая волна:
Как правило, назначением линии передачи является передача электрического сигнала от одной точки к другой.
Отражения могут быть исключены, если терминатор на линии в точности равен волновому сопротивлению. Например, разомкнутая или короткозамкнутая линия будет отражать весь сигнал обратно к источнику. Но если на конце линии включить резистор 50 Ом, то вся энергия будет поглощена на резисторе.
Это всё имеет смысл, если мы вернёмся к нашей гипотетической бесконечной линии. Она ведёт себя как постоянный резистор. Если мы ограничим длину провода, то он будет себя вести как резистор лишь некоторое время, а потом – как короткое замыкание, или открытая цепь. Однако, если мы поставим резистор 50 Ом на конец линии, она вновь будет себя вести как бесконечная линия.
В сущности, резистор на конце линии, равный волновому сопротивлению, делает линию бесконечной с точки зрения источника, потому что резистор может вечно рассеивать энергию так же, как и бесконечные линии могут поглощать энергию.
Отражённая волна, вернувшись обратно к источнику, может вновь отразиться, если волновое сопротивление источника не равно в точности волновому сопротивлению. Этот тип отражений особенно опасен, он делает вид, что источник передал импульс.
Короткие и длинные линии передачи
В цепях постоянного тока волновое сопротивление, как правило, игнорируется. Даже коаксиальный кабель в таких цепях применяется лишь для защиты от помех. Это связано с короткими промежутками времени распространения по сравнению с периодом сигнала. Как мы узнали в предыдущей главе, линия передачи ведёт себя как резистор до тех пор, пока отражённая волна на вернётся обратно к источнику. По истечении этого времени (10,1 мкс для километрового кабеля), источник видит полное сопротивление цепи.В случае, если цепь передаётся низкочастотный сигнал, источник на какое-то время видит волновое сопротвление, а потом – полное сопротивление линии. Мы знаем, что величина сигнала не равна по всей длине линии из-за распространения со скоростью света(почти). Но фаза низкочастотного сигнала изменяется незначительно за время распространения сигнала. Так, мы можем считать, что напряжение и фаза сигнала во всех точках линии равна.
В этом случае мы можем считать что линия является короткой, потому что время распространения гораздо меньше периода сигнала. В противовес, длинная линия это такая, где за время распространения форма сигнала успевает измениться на большую часть фазы, либо даже передать несколько периодов сигнала. Длинными линиями считаются такие, когда фаза сигнала меняется более чем на 90 градусов за время распространения. До этого в данной книге мы рассматривали лишь короткие линии.
Чтобы определить тип линии(длинная, короткая), мы должны сравнить её длину и частоту сигнала. Например, период сигнала с частотой 60Гц равен 16,66мс. При распространении со скоростью света(300 тысяч км/с) сигнал пройдёт 5000км. Если коэффициент укорочения будет меньше 1, то и скорость будет меньше 300 тысяч км/с, и расстояние меньше во столько же раз. Но даже если использовать коэффициент укорочения коаксиального кабеля(0,66), расстояние всё равно будет велико - 3300км! Независимо от длины кабеля это называется длиной волны.
Простая формула позволяет вычислить длину волны:
Длинная линия – такая, где хотя бы умещается ¼ длины волны в длину. И теперь вы можете понять, почему все линии прежде относятся к коротким. Для систем питания переменного тока 60Гц длина кабеля должна превышать 825 км, чтобы эффекты распространения сигнала стали значительными. Кабели от аудио усилителя к колонкам должны быть более 7,5 км в длину, чтобы существенно повлиять на 10кГц звуковой сигнал!
Когда имеешь дело с радиочастотными системами, задача с длиной линии передачи является далеко не такой тривиальной. Рассмотрим 100МГц радиосигнал: его длина волны 3 метра даже на скорости света. Линия передачи должна быть более 75 см в длину, чтобы считаться длинной. С коэффициентом укорочения 0,66 эта критическая длина составит всего 50 см.
Когда электрический источник подключен к нагрузке через короткую линию передачи, доминирует импеданс нагрузки. То есть, когда линия короткая, волновое сопротивление не влияет на поведение схемы. Мы можем это увидеть при тестировании коаксиального кабеля омметром: мы видит разрыв. Хотя линия ведёт себя как резистор 50Ом (RG/58U кабель) на короткое время, после этого времени мы увидим обрыв. Так как время реакции омметра значительно больше времени распространения сигнала, мы видим обрыв. Эта очень большая скорость распространения сигнала не позволяет нам обнаружить 50Ом переходное сопротивление омметром.
Если мы будем использовать коаксиальный кабель для передачи постоянного тока, кабель будет считаться коротким, и его волновое сопротивление не будет влиять на работу схемы. Обратите внимание, что короткой линией будет называться любая линия, где изменение сигнала происходит медленнее, чем сигнал распространяется по линии. Почти любая физическая длина кабеля может являться короткой с точки зрения волнового сопротивления и отражённых волн. Используя же кабель для передачи высокочастотного сигнала, можно по разному оценивать длину линии.
Если источник подключен к нагрузке через длинные линии передачи, собственное волновое сопротивление доминирует над сопротивлением нагрузки. Иными словами, электрически длинная линия выступает в качестве основного компонента в цепи, и её свойства доминируют над свойствами нагрузки. С источник, подключенным к одному концу кабеля и передаёт ток на нагрузку, но ток в первую очередь идёт не в нагрузку, а в линию. Это становиться всё более верным, чем длиннее у нас линия. Рассмотрим наш гипотетический 50Ом бесконечный кабель. Независимо от того, какую нагрузку мы подключаем на другой конец, источник будет видеть лишь 50Ом. В этом случае сопротивление линии является определяющим, а сопротивление нагрузки не будет иметь значения.
Наиболее эффективный способ свести к минимуму влияние длины линии передачи – нагрузить линию сопротивлением. Если сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению, то любой источник будет видеть то же самое сопротивление, независимо от длины линии. Таким образом, длина линии будет влиять только на задержку сигнала. Тем не менее, полное совпадение сопротивления нагрузки и волнового сопротивления не всегда возможно.
В следующем разделе рассматриваются линии передачи, особенно когда длина линии равна дробной части волны.
Надеюсь, вы прояснили для себя основные физические принципы работы кабелей
К сожалению, следующая глава очень большая. Книга читается на одном дыхании, и в какой-то момент надо остановиться. Для первого поста, думаю, этого хватит. Спасибо за внимание.
47198
Существует стойкое предубеждение и, можно даже сказать, заблуждение многих людей относительно высокочастотных кабелей. Меня, как разработчика антенн, являющегося одновременно и руководителем фирмы по их производству, постоянно одолевают этим вопросом. Попытаюсь раз и навсегда поставить точку в этом вопросе и закрыть тему применения 75 Ом кабелей вместо 50 Ом для целей передачи сигналов небольшой мощности. Я постараюсь не утруждать читателя сложными терминами с формулами, хотя некоторый минимум математики все же необходим для понимания вопроса.
В низкочастотной радиотехнике для передачи сигнала с заданными параметрами ток-напряжение нужен проводник, обладающий некоторыми свойствами изоляции от окружающей среды и погонным сопротивлением, таким, чтобы в точке приема НЧ сигнала мы получили достаточный для последующей обработки сигнал. Иными словами любой проводник обладает сопротивлением, и желательно, чтобы это сопротивление было как можно меньше. Это простое условие для техники низких частот. Для сигналов с малой передаваемой мощностью нам достаточно тонкого провода, для сигналов с большой мощностью мы должны выбирать более толстый провод.
В отличие от низкочастотной радиотехники, в технике высоких частот приходится учитывать много других параметров. Несомненно, как и в НЧ технике, нас интересует передаваемая по среде передачи мощность и сопротивление. То, что на низких частотах мы обычно называем сопротивлением линии передачи, на высоких частотах называют потерями. На низкой частоте потери, прежде всего, определяются собственным погонным сопротивлением линии передачи, тогда как на ВЧ появляется, так называемый, Скин-эффект. Скин-эффект - приводит к тому, что ток, вытесняемый высокочастотным магнитным полем течет лишь по поверхности проводника, вернее в его тонком поверхностном слое. Из-за чего эффективное сечение проводника, можно сказать, уменьшается. Т.е. при равных условиях для прокачки одной и той же мощности на низкой частоте и высокой требуются провода разного сечения. Толщина скин-слоя зависит от частоты, с увеличением частоты толщина скин-слоя уменьшается, что приводит к потерям большим, нежели на более низких частотах. Скин-эффект присутствует при переменном токе любой частоты. Для наглядности приведу некоторые примеры.
Так для тока частотой 60 герц, толщина скин-слоя составляет 8,5 мм. А для тока 10 МГц тощина скин-слоя составит всего 0,02 мм. Не правда ли разительная разница? А для частот 100, 1000 или 2000 МГц, толщина проводящего слоя будет и того меньше! Не вдаваясь в математику, скажу, что толщина скин-слоя зависит, прежде всего от удельной проводимости проводника и частоты. Поэтому для передачи максимально большей мощности на ВЧ нам нужно брать кабель с наибольшей площадью поверхности центральной жилы. При этом учитывая, что на СВЧ толщина скин-слоя мала нам вовсе необязательно использовать цельный медный кабель. Разницы от использования кабеля со стальным центральным проводником покрытым тонким слоем меди вы вероятно даже не заметите. Разве что он будет более жестким на изгиб. Разумеется, что желательно наличие более толстого слоя меди на стальном проводнике. Использование цельного медного кабеля имеет, конечно, преимущества, он более гибкий, по нему можно передавать большую мощность на более низких частотах. Также зачастую по коаксиальному кабелю передают напряжение питания постоянного тока предусилителей, и тут также вне конкуренции медный кабель. Но для передачи небольшой мощности не более 10-200 мВт на СВЧ с экономической точки зрения, более оправданным будет применение именно омедненного кабеля. Будем считать, что вопрос выбора между омедненными и медными кабелями закрыли.
Для понимания различия кабелей в волновом сопротивлении, я не стану рассказывать, что такое волновое сопротивление кабеля. Как ни странно, это не нужно для понимания разницы. Для начала разберемся, почему существуют кабели с разными волновыми сопротивлениями. Прежде всего, это связанно с историей становления радиотехники. На заре радиотехники выбор изолирующих материалов для коаксиальных кабелей был сильно ограничен. Это сейчас мы нормально воспринимаем наличие огромного ряда пластиков, вспененных диэлектриков, резины со свойствами проводников или керамики. 80 лет назад ничего этого не было. Была резина, полиэтилен, парафин, бакелит, в 30-х годах изобретен фторопласт (он же тефлон). Волновое сопротивление кабелей определяется соотношением диаметров центрального внутреннего проводника и внешнего диаметра кабеля.
Ниже приведена номограмма.
Толщина центрального проводника определяется его способностью пропускать наибольшую мощность. Внешний диаметр выбирается в зависимости от используемого диэлектрика - заполнителя находящегося между двумя проводниками. Используя номограмму становится понятно, что диапазон удобных для промышленного изготовления волновых сопротивлений кабелей лежит в пределах 25 - 100 Ом.
Итак, один из критериев - технологичность изготовления. Следующим критерием является максимальная передаваемая мощность. Опустив математику сообщу, что для передачи максимальной мощности с использованием наиболее широко распространенных диэлектриков оптимально волновое сопротивление в диапазоне 20-30 Ом. В тоже время минимальному затуханию соответствуют волновые сопротивления 50-75 Ом. Причем кабели с волновым сопротивлением в 75 Ом имеют меньшее затухание, чем кабели с волновым сопротивлением 50 Ом. Становится более-менее понятно, что для передачи малых мощностей выгоднее использовать 75 Ом кабель, а для передачи большой мощности - 50 Ом.
Теперь считаю необходимым рассмотреть менее важный вопрос о согласовании линии передачи. Попытаюсь просто ответить на вопросы о том, можно ли подключить 75 Ом кабель вместо 50 Ом.
Понимание вопросов согласования требует специальных познаний в радиотехнике. Поэтому ограничимся лишь констатацией фактов. А факты таковы, что для передачи сигнала с наименьшими потерями внутреннее сопротивление источника сигнала должно быть равным волновому сопротивлению кабеля. В тоже время волновое сопротивление кабеля должно быть равным волновому сопротивлению нагрузки. Иными словами источник сигнала - передатчик, нагрузка - антенна. Разберем несколько ситуаций, в которых для упрощения будем считать кабель идеальным без потерь, и передаваемая по кабелю мощность небольшая - до 100-200 милливатт (20 dBm).
Рассмотрим ситуацию, когда выходное волновое сопротивление передатчика 50 Ом, мы подключаем к нему 50 Ом кабель и 75 Ом антенну. В этом случае потери составят 4% от выходной мощности. Много ли это? Ответ неоднозначный. Дело в том, что в ВЧ радиотехнике оперируют в основном логарифмическими величинами, приведенными к децибелам. И если 4% перевести в децибелы, то потери в линии составят всего 0,18 дБ.
Если мы подключаем передатчик с 50 Ом выходом к 75 Ом кабелю и далее к 50 Ом антенне. В этом случае теряется 8% мощности. Но приведя это значение к децибелам, выясняется, что потери составят всего лишь 0,36 дБ.
Теперь рассмотрим типовые затухания кабелей для частоты 2000 МГц. И сравним, что лучше применить: 20 метров кабеля 75 Ом или 20 метров кабеля 50 Ом.
Затухание на 20 метрах для известного дорогого кабеля марки Radiolab 5D-FB составляет 0,3*20= 6 дБ.
Затухание на 20 метрах для качественного кабеля Cavel SAT703 составляет 0,29*20= 5,8 дБ.
Учтя потери на рассогласовании - 0,36 дБ, мы получим, что выигрыш от применения 50 Ом кабеля составляет всего 0,16 дБ. Это примерно соответствует 2-м лишним метрам кабеля.
А теперь сравним цену. 20 метров кабеля Radiolab 5D-FB стоят в лучшем случае примерно 80*20=1600 руб. В тоже время 20 метров кабеля Cavel SAT703 стоит 25*20=500 руб. Разница в цене 1100 руб. весьма ощутимая. К достоинствам 75 Ом кабелей можно отнести также легкость их разделки, доступность разъемов. Поэтому если кто-то в очередной раз начнет умничать и говорить вам, что для 3G модема ну никак нельзя использовать 75 Ом кабель, то с чистой совестью пошлите его ….й или ко мне за нашими замечательными антеннами. Спасибо за внимание.
Импеданс - это номинальное сопротивление на входе наушников. Термин импеданс заимствован от слова impedance, которое переводится как полное сопротивление. Часто употребляется как синоним полного сопротивления для наушников. Полное сопротивление складывается из резистивной и реактивной составляющей, в результате чего уровень сопротивления зависит от частоты. В большинстве случаев на графике можно наблюдать низкочастотный резонанс для динамических наушников.
Выбирать наушники по сопротивлению нужно в соответствии с тем, с какой техникой вы собираетесь использовать данные наушники. Для использования с портативной техникой следует подбирать наушники с более низким импедансом, а для стационарной, с более высоким. У усилителей портативной техники жестко ограничен выходной уровень напряжения, но как правило не имеет жесткого ограничения уровень тока. По этому вероятность получить максимально возможную мощность для портативной техники возможно только с низкоомными наушниками. У стационарной техники как правило ограничение по напряжению не такое низкое и для получения достаточной мощности можно использовать высокоомные наушники. Высокоомные наушники являются более благоприятной нагрузкой для усилителя и с ними усилитель работает с меньшим уровнем искажений. Низкоомными наушниками считаются наушники условно до 100 Ом. Для портативной техники рекомендуются наушники с сопротивлением от 16 до 32 Ом, максимум - 50 Ом. Однако, если у наушников высокая чувствительность, то можно использовать и большее сопротивление.
Громкость работы наушников зависит в первую очередь от чувствительности наушников, а от сопротивления зависит, сколько мощности может дать усилитель. Например, у наушников А и Б одинаковая чувствительность - 110 дБ/мВт (чувствительность указана по отношению к мВт ). Портативный плеер развивает на своем выходе не более 1 В. У наушников А сопротивление 16 Ом, у наушников Б - 150 Ом. Для наушников А плеер выдаст 62 мВт, а для наушников Б всего 7 мВт. Соответственно, чтобы получить аналогичную громкость на наушниках Б, нужно подать те же 62 мВт, которые возможны при 3 В, а у нас в примере плеер может выдать только 1 В. Однако стоит учесть, что чувствительность может указываться не к мощности, а напряжению. Если для обоих наушников будет указана чувствительность как например 100 дБ/В (чувствительность указана по отношению в В ), то не зависимо от их сопротивления они будут играть одинаково громко (если у усилителя выходное сопротивление близко к нулю).
По кривой Rz можно так же обнаружить дефекты и брак, если на кривой присутствуют сильные резонансы в узких полосах частот.
iFi iEMatch
Доставка через 6-8 дней
4 485 .-
В корзину
В избранное
Сравнить
Shure SE215 - CL
Товар в наличии в интернет-магазине
7 990 .-
В корзину
В избранное
Сравнить
Зависимость АЧХ и SPL от импеданса наушников
АЧХ наушников зависит от кривой Rz и выходного сопротивления усилителя. Чем выше выходное сопротивление усилителя, тем больше меняется АЧХ наушников в соответствии с кривой Rz. В примере у наушников чувствительность 110 дБ/В, сопротивление 20 Ом, пиковое значение на графике Rz для 60 Гц - 60 Ом.
При подключении к усилителям с разным выходным сопротивлением можно видеть, как меняется АЧХ. Можно видеть, что при подключении наушников к усилителю с выходным сопротивлением в 300 Ом АЧХ на 60 Гц меняется до 7 дБ.
АЧХ показаны на разном уровне, в соответствии тому, как будет изменяться SPL при подключении низкоомных наушников к усилителю с заданным выходным сопротивлением. При подключении наушников к усилителю с выходным сопротивлением 300 Ом уровень SPL будет ниже на 25 дБ. В данном случае на выходе усилителей был выставлен уровень сигнала 1 В rms без нагрузки (или нагрузке выше 1000 Ом). Таким образом, низкоомные наушники играют тише, чем высокоомные с одинаковой чувствительностью по отношению к напряжению, подключенные к усилителю с высокоомным выходным сопротивлением при одинаковом положении регулятора громкости.
Зависимость падения амплитуды в дБ в зависимости соотношения величины внутреннего сопротивления усилителя от величины нагрузки Rz на конкретной частое можно оценить на графике ниже.
Можно увидеть, что если например у усилителя внутренне сопротивление равно 50 Ом, и без нагрузки он выдает определенный уровень сигнала, то при подключении наушников с сопротивлением 25 Ом получаем соотношение сопротивления усилителя к нагрузке равным 2, и падение амплитуды в дБ будет равно около 10 дБ. Если у наушников сопротивление 50 Ом, то отношение равно 1, и падение амплитуды уже 6 дБ, а если у наушников сопротивление 100 Ом, то соотношение равно 0,5 и падение амплитуды составит 4 дБ.
Однако больше интересно, как отразится график Rz на конечной АЧХ без учета SPL. Разберем небольшой пример.
Отметим максимальное и минимальное значение на графике Rz. У нас получается 150 Ом в максимуме и 40 Ом в минимуме. Внутреннее сопротивление усилителя примем как 60 Ом. У нас получается два соотношения сопротивлений, внутреннего усилителя к Rz, это 60/150=0.4 и 60/40=1.5.
Мы получаем пересечения в 3 и 8 дБ. Их разница составит 5 дБ.
Теперь для данного случая разница между минимумом и максимумом составит 5 дБ. Аналогичным образом можно вычислить и для других значений выходного сопротивления. Для 0 Ом получим 0 дБ, для 25 Ом получим 3 дБ, для 100 Ом - 6,5 дБ, а для 300 Ом - 9 дБ.
