10.3. Фидерные линии
Фидер (в радиотехнике) — линия, предназначенная для передачи электрических колебаний высокой частоты. Поэтому любые провода, с помощью которых антенна подключается к телевизору, являются фидером, или фидерной линией. Назначение фидера состоит в передаче энергии высокой частоты от антенны к телевизионному приемнику с минимальными потерями. Фидерная линия должна удовлетворять следующим требованиям: не возбуждаться под действием электромагнитного поля (не обладать «антенным эффектом»); пропускать нужную полосу частот; иметь параметры, обеспечивающие легкость согласования ее с антенной или телевизором.
Иногда в качестве фидера используют телефонный кабель, электроосветительный шнур, сплетенные монтажные провода и т. п. (рис. 10.5, а). Качество таких самодельных фидеров невысокое.
Электромагнитное поле высокочастотных колебаний, передаваемых по такой линии, не имеет четко выраженной границы, которая отделяла бы его от окружающего поля. Часть энергии рассеивается в пространстве, причем с повышением частоты эти потери возрас-
тают. Открытая линия не только является источником помех, но и сама воспринимает их от других источников излучения. Поэтому их можно использовать в исключительных случаях, временно и только в условиях ближнего приема.
Если линию обнести металлическим экраном, то электромагнитная энергия не будет излучаться в окружающее пространство и наоборот. В линии, ограниченной экраном, можно вместо двух проводов использовать один, а в качестве второго провода будет служить экран. Такая линия называется несимметричной экранированной.
Если ось внутреннего проводника несимметричной линии, имеющего вид цилиндра, и ось экрана совпадают, такую линию называют коаксиальной. Входы всех современных телевизоров рассчитаны на подключение несимметричного коаксиального фидера (рис. 10.5, б).
Кроме полиэтилена 1 для изоляции в радиотехнических кабелях можно использовать и другие материалы: 2 — фторопласт (фторлон); 3 — полистирол; 4 — полипропилен и его смеси; 5 — резина; 6 — неорганическая изоляция. Электрические и конструктивные характеристики некоторых кабелей типа РК приведены в табл. 10.4.
Каждому кабелю присвоено условное обозначение, которое включает буквы, обозначающие марку кабеля,— РК (радиочастотный коаксиальный) и три числа. Первое число указывает на величину номинального волнового сопротивления, второе — на величину номинального диаметра по изоляции, округленную для диаметра 2 мм до ближайшего целого числа, третье число — двух- или трехзначное. Первая цифра указывает на материал изоляции кабеля, а последующие обозначают порядковый номер конструкции кабеля. Например, РК-75-4-15 обозначает: радиочастотный коаксиальный кабель с номинальным волновым сопротивлением 75 Ом, с номинальным диаметром по изоляции 4 мм, изоляция из полиэтилена (1), порядковый номер конструкции 5.
Фидерные линии характеризуются следующими параметрами: волновым сопротивлением, постоянной затухания, коэффициентом укорочения длины волны, электрической длиной.
Волновое сопротивление фидерной (или длинной) линии — это отношение напряженности электрического поля в какой-то точке поперечного сечения линии к напряженности магнитного поля в той же точке в случае, когда электромагнитная волна при распространении вдоль кабеля не испытывает отражений.
Примечание: М — медная проволока; МС — посеребренная медная проволока; БС — посеребренная бронзовая проволока; П — полиэтилен; В — поливинил-хлоридный пластикат; ОМ — оплетка медной проволокой; ОМС — оплетка посеребренной медной проволокой; ДОМ — двойная оплетка мелкой проволокой; ДОМЛ — двойная оплетка луженой медной проволокой; ОМЛ — оплетка луженой медной проволокой; ПМП — повив из медных прямоугольных проволок.
Для кабелей типа РК установлены следующие ряды номинального волнового сопротивления: 50, 75, 100 и 200 Ом.
Так как индуктивность и емкость линии зависят от ее геометрических размеров, волновое сопротивление можно вычислить, используя эти величины. Аля этого необходимо снять с конца кабеля наружную защитную оболочку, завернуть оплетку и штангенциркулем или микрометром измерить диаметр внутренней полиэтиленовой изоляции. Затем, сняв изоляцию, нужно измерить диаметр центрального проводника. Точное значение волнового сопротивления коаксиального кабеля со сплошной полиэтиленовой изоляцией можно рассчитать по формуле
W=91lg(D/d),
где W—волновое сопротивление кабеля, Ом; D—диаметр внутренней полиэтиленовой изоляции, мм; d— диаметр центрального проводника кабеля, мм.
Волновое сопротивление коаксиального кабеля со сплошной полиэтиленовой изоляцией несложно определить с достаточной степенью точности по графику (рис. 10.6): если D/d =3,3...3,7, кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом, если D/d = 6,5...6,9, волновое сопротивление составляет 75 Ом.
Постоянная затухания кабеля характеризует снижение напряжения по мере распространения электромагнитных колебаний вдоль линии. Это происходит за счет потери энергии на активном сопротивлении проводов кабеля и потерь в диэлектрике (изоляции). Затухание в проводах зависит также от удельного сопротивления металла проводов (чем меньше их удельное сопротивление, тем меньшими в них будут потери), геометрических размеров поперечного сечения кабеля и частоты электромагнитных колебаний.
Затухание выражается в децибелах. Чтобы определить погонное затухание в фидере антенны, следует умножить
величину затухания на длину кабеля в метрах. Затухание в коаксиальном кабеле возрастает с увеличением частоты (рис 10.7).
Коэффициент укорочения длины волны характеризует уменьшение скорости радиоволны в кабеле по сравнению со скоростью в свободном пространстве при заполнении его диэлектриком с диэлектрической проницаемостью е>1. Со снижением скорости распространения радиоволны уменьшается и ее длина. Значит, длина волны в фидере, заполненном диэлектриком, меньше, чем в свободном пространстве.
Величина, показывающая, во сколько раз длина волны в линии, заполненной диэлектриком с e > 1, меньше длины волны в воздухе, называется коэффициентом укорочения длины волны. Для линий со сплошным диэлектриком, в частности для коаксиальных кабелей, коэффициент укорочения в=е^0.5 . Длину волны в кабеле Lk можно определить с помощью длины волны в воздухе Lсв по формуле
В большинстве коаксиальных кабелей в качестве изоляции между центральным и наружными проводами используется полиэтилен, диэлектрическая постоянная которого е=2,3. Коэффициент укорочения для этих кабелей составляет 1,52. В некоторых коаксиальных кабелях изоляцией служит пористый полиэтилен, включающий мельчайшие пузырьки воздуха. Коэффициент укорочения в этих кабелях равен примерно 1,25.
Электрическая длина волны кабеля определяет сдвиг фазы высокочастотного напряжения при распространении его по кабелю. При изготовлении согласующих и симметрирующих устройств телевизионных антенн, а также в соединительных линиях синфазных антенн часто нужно определить длину волны отрезка кабеля, который обеспечивает необходимый сдвиг фазы высокочастотного напряжения.
Электрическая длина фидера всегда больше геометрической. Например, если отрезок кабеля имеет длину половины волны, то его электрическая длина составляет только три четверти волны.
Отрезок длинной линии может резонировать на определенных частотах. Как и колебательный контур, он характеризуется входным сопротивлением, которое зависит от длины отрезка. В линии с бегущими волнами тока и напряжения, когда нагрузочное и волновое сопротивления линии равны, входное сопротивление на концах равно волновому независимо от ее длины. В замкнутой или разомкнутой линии входное сопротивление является реактивным и зависит от длины волны, принимая значения от нуля до бесконечности.
Так, например, у разомкнутой линии Rвx=0 при длине волны, равной L/4,L*3/4, L*5/4 и т. д., т. е. при нечетном числе четвертей волн. У короткозамкнутой линии Rвх = 0 при длине волны, равной L/2, L, L*3/2 и т. д., т. е. при четном числе четвертей волн.
Входное сопротивление равно бесконечности у разомкнутой линии, которая имеет длину, кратную четному числу четвертей волн, и у короткозамкнутой, имеющей длину, кратную нечетному числу четвертей волн.
Резонансные свойства отрезков длинной линии широко используются в приемных телевизионных антеннах, согласующих и симметрирующих устройствах, фильтрах сложения, в высокочастотных каскадах в качестве резонансных контуров для приема на дециметровых волнах и др. Широкое применение получили четвертьволновые отрезки линий в качестве широкополосных трансформаторов для согласования входных сопротивлений антенн с волновым сопротивлением фидера.
Для распайки кабеля к штекеру или к распределительной коробке ТАКП с него снимают защитную оболочку на длину 50 мм и шилом расплетают оплетку, которую затем свивают в один или два жгута (для первого случая — два жгута, для второго — один). С центрального провода на расстоянии 15 мм снимают изоляцию. При этом во избежание повреждения центрального провода изоляцию лучше снимать чистым разогретым паяльником, обведя бороздку по ее окружности. Центральный провод и оплетку коаксиального кабеля необходимо облудить припоем ПОС-40.
Фидер антенны желательно выполнить из целого куска кабеля, так как соединение из двух или нескольких отрезков, как правило, нарушает однородность волнового сопротивления, что при большой длине фидера приводит к появлению отраженных сигналов.
Для соединения кабелей типа РК существует несколько способов. Наиболее простой из них — сращивание с помощью проволочного бандажа (рис. 10.8). При этом часть изоляции кабеля не восстанавливается, что приводит к нарушению волнового сопротивления в месте пайки, кроме того, возрастают потери сигнала. Поэтому такой способ сращивания кабелей пригоден только на частотах метровых волн (до 200...300 МГц). Однако его приходится использовать при соединении синфазных антенн, сборке фильтров сложения и других устройств.
Наиболее распространенный способ сращивания отрезков кабеля — в стык (рис. 10.9). Он используется на частотах MB и ДМВ диапазонов и осуществляется в четыре этапа. На первом этапе (на рис. не показан) на каждом из составляемых концов внешнюю оболочку разрезают на две части длиной по 80 мм, которые отгибают в противоположную от конца кабеля сторону и временно закрепляют. Медную оплетку на концах кабеля расплетают на 15 мм. Прядки оплетки отгибают в противоположную соединению сторону. Нерасплетенную часть оплетки сдвигают в ту же сторону. С каждого конца кабеля с центрального провода снимают изоляцию на 30 мм.
Внутренние проводники концов кабеля соединяют в навив, если центральный провод многопроволочный. Если он однопроволочный и достаточно толстый (например, у кабеля марки РК-75-9-12 диаметр внутреннего проводника равен 1,37 мм), то оба конца центрального провода следует спилить до половины с помощью надфиля примерно на 10 мм, залудить, а при пайке наложить один на другой, чтобы не было выступающих частей.
Если центральные провода тонкие, их можно сложить внахлест на 10 мм (заходят друг за друга), а затем произвести пайку. Предварительно место пайки покрывают флюсом из раствора канифоли в спирте. Место пайки центральных проводов лучше всего поместить в ванночку с расплавленным припоем ПОС-60 на 10...15 с. Пайку с помощью кислоты использовать не следует.
Далее необходимо восстановить изоляцию. В трубке делают продольный разрез и на место пайки надевают полиэтиленовую трубку из отходов кабеля длиной около 30 мм. Швы трубки и места соединения с изоляцией нагревают до растекания полиэтилена.
На следующем этапе сращивают оплетки кабелей. Для этого их снова сдвигают к концам кабелей. Концы оплеток для большей прочности можно обмотать несколькими витками луженой голой монтажной проволоки, а затем после обработки флюсом места соединения произвести пайку.
На последнем этапе на оплетку накладывают отогнутые концы защитной оболочки. При необходимости их укорачивают. Во избежание проникновения влаги внутрь кабеля мес-
то соединения поверх защитной оболочки обматывают двумя слоями изоляционной ленты марки ПХВ.
При установке антенны важно выбрать способ присоединения к ней кабеля, так как неприкрытые контакты наружной антенны, подвергаясь воздействию коррозии, могут значительно ухудшить качество ее работы. Для защиты контактов от воздействия влаги место соединения кабеля с антенной заключают в соединительную коробку, которая одновременно используется и для крепления вибратора к несущей траверсе (стреле) антенны. Для замедления окисления места соединения кабелей в соединительной коробке заливают стеарином, воском или эпоксидной смолой.
При наружной проводке кабель укладывают вдоль мачты и крепят к ней скобами в интервале 0.5...1 м. По ближайшему гребню крыши кабель подводят к кронштейну (рис. 10.10). Это устраняет трение кабеля о выступающие острые края кровли. Один из концов деревянной планки имеет вырез с
большим закруглением, предотвращающим излом кабеля при изгибе. Второй конец крепится к кронштейну двумя винтами под гайку. Планку устанавливают под углом 15...20 к плоскости крыши, чтобы на кабель не попали талые воды. Кронштейн прикрепляют к карнизу крыши. При большой длине кабеля для предупреждения обрыва от ветровой нагрузки его подвешивают на стальном тросе.
При пересечении с проводами электросети кабель прокладывают под ними в полутвердых изоляционных трубках. Расстояние между кабелем и проводами электросети, газовыми и водопроводными трубами должно быть не менее 200 мм.
К деревянной стене фидер присоединяют однолапчатыми скобами под шуруп, на бетонных или кирпичных стенах — дюбелями с волокнистым наполнителем. На прямолинейных участках проводки кабель крепится каждые 500 мм, на поворотах и изгибах — через 50...60 мм в зависимости от радиуса. Лапки скобок на углах должны быть повернуты внутрь угла.
Фидер заводится в комнату через отверстие в раме, просверленное под углом, чтобы дождевые капли не стекали внутрь рамы. Перед вводом в оконную раму кабель необходимо немного ослабить.
В жилых помещениях кабель прокладывают параллельно архитектурным линиям. При этом следует избегать резких перегибов кабеля и сжатия его скобками. Радиус изгиба не должен быть меньше, чем пятикратный диаметр кабеля. В комнатах и коридорах кабель прокладывают по напольным плинтусам. Конец кабеля длиной не менее 2 м оставляют свободным для включения в телевизор.