Сложение сигналов антенн

В сокращении.Смотреть материал полностью тут http://hammania.net/index.php/uhfvhf-antennas/slozhenie-signalov-na-ukv

Я уже много рассказал здесь о том, как можно услышать спутники, как можно сделать антенну специально для этого, и, конечно, тут же рассказал, что нет пределов фантазии человеческой в части приспособлений для улучшения уровня сигналов принимаемых со спутников.  Тут на сайте, в разделе «Азы космического радио» я описывал не одну конструкцию хитроумных антенн, улучшающих качество приёма. Однако, если вы посещаете и другие сайты этой тематики, то наверняка видели огромные антенные системы, где антенны объединены в ряды и по горизонтали и по вертикали….

Делается это с целью сложения очень слабых электрических сигналов со многих одиночных антенн на один кабель, который и подключен к нашему приёмнику. Но просто так соединить кабеля не получится. Сигналы нужно складывать так, чтобы они при сложении усиливались, а не ослабевали, то есть складывать их синфазно. Синфазно – это значит, что колебания (максимумы и минимумы) должны совпадать во времени, по фазе. Вот тут и начинаются проблемы.  А как складывать их, сигналы, если их максимумы и минимумы не совпадают?  Если длины волн у них разные? Ответ один – никак.  Поэтому главная проблема при сложении сигналов с нескольких антенн – разбежность частот сигналов. Или попросту говоря складывать можно только сигналы близкие по частоте. Для нас, радиолюбителей означает, что только на одном диапазоне. Это первое. Второе, не менее важное правило, которое нужно помнить: антенны должны находится на определённом расстоянии одна от другой, чтобы получить совмещение синусоид радиоволн. Вот таблица, в которой показано какое максимальное усиление можно получить, если располагать антенны на определённом расстоянии одна от другой (в данном случае для диапазона 2 метра)

Из таблицы видно, что максимальное усиление может достигать почти 5 дБ, но  этот максимум совсем не на расстоянии в одну длину волны, а около 0,6 длинны волны. (обратите внимание на то что расстояние в дюймах, лень было перерисовывать картинку, она из журнала  : - ) Это связано с тем, что сигналы в точку сложения попадают, пройдя еще и кабель. Или кабели. И вот тут мы точно увидим, что дело это не простое. Мы уже точно знаем, что очень важно, чтобы волновое (комплексное) сопротивление антенн было равным волновому сопротивлению линии передачи до приёмника (передатчика). Только в этом случае приём будет наилучшим. А в случае суммирования сигналов, аналогично закону Ома, общее сопротивление, например двух антенн, будет в два раза меньше.  А величина волнового сопротивления кабеля снижения к приёмнику остаётся прежней – 50 ом. Совершенно очевидно, что надо применять специальные меры, чтобы сложить сигналы на одну нагрузку – кабель снижения.  Но наука эту проблему давно решила. Есть достаточно сложные способы, а есть попроще, но от этого не менее эффективные.

Начнём, конечно, с простого: соединим две антенны.  Предположим у нас есть две антенны. Пусть это будут две простые коллинеарные антенны. Хотя с точки зрения объединения антенн важны только их сопротивления. Это почти всегда 50 Ом. Точно так же можно объединить любые другие антенны, лишь бы они были одинакового сопротивления и расположены на нужном расстоянии одна от другой.  Например, мы хотим иметь максимальный сигнал в направлении областного репитера. Располагаем две антенны в одну линию, направленную на репитер, отмеряем расстояние между ними равное 0,6 длинны волны, в нашем случае это 1240 мм, и, очень важно, отмеряем два совершенно одинаковых отрезка 50-ти Омного кабеля, позволяющие свести их концы в одном месте. То есть немного больше чем половина расстояния между антеннами. Если мы сможем найти T-образные тройники – хорошо. Если нет, не беда. Кабели просто распаиваются и заливаются каким-либо компаундом, можно даже обыкновенным герметиком.  Далее существует два способа. Первый – соединить оба кабеля между собой и применить трансформатор сопротивлений из двух параллельно распаянных отрезков 75-ти Омного кабеля длинной в четверть волны на рабочей частоте.  Это 515 мм, но не забываем про коэффициент укорочения (для стандартного RG-59  К=0,66) и получаем величину в 340 мм.  Рисунок А

 Это – низкоомный вариант. Особенности: несколько меньший коэффициент усиления системы, но вместе с тем меньшее количество помех (и шума).   Второй вариант – трансформация в сторону увеличения волнового сопротивления и последующего его преобразования к 50-ти Омному сопротивлению кабеля снижения. Четвертьволновой отрезок  75-омного кабеля включенный после отрезка кабеля в 50 Ом трансформирует волновое сопротивление в 110 Ом. Соединяя два таких сопротивления паралельно снова получаем 50  Ом.  Рисунок B. В данном случае особенности противоположного значения, и, несколько более выгодная конфигурация – тройник только один. И его можно заменить обычной пайкой.  :-)  Не забудьте, что длины 50-ти омных отрезков от антенн должны быть одинаковыми.  А если мы по прежнему хотим сохранить круговую диаграмму направленности? Нет ничего проще: разносим антенны на 0,6 волны по вертикали. Ха, скажете вы, а как это сделать для коллинеарных антенн? И я тут же с вами соглашусь: никак.

Придётся выбрать  другие антенны. Например, уже описанные выше квадрифилярные. Но, на самом деле эти антенны можно (и нужно) суммировать в систему 2+2 х 2+2. Это значит две вертикально фазированные антенны плюс две такие же, но фазировать будем уже 2 по 2 и  горизонтально.  Дело в том, что спутники, по крайней мере те, что интересны нам, всегда летают под углом к экватору. То есть диаграмма направленности нашей спутниковой системы антенн вытянутая вдоль экватора более предпочтительная. А как  соединить в один два 50-ти Омных кабеля с сигналами мы уже знаем.

Принцип закона Ома можно использовать и далее. Например очеень удобно складывать сигналы с полуволновых петлевых вибраторов.  Сопротивление каждого равно 292 Ома. Почти 300 Ом. Если просто поделить его на 6, то получим величину очень близкую к волновому сопротивлению кабеля - 48,666(6).  При этом КСВ составит 1,03, что нас вполне устраивает.  Для простого объединения шести полуволновых вибраторов в одну антенну их следует соединить 50-ти омными отрезками равной длинны кратными полуволне. То есть, если описывать это языком науки длинна равно 2N+1, где N - динна полуволны на рабочей частоте.  Дело в том, что менно такой длинны отрезок точно передаёт сопротивление с одной стороны на другую.

Все кабели соединяются в одной точке и туда же припаивается кабель снижения. Конечно, лучше использовать какое-нибудь коммутирующее устройство. Например коробку антенного разветвителя. Или самодельную конструкцию,  дающую механическую прочность и защиту от попадания влаги.  Ну и, уж коли разговор зашёл о практической конструкции, следует помнить, что вибраторы крайне желательно симметрировать. Например так, как показано на рисунке. Точка Б - точка нулевого потенциала, возможное место крепления вибратора к несущей кострукции, мачте, например. Но если мачта металлическая, то вибраторы следует располагать на расстоянии от мачты не ближе чем четверть волны. Иначе резонанс вибраторов сильно сместится вверх - возможно даже на несколько мегагерц.
  На самом деле на УКВ всё сложнее. И приходится применять специальные меры и расчёты.
      Теперь мы вооружены познаниями для того чтобы попробовать улучшить параметры своего радиоцентра. :-)