Περί συντονισμού και προσαρμογής κεραιών

[matthew]

Για την βέλτιστη λειτουργία και την μέγιστη απόδοση ενός κεραιοσυστήματος απαιτούνται δύο βασικές προϋποθέσεις. Πρώτον ο συντονισμός της κεραίας στην συχνότητα λειτουργίας (εκπομπή-λήψη) και δεύτερον η σωστή προσαρμογή της κεραίας στην γραμμή μεταφοράς. Ο συντονισμός και η προσαρμογή είναι εντελώς διαφορετικά φαινόμενα, τα οποία όμως σχετίζονται μεταξύ τους όπως θα δούμε παρακάτω.

Συντονισμός κεραίας
Για να κατανοήσουμε τι είναι ο συντονισμός κεραίας, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε τον τρόπο λειτουργίας της κεραίας. Σύμφωνα λοιπόν με τη φυσική, για να υπάρξει συντονισμός σε ένα σύστημα πρέπει να προϋπάρξει ταλάντωση και μάλιστα εξαναγκασμένη. Έχουμε δηλαδή ένα σύστημα που αποτελείται από τον διεγέρτη και τον ταλαντωτή. Ο διεγέρτης ξεκινά και διεγείρει περιοδικά τον ταλαντωτή ο οποίος έτσι ταλαντώνεται γύρω από μία θέση ισορροπίας. Όταν η συχνότητα ταλάντωσης του ταλαντωτή γίνει ίση με τη συχνότητα του διεγέρτη, τότε λέμε ότι επέρχεται συντονισμός και το σύστημα αποκτά το μέγιστο πλάτος ταλάντωσης. Η κεραία λοιπόν παίζει το ρόλο της πλατφόρμας επάνω στην οποία ταλαντώνονται τα ηλεκτρικά φορτία. Εδώ τον ρόλο του διεγέρτη τον έχει η τάση μέσω της διαφοράς δυναμικού και τον ρόλο του ταλαντωτή τον έχει το ρεύμα δηλαδή το ηλεκτρικό φορτίο. Η εναλλασσόμενη τάση λοιπόν μέσω της περιοδικής εναλλαγής της πολικότητάς της, διεγείρει το ρεύμα το οποίο ταλαντώνεται επάνω στην κεραία. Έτσι λοιπόν μέσω της ταλάντωσης των ηλεκτρικών φορτίων (ελεύθερων ηλεκτρονίων επάνω στην επιφάνεια της κεραίας) δημιουργείται σύμφωνα με τις εξισώσεις του Maxwell και το αντίστοιχο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο γύρω από την κεραία το οποίο είναι χρονικά μεταβαλλόμενο, που σημαίνει ότι ταλαντώνονται τα συστατικά του, δηλαδή τα διανύσματα του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου. Για να έχουμε συγχρονισμό των διανυσμάτων αυτών ώστε να μην υπάρχει διαφορά φάσης μεταξύ τους και να μην προπορεύεται το ένα από τα δύο συστατικά του πεδίου, θα πρέπει η κεραία να είναι συντονισμένη στη συχνότητα λειτουργίας. Περισσότερα σχετικά εδώ: https://www.hlektronika.gr/forum/sho...d.php?t=101687
Τι σημαίνει αυτό; Είτε να έχει κάποιες συγκεκριμένες γεωμετρικές διαστάσεις οι οποίες είναι υποπολλαπλάσια ή πολλαπλάσια του μήκους κύματος που αντιστοιχεί στη συχνότητα ταλάντωσης, είτε να συντονίζεται με αναλογικά κυκλώματα (antenna tuners). Με αυτό τον τρόπο λέμε ότι η κεραία είναι συντονισμένη στη συχνότητα λειτουργίας και δεν εμφανίζεται επάνω της αντίδραση γιατί δεν παγιδεύεται RF με τη μορφή άεργης ισχύος δίπλα από την κεραία, η οποία RF δεν μπορεί να ακτινοβοληθεί.
Συντονισμός κεραίας σε συγκεκριμένη συχνότητα λειτουργίας δηλαδή, είναι η εξουδετέρωση της αντίδρασης που εμφανίζεται επάνω στην κεραία από μια ποσότητα της RF η οποία δεν ακτινοβολείται και διαρρέει προς τη Γη (I3).

Προσαρμογή κεραίας στη γραμμή μεταφοράς
Κάθε στοιχείο ενός κεραιοσυστήματος εμφανίζει μια σύνθετη αντίσταση (*) η οποία έχει τη μορφή Z = R + jX όπου R είναι το πραγματικό μέρος (το οποίο είναι ισοδύναμο μέγεθος όπως θα δούμε παρακάτω) και jX το φανταστικό μέρος το οποίο αντικατοπτρίζει τις απώλειες ενέργειας λόγω ανακλάσεων εξαιτίας του διαφορετικού δείκτη διάθλασης στην RF που έχει το κάθε στοιχείο του κεραιοσυστήματος, με εξαίρεση την κεραία όπου αντιπροσωπεύει την άεργη ισχύ γύρω της που δεν ακτινοβολείται και διαρρέει προς τη Γη (I3). Στην πράξη επιδιώκουμε να μηδενίζουμε το φανταστικό μέρος ώστε να μπορούμε μετά να προσαρμόζουμε μεταξύ τους τα πραγματικά μέρη των στοιχείων που αποτελούν το κεραιοσύστημα. Αν οι αντιστάσεις που εμφανίζουν τα στοιχεία μεταξύ τους είναι διαφορετικές, τότε λόγω μη σωστής προσαρμογής μεταξύ τους ένα ποσοστό της RF (εξαρτάται από το πόσο μεγάλη είναι η διαφορά μεταξύ των εμφανιζόμενων αντιστάσεων) ανακλάται στο σημείο σύνδεσης των στοιχείων και επιστρέφει πίσω. Έτσι έχουμε δύο κύματα ίδιας συχνότητας τα οποία διαδίδονται στον ίδιο χώρο δημιουργώντας το φαινόμενο της συμβολής. Το αποτέλεσμα είναι η εμφάνιση στάσιμων κυμάτων μέσα στα στοιχεία της γραμμής μεταφοράς, τα οποία στάσιμα κύματα καταπονούν θερμικά τα στοιχεία αυτά εφόσον ένα σημαντικό ποσοστό της RF μετατρέπεται σε θερμότητα αφού δεν μπορεί να μεταβεί στην κεραία για να ακτινοβοληθεί. Ακόμη τα στάσιμα κύματα καταπονούν και την έξοδο του πομπού προκαλώντας κόπωση και εκφυλισμό στα εξαρτήματα της βαθμίδας εξόδου του. Για την προσαρμογή των κεραιών στις γραμμές μεταφοράς και την μετάδοση της μέγιστης δυνατής ποσότητας ενέργειας προς ακτινοβολία όταν οι κεραίες εμφανίζουν διαφορετικές τιμές σύνθετων αντιστάσεων από τις γραμμές μεταφοράς, χρησιμοποιούμε συσκευές BalUn ή UnUn ανάλογα με τον τύπο της γραμμής μεταφοράς και της κεραίας, οι οποίες συσκευές είναι στην ουσία μετασχηματιστές σύνθετων αντιστάσεων (impedance transformers). Έτσι αποφεύγουμε την εμφάνιση ανακλάσεων στις συνδέσεις των κεραιών με τις γραμμές μεταφοράς και κατά συνέπεια την δημιουργία στάσιμων κυμάτων στις τελευταίες.

Οριακές περιπτώσεις
Με βάση τα παραπάνω λοιπόν, διακρίνουμε γενικά τρεις οριακές περιπτώσεις όσον αφορά τον συντονισμό και την προσαρμογή των κεραιών.

Στην πρώτη περίπτωση έχουμε κεραία συντονισμένη στη συχνότητα λειτουργίας και σωστά προσαρμοσμένη στη γραμμή μεταφοράς. Είναι η ιδανική περίπτωση που επιδιώκουμε τελικά, με τις ελάχιστες δυνατές απώλειες και τη μέγιστη απόδοση.

Στην δεύτερη περίπτωση έχουμε κεραία συντονισμένη στη συχνότητα λειτουργίας, αλλά όχι σωστά προσαρμοσμένη στη γραμμή μεταφοράς. Στην περίπτωση αυτή έχουμε τη δημιουργία στάσιμων κυμάτων στη γραμμή μεταφοράς και μετατροπής της RF σε θερμότητα λόγω κακής προσαρμογής όπως αναφέραμε πριν, αλλά όμως η κεραία εκπέμπει κανονικά όλη την RF που θα παραλάβει στην είσοδό της (όση διαφύγει από την ανάκλαση στο σημείο σύνδεσης με την γραμμή μεταφοράς) εφόσον είναι συντονισμένη.

Στην τρίτη (και χειρότερη) περίπτωση έχουμε κεραία που δεν είναι συντονισμένη στη συχνότητα λειτουργίας. Εδώ πλέον λόγω μη συντονισμού ένα ποσοστό της RF που φτάνει στην κεραία δεν εκπέμπεται αλλά διαρρέει προς τη Γη (γνωστό και ως ρεύμα I3, όπου στην
ουσία είναι η άεργη ισχύς που δεν μπορεί να ακτινοβοληθεί όπως αναφέραμε). Ακόμη, η διαρροή της RF αλλάζει τη σύνθετη αντίσταση στην είσοδο της κεραίας χαλώντας έτσι την προσαρμογή της, δημιουργώντας επιπλέον και στάσιμα κύματα στη γραμμή μεταφοράς (εδώ είναι που σχετίζεται ο συντονισμός με την προσαρμογή όπως αναφέραμε στην αρχή του άρθρου). Έχουμε και επιστροφή της RF και στάσιμα κύματα ταυτόχρονα, διπλό το κακό δηλαδή. Σε αυτή την περίπτωση δεν έχει καν νόημα να προσπαθήσουμε να προσαρμόσουμε την κεραία, γιατί αν δεν την συντονίσουμε πρώτα ώστε να σταματήσει η διαρροή της RF, ότι άλλο και να κάνουμε για να την προσαρμόσουμε, δεν θα το καταφέρουμε ποτέ όσο η κεραία παραμένει ασυντόνιστη.

Συμπεράσματα
1). Ο συντονισμός και η προσαρμογή κεραιών είναι οι δύο διαφορετικές όψεις του ίδιου νομίσματος γιατί σχετίζονται μεταξύ τους έστω και σε μία από τις τρεις οριακές περιπτώσεις. Αυτή η σχέση ισορροπίας μεταξύ τους επηρεάζει άμεσα την σωστή λειτουργία και την
βέλτιστη απόδοση των κεραιοσυστημάτων.

2). Η φύση αυτών των δύο φαινομένων καθώς και η μονόδρομη σχέση μεταξύ τους, υποδεικνύει και τη σειρά προτεραιότητας τους. Δηλαδή πρώτα συντονίζουμε και μετά προσαρμόζουμε, καθώς το αντίθετο είναι αδύνατο να γίνει όπως προκύπτει και από τις
οριακές περιπτώσεις πιο πάνω.

(*) Διευκρινήσεις
Μερικές διευκρινήσεις για το θέμα των αντιστάσεων που εμφανίζουν τα στοιχεία ενός κεραιοσυστήματος. Ακούμε και διαβάζουμε περί αντιστάσεων σε κονέκτορες, αντάπτορες, κεραίες, εξόδους πομπών, γραμμών μεταφοράς κλπ με τιμές 50 Ωμ (σε ομοαξονικά καλώδια
και 75 Ωμ και σε ανοιχτές γραμμές 300 Ωμ, 450 Ωμ και 600 Ωμ). Τι είναι αυτές οι αντιστάσεις; Πρώτα απ’ όλα, αυτές οι αντιστάσεις δεν είναι ωμικές. Ωμικές θα γινόντουσαν αν τα στοιχεία και συγκεκριμένα οι γραμμές μεταφοράς είχαν άπειρο μήκος. Στην πράξη όμως τα μήκη είναι πεπερασμένα και επομένως δεν εμφανίζουν ωμική συμπεριφορά. Άλλωστε αν εμφάνιζαν ωμική συμπεριφορά, τότε όλα τα στοιχεία θα συμπεριφέρονταν σαν τεχνητά φορτία και δεν θα είχαμε κεραιοσυστήματα αλλά ηλεκτρικές θερμάστρες. Με αυτή την έννοια δεν αποτελούν συγκεντρωμένες φυσικές οντότητες (όπως οι αντιστάτες των τεχνητών φορτίων), αλλά ισοδύναμα μεγέθη τα οποία χρησιμοποιούμε για να μελετήσουμε την συμπεριφορά αυτών των στοιχείων.
Βασικά οι κατασκευαστές δεν ερευνούν πως συμπεριφέρονται τα στοιχεία όταν τα δώσουν RF, αλλά ερευνούν πως συμπεριφέρεται η RF όταν τη στείλουν σε αυτά τα στοιχεία.
Οπότε, εξαιτίας του γεγονότος ότι δεν είναι ωμικές αντιστάσεις, οι κατασκευαστές δεν λένε πχ ότι αυτό το ομοαξονικό καλώδιο έχει αντίσταση 50 Ωμ. Λένε ότι εμφανίζει χαρακτηριστική αντίσταση 50 Ωμ.
https://en.wikipedia.org/wiki/Characteristic_impedance
Που και πότε όμως εμφανίζεται αυτή η χαρακτηριστική αντίσταση; Αυτή η χαρακτηριστική αντίσταση δεν εμφανίζεται μέσα στο καλώδιο. Εμφανίζεται επάνω στην ίδια την RF όταν περνάει μέσα από το καλώδιο και τα υπόλοιπα ενδιάμεσα στοιχεία, μέχρι να ακτινοβοληθεί από την κεραία. Με απλά λόγια, ακόμη και η RF εμφανίζει επάνω της σύνθετη αντίσταση καθώς διαδίδεται μέσα σε ένα μέσο, όπου η τιμή της σύνθετης αντίστασης που εμφανίζει εξαρτάται από το μέσο διάδοσης και μάλιστα είναι ίση με την χαρακτηριστική αντίσταση που εμφανίζει το ίδιο το μέσο διάδοσης.
Έτσι λοιπόν, όταν η RF περνάει μέσα από ένα ομοαξονικό καλώδιο 50 Ωμ, εμφανίζει επάνω της αυτή την τιμή χαρακτηριστικής αντίστασης. Μέσα από καλώδιο 75 Ωμ το ίδιο. Στις ανοιχτές γραμμές επίσης τις αντίστοιχες τιμές αυτών. Στον ελεύθερο χώρο η RF εμφανίζει χαρακτηριστική αντίσταση 377 Ωμ, μια τιμή που βρίσκεται στη μέση περίπου από τις γνωστές ανοιχτές γραμμές του εμπορίου που εμφανίζουν τιμές 300 Ωμ & 450 Ωμ (δηλαδή δεν επέλεξαν τυχαία αυτές τις τιμές οι κατασκευαστές του εμπορίου όπως θα δούμε παρακάτω).
https://en.wikipedia.org/wiki/Wave_impedance
Το ότι οι ανοιχτές γραμμές χρησιμοποιούν τον ελεύθερο χώρο σαν διηλεκτρικό ανάμεσα στους δύο αγωγούς, αιτιολογεί γιατί εμφανίζουν τόσο υψηλές τιμές χαρακτηριστικών αντιστάσεων σε σχέση με τα ομοαξονικά καλώδια. Ακόμη, η χρήση του ελεύθερου χώρου σαν διηλεκτρικό προσδίδει επίσης στις ανοιχτές γραμμές και τον πολύ υψηλό συντελεστή βράχυνσης (Velocity Factor), με την ταχύτητα της RF να φτάνει σε μερικές περιπτώσεις μέχρι και το 99% της ταχύτητας του φωτός στο κενό, περιορίζοντας έτσι στο ελάχιστο δυνατό τις απώλειες κατά τη μεταφορά της RF στην κεραία σε σχέση με τα ομοαξονικά καλώδια που έχουν χαμηλότερο VF.
Συνεπώς, η ιδανική γραμμή μεταφοράς εμφανίζει χαρακτηριστική αντίσταση ίση με αυτή που εμφανίζει η RF όταν διαδίδεται στον ελεύθερο χώρο, δηλαδή 377 Ωμ.
https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_of_free_space

SV4NLA

[Ακρίτας]

Συγχαρητήρια για το κουράγιο σου να επαναφέρεις το θέμα.

[SeAfasia]

Συγχαρητήρια και από μένα Ματθαίε..
de SV3IRG Dinos 73

[matthew]

Προσπάθησα να εκλαϊκεύσω το άρθρο όσο γινόταν, ώστε να είναι κατανοητό στον περισσότερο κόσμο. Για να κατανοήσουμε τα φαινόμενα ακολουθούμε τη φυσική. Follow the physics!
Εδώ στον ραδιοερασιτεχνισμό ασχολούμαστε με δύο μεγάλα κεφάλαια της φυσικής. Πρώτον ο ηλεκτρομαγνητισμός και δεύτερον η κυματική (ο κλάδος που μελετάει τα κύματα). Και στην πράξη βέβαια παίζει και μπόλικη μηχανική (κατασκευές).

[SeAfasia]

.....βάλε και ένα λινεαρ μετά,κανά κιλό και είμαστε οκ....
μια χαρά τα εξηγείς Ματθαίε και σε ευχαριστώ...
Dinos

[matthew]

.....βάλε και ένα λινεαρ μετά,κανά κιλό και είμαστε οκ....

Ναι, τα ηλεκτρολογικά και τα ηλεκτρονικά θέματα υπάγονται γενικά στον ηλεκτρομαγνητισμό που ανέφερα.

μια χαρά τα εξηγείς Ματθαίε και σε ευχαριστώ...
Dinos

Ντίνο. 73

Συγχαρητήρια για το κουράγιο σου να επαναφέρεις το θέμα.

Ευχαριστώ Γιώργο! Να είμαστε καλά και να χαιρόμαστε το χόμπι όλοι!

[steliosb]

Συγχαρητήρια και από εμένα για την παρουσίαση του θέματος.
Μία παρατήρηση όμως με κάθε επιφύλαξη , το κυκλώματα antena tuner δεν είναι κυκλώματα συντονισμού αλλά προσαρμογής των συνθέτων αντιστάσεων.

[matthew]

Συγχαρητήρια και από εμένα για την παρουσίαση του θέματος.
Μία παρατήρηση όμως με κάθε επιφύλαξη , το κυκλώματα antena tuner δεν είναι κυκλώματα συντονισμού αλλά προσαρμογής των συνθέτων αντιστάσεων.

Ευχαριστώ! Εύστοχη παρατήρηση! Ναι, ισχύει αυτό και αναλύεται στο άρθρο του SV1BAC εδώ: https://aegeandxgroup.gr/dx-pdf/SV1B...F%85%CE%BD.pdf
Λόγω του (παραπλανητικού) τίτλου που έχουν δώσει στα antenna tuners, κάποιοι ραδιοερασιτέχνες μπερδεύουν την προσαρμογή της κεραίας με τον συντονισμό της (αυτός είναι και ο λόγος που έγινε το παρόν θέμα).
"There are a variety of devices used between a source of energy and a load that perform "impedance matching". To match electrical impedances, engineers use combinations of transformers, resistors, inductors, capacitors and transmission lines. These passive (and active) impedance-matching devices are optimized for different applications and include baluns, antenna tuners (sometimes called ATUs or roller-coasters, because of their appearance), acoustic horns, matching networks, and terminators."
https://en.wikipedia.org/wiki/Impedance_matching
"The other approach is to use a device called an antenna tuner to transform the impedance of the antenna system to 50 ohms for your radio without physically adjusting the antenna at all. An antenna tuner is a kind of adjustable impedance transformer."
https://www.arrl.org/feed-lines

[Ακρίτας]

Μια παρατήρηση για το παραπάνω: Στις πιο παλιές εκδόσεις της ARRL δεν υπάρχει ο όρος "TUNER" (σε ότι αφορά τα "συντονιστικά" των κεραιών) αλλά ο όρος "TRANSMATCH" κατά την άποψή μου πιο σωστός.

Και μια μικρή συμβολή από εμένα επάνω στο θέμα:


Όπως περιγράφεται αναλυτικά στην αρχική ανάρτηση, κάθε μη καθαρά ωμικό φορτίο (όπως μια κεραία που τροφοδοτείται με RF) παρουσιάζει στην είσοδό του μια σύνθετη αντίσταση (impedance, εμπέδηση) που έχει μορφή μιγαδικού αριθμού, δηλαδή X ± jY, όπου Χ είναι το πραγματικό μέρος(resistance, αντίσταση) και Υ το φανταστικό (reactance, αντίδραση). Μερικές διευκρινήσεις επάνω σε αυτό:

-Στα μαθηματικά το σύμβολο του φανταστικού είναι το (i). Στα ηλεκτρονικά χρησιμοποιούμε το (j) για να μην υπάρχει σύγχυση με το ρεύμα.

-«Δεν χρειάζεται να ασχοληθούμε με το φανταστικό μέρος αφού δεν είναι πραγματικό» (μετάφραση από ξένη ιστοσελίδα ραδιοερασιτεχνικού περιεχομένου). Μέγα λάθος. Μπορεί στα μαθηματικά η έννοια του φανταστικού αριθμού να είναι κάπως δυσνόητη, στα ηλεκτρονικά όμως είναι πολύ συγκεκριμένη: δηλώνει αν το φορτίο μας έχει επαγωγική (+Υ) ή χωρητική ( -Υ) συμπεριφορά.

Τελικά, ποια είναι η «αντίσταση» (εμπέδηση είναι ο σωστός όρος) που «βλέπει» η πηγή μας (ο πομπός στην κεραία για παράδειγμα); Είναι το μέτρο του μιγαδικού αριθμού που αντιπροσωπεύει τη σύνθετη αντίσταση της κεραίας, δηλαδή Vˆš(Χ²±Υ²) (V είναι η τετραγωνική ρίζα, έχασα το σύμβολο).

Παράδειγμα: Μια κεραία μετρήθηκε και παρουσιάζει στο σημείο τροφοδοσίας της σύνθετη αντίσταση 50Ω + j100Ω. Η συνολική εμπέδηση που βλέπει η έξοδος του πομπού είναι 112Ω και η κεραία μας έχει επαγωγική συμπεριφορά. Εδώ είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι μεταφορά ενέργειας (ισχύος) έχουμε μόνο στο πραγματικό μέρος της σύνθετης αντίστασης (αυτό δεν σημαίνει ότι είναι ωμική) διότι στο φανταστικό μέρος η τάση και το ρεύμα βρίσκονται σε διαφορά φάσης 90°.

Ακούμε και ενδεχομένως διαβάζουμε ότι για να έχουμε τη μέγιστη μεταφορά ισχύος από τον πομπό στη κεραία η σύνθετη αντίσταση εξόδου του πομπού θα πρέπει να είναι ίση με τη σύνθετη αντίσταση της κεραίας (ας αγνοήσουμε προς το παρόν τη γραμμή μεταφοράς).

Ακόμα ένα ΛΑΘΟΣ (είναι όμως σωστό για καθαρά ωμικά φορτία). Η μέγιστη μεταφορά ενέργειας (ισχύος) επιτυγχάνεται όταν η σύνθετη αντίσταση της πηγής και η σύνθετη αντίσταση του φορτίου αντιπροσωπεύονται από συζυγείς μιγαδικούς αριθμούς, δηλαδή Χπηγής = Χφορτίου και jYπηγής = -jYφορτίου. Όταν ισχύει αυτή η συνθήκη τα δυο φανταστικά μέρη μηδενίζονται και στη μεταφορά ενέργειας εμφανίζονται μόνο τα πραγματικά μέρη (στη πράξη η χωρητικότητα ισοφαρίζει την αυτεπαγωγή).

Και γιατί μας ενδιαφέρουν όλα αυτά;

Αν θέλουμε απλώς να πατάμε το press και όλα τα υπόλοιπα να τα αναλαμβάνουν τα κάπλερ, τιούνερ, balun (επιτέλους, όχι balloon) και τα σχετικά, δεν μας ενδιαφέρουν καθόλου (αλλά θα πρέπει να φροντίσουμε όλα αυτά τα «συντονιστικά» να έχουν πηνία με χοντρό σύρμα). Για όλους τους άλλους, ένα παράδειγμα για το πώς μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε στην πράξη σε επόμενη ανάρτηση.

[kiros]

Ερώτηση άσχετου. Πως γίνεται ένας πομποδέκτης 100w να έχει την ίδια αντίσταση 50 Ohm από 0W έως τα 100W.