フィーダーアンテナ効果。スキーム、説明

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フィーダーアンテナ効果。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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アンテナフィーダーパスの通常の動作は、アマチュア無線局全体の有効性を大きく左右します。この記事で説明する効果は、ほとんどの実用的なアンテナ設計（工場で製造されたものを含む）に現れるため、大幅に減らすことができます。記事の最初の部分では、フィーダーアンテナ効果の原因と、アンテナフィーダーパスの動作に対するその影響について説明します。第XNUMX部では、この影響を排除するための実用的な推奨事項を示します。

ほぼすべての短波は、送信作業が家の電子機器に干渉する状況をよく認識しています。スイッチを入れた送信機の本体にネオンライトが当たると点灯し、受信にはローカル起源の強い干渉が伴います。これらは、長い間馴染みのある、しかし比較的研究されていないフィーダーアンテナ効果の最も印象的な兆候であり、その本質と特徴は記事に記載されています。

フィーダーのアンテナ効果の本質と原因

アンテナ効果は、これを目的としていない物体による電波の放射または受信の現象と呼ばれるのが通例です。給電線は、送信機からアンテナへ、またはアンテナから受信機へ高周波エネルギーを送信するためにのみ使用する必要があります。フィーダーアンテナ効果（AEF）の原因の検討は、送信モードから始まります。

知られているように、アンテナによって放射される電磁場は、アンテナを構成する導体を流れる交流によって生成されます。ほとんどの場合、アンテナは空きスペースにありません。そのすぐ近く (たとえば、波長 a 内) に多くの物体が存在する可能性があります。これらは、電力供給線、ラジオ放送と通信の電線、導電マスト、支柱と支線、パイプ、索具、付属品、車両の車体と胴体、建物の屋根と壁、運転者の体と地表です。。何らかの理由で周囲の物体に電流が発生した場合 (たとえば、アンテナの近接場によって誘導された場合)、これらの電流によって生成される放射場がアンテナ電流による場と加算されます。アンテナとその周囲を合わせてアンテナシステム（AS）と呼びます。このような条件下では、スピーカーの特性がアンテナ自体の計算された特性と大きく異なる可能性があります。スピーカーの特性が環境に依存しにくくするために、アンテナを高くし、導電性構造物から遠ざけて設置し、マストや支線を非金属にすることが試みられています。

アンテナの周囲に最も近く、基本的に取り外し不可能なオブジェクトの XNUMX つは、アンテナに給電するフィーダーです。最も単純なフィーダは、オープン XNUMX 線式ラインです。理想的なケースでは、給電線のどのセクションでも、いつでも線路の電流の瞬時値は大きさが同じで方向が逆になります。つまり、どのセクションの両方の給電線の電流の合計は次のようになります。ゼロ。このような電流を逆位相と呼びます。開放 XNUMX 線式回線は、この条件下でも放射します。その理由は、回線のワイヤ間の距離 d が有限であるためです。垂直線は、水平面内で最大値となる垂直偏波を線の面内に放射し、水平偏波は最大値がこの面に垂直になるように放射します。放射線場は比 d/X に比例します。 XNUMX 線式線路の放射は、線路負荷が整合している場合は最小限ですが、不整合がある場合、定常電流波が現れると顕著に増加します。

記載された現象 (給電線システム内の厳密に逆位相電流の条件下) は、第 2 種給電線 (AEF-2) のアンテナ効果と呼ばれます [1]。実際には、それは非常に弱く現れます。たとえば、145 MHz の周波数では、長さが a/2、d = 10 mm の KATB (または KATP) テレビケーブルからの線は、この効果により、半分の周波数よりも約 50 倍弱い電界を放射します。このラインに接続されたウェーブループバイブレータ。

給電線の断面内のすべてのワイヤの電流の合計がゼロと異なる場合には、さまざまな理由が考えられます。ベクトル図 (図 1) は、個々のワイヤの電流 I1 と I2 の位相と振幅に任意の差がある場合、これらの電流は逆相成分 I1n = I2n と同相成分 I1c =l2c の合計として表すことができることを示しています。 (後者はシングルエンドと呼ばれることもあります)。異なるワイヤのコモンモード電流によって生成される場は（逆位相の場合と同様に）補償されませんが、合計されます。フィーダの長さが X に匹敵する場合、それらの合計により大きな追加放射線が生成される可能性があります。この現象は、第 1 種フィーダ (AEF-1) のアンテナ効果と呼ばれます [1]。 AEF-2 よりも明らかに深刻です。これについては後述します。

フィーダーアンテナ効果

第1種のAEF（以下、単にAEF）はコモンモード電流に関連付けられているため、その原因を特定する問題は、伝送モードでの給電線のコモンモード電流の出現の原因を見つけることに減らすことができます（受信モードでは、このような電流は常に外部電磁場の影響下で発生します)。

「アース」を考慮せずに、XNUMX線式フィーダーを備えた水平ダイポールアンテナについて考えてみます。 AUはアンテナとフィーダーのみで構成されていると仮定します。

空間内の各点におけるスピーカーの放射場は、スピーカーのすべての導体の電流によって生成される場のベクトル和です。各点の合計磁場は、システムの導体に沿った電流の分布に依存します。特定の周波数におけるこの分布は、スピーカーワイヤーの形状、サイズ、配置によって一意に決定されます。刺激の方法も同様です。非常に明白な考慮事項は、スピーカーの幾何学的対称性と対称 (厳密に逆位相) 励振により、電流の分布もアンテナ線と給電線の両方に沿って対称になるという結論につながります (計算と実践によって確認されています)。この場合、すべての給電線のコモンモード電流の合計はゼロになります。

フィーダーアンテナ効果

このような場合の例を図のモデルに示します。 2、a. 対称フィーダのワイヤの電流は、振幅と逆位相が等しく、これは、振動子アンテナのアームの対称性と、これらのアームに対する対称フィーダの対称位置、およびアンテナの対称接続によって決まります。発電機をフィーダーラインの先頭に接続します。

次のいずれかの理由により、コモンモードフィーダ電流が発生する可能性があります: アンテナの非対称性 (アームの幾何学的非対称性、電力が中央にない、図 2、b): フィーダの非対称性 (ワイヤの直径または長さの違い、図２、ｃ）；スピーカーシステム全体の非対称性（アンテナとフィーダーの相対位置の非対称性、図2、d）。「グランド」を考慮すると、「グランド」に対する AS の幾何学的非対称性 (図 2、e)、および「グランド」に対する電源の電気的非対称性 (Z2-Z1。図 2、 f) がここに追加されます。

前の状況で完全な対称性が原理的に可能である場合、特別な措置を講じずに対称アンテナに同軸（基本的に非対称）フィーダを使用して給電する場合、そのようなフィーダには AEF-1 はありませんが、AEF-2 は単に避けられません。同軸線の特別な特徴は次のとおりです。高い無線周波数では、XNUMX 線ではなく XNUMX 線回線と見なすことができます。表皮効果により、ケーブル編組の内面と外面に沿った電流が異なる場合があります。モデル内のコモンモード電流を解析するには、ケーブル編組の外面を XNUMX 本のワイヤとして表し、発電機をアンテナに直接接続します。

ケーブルの中心導体が対称アンテナの一方のアームに接続され、編組がもう一方のアームに接続されている場合（モデル - 図3、a）、アンテナに対するケーブルの幾何学的に対称な位置であっても、スピーカーでAEFが発生します。その理由は、同等のソースを幾何学的に対称なスピーカーに接続することの電気的非対称性にあります (ソースは点音源であると想定され、アンテナの中心で正確にオンになりますが、左側には XNUMX つのアンテナアームがあり、右側にはもう一方とケーブルシースの外面です!)。

この場合の電流分布は、ケーブル編組の外表面の電気長 (外部絶縁のため、幾何学的な長さより約 1% 長くなります)、共振長 (半波の整数倍) に大きく依存します。この場合のように、接地された下端の接地長、またはケーブルの非接地端の半波の整数に a/4 を加えたものを考慮します)、ケーブルのコモンモード電流 lc の最大振幅は最大であり、アンテナの左アームの電流 I の最大振幅の 43% に達することがあります (図 3、b)。

フィーダーアンテナ効果

この例では、編組の外面に沿って電流を誘導する単純化された「メカニズム」を示すと便利です。これは、AEFにつながる物理的プロセスをより明確に示すのに役立ちます。コモンモード電流の理由のXNUMXつは明らかです。それは、外部導体が接続されている端子のXNUMXつと同等の励起源です。ただし、この導体はアンテナアームの近接場にもあり、電流は同じではありません。その結果、コモンモード電流には別の理由があります。非対称であるため、アンテナ自体の近接場であるフィーダーの位置で補償されません。もちろん、そのような考えは非常に原始的ですが、AEFとの戦いの実践において、何らかの理由で、このXNUMX番目の理由がまったく考慮されていない場合があります。

低高度に設置された垂直偏波アンテナは、「地面」(または屋根) に対して著しく非対称です。たとえアンテナとフィーダの形式的な相対対称性（側面から給電された場合の垂直ダイポール）を確保したとしてもです。 AEFは避けられない。

したがって、伝送動作では、次の主な理由のいずれかでフィーダコモンモード電流が発生する可能性があります。

AC 励起源または同等のアンテナ励起源の電気的非対称性:
アンテナシステム全体の幾何学的非対称性 (それ自身および地面に対する)。

受信モードでは、給電線上の外部電磁場の影響により、給電線に逆相電流と同相電流の両方が発生する可能性があります。最初のものはオープン 2 線式ラインで発生し、受信機 (第 1 種 AEF) の入力に直接影響します。コモンモード電流はどの給電線でも発生します。相反性の原理により、受信機（第 XNUMX 種 AEF）の入力に対するこれらの電流の影響はより強くなり、送信モードにおける特定のスピーカーのフィーダのコモンモード電流の相対強度が大きくなります。。正しく設定された受信機入力に直接作用できるのは、逆相フィーダ電流のみです。受信モードの同軸モード電流を逆相電流に変換する「メカニズム」は、送信モードの同軸フィーダについて上で説明したものと同様です。 XNUMX つの方法は、編組の外面をアンテナ接続点で編組の外面と内周面に接続することです。XNUMX つ目は、アンテナのアームごとに非対称となる近傍界コモンモード電流を使用して、アンテナを介して接続することです。非対称スピーカー。

フィーダを一部として考慮したスピーカーシステムの特性は、フィーダの影響を考慮せずに計算されたアンテナの特性とは異なります。したがって。 AEF はフィーダによって直接受信または送信するだけではないため、概念を拡張することができます。広い意味での AEF は、アンテナシステムの特性 (受信時と送信時の両方) に対するフィーダの影響です。この影響をさらに詳しく考えてみましょう。

フィーダーのアンテナ効果の兆候

AEF の最も顕著な症状は上記に記載されています。これらと、AEF の他の重大な症状の可能性について、より詳細に検討してみましょう。例として、水平半波長振動子と、エミッタに対して 4°の角度で取り付けられた、同じ長さの 135 つのカウンターウェイトを備えた高さ λ/50 のよく知られた垂直 GP アンテナを考えてみましょう。自由空間におけるこのようなアンテナの入力インピーダンスは、フィーダの影響を考慮せず、純粋にアクティブであり、約 4 オームです。図では、図 1 は、この場合の垂直面の方向パターン (DP) と、ピン (I2) とカウンターウェイト (I4 ～ IXNUMX) のワイヤに沿った電流の分布を示しています。ここで示すすべての特性は、損失を考慮せずにコンピューターシミュレーションを使用して得られます。

フィーダーアンテナ効果

送信中に、ADF の次の症状が発生する可能性があります。

1. 非一次偏光を伴う AS 放射の出現。アンテナの主偏波が垂直で、フィーダが垂直でない場合、水平成分を含むフィーダ放射が発生します。メインアンテナの偏波が水平で、フィーダが水平でない場合、垂直成分を含むフィーダ放射が発生します。例 - 垂直面のパターン図水平ダイポールの場合は 5。 AEF によるフィールド En の垂直成分は、有効な水平成分 En の約 30% です。これは、たとえばテレビ受信にとって非常に望ましくない影響です。

フィーダーアンテナ効果

2. 主偏光によるパターンの変化。主偏波を伴うフィーダからの放射は、主パターンに大きな変化を引き起こす可能性があります (たとえば、垂直面の垂直アンテナの場合)。指向性は主方向に変化します (減少または増加のいずれかになります)。そして不要なローブが他の方向に現れます。例 - 図。非接地ケーブル長 6 λ/9 の GP アンテナの場合は 4。主偏波のケーブルが放射しない場合、励起対称性が破れた結果、パターンが変化する可能性があります (図 7、Ep、水平ダイポール)

3 複素入力抵抗の変化。 GP アンテナの場合、同軸フィーダの長さに応じて、励起点 Z = R + jX での複素インピーダンスの有効成分 R は 42 ～ 100 オームの範囲で変化します。無効成分 X は -40 ～ +17 オームです。

4.入力抵抗の変化は、フィーダー線の定在波比（SWR）の変化に関連しています。

図では、図 8 は、λ=10.9 m での GP アンテナの SWR 依存性を示しています。 1 - アンテナへの「通常の」ケーブル接続の場合。 2 - アンテナへの接続点における編組の外面の理想的な「絶縁」。グラフからわかるように、どちらの場合も SWR はフィーダの長さに依存します。フィーダにコモンモード電流 (AEF) と損失が存在しない場合、SWR は発生しないはずです [2]。ここで、(Z を介して) SWR の変化を引き起こすのはコモンモード電流であり、その逆ではないことに注意してください。 AEF-2 の SWR への依存には別の「メカニズム」があります。

フィーダーアンテナ効果

5. SWRが低いということは、RFエネルギーの伝達に関与しないフィーダー電流にかなりの割合の定在波が存在することを意味します。実際のケーブルでは、損失が増加し、その結果、アンテナフィーダーシステムの効率が低下します。コモンモード電流自体も、ACに供給されるエネルギーの追加損失につながります。

6. DPとSWRの劣化。効率が低下すると、無線リンクの潜在的なエネルギーが減少します。確実に受信できる範囲が狭くなり、期待される通信品質を実現するには電力を増加する必要があります。そしてこれは追加のエネルギー消費です。同時に、ポイント 7 ～ 9 の問題も悪化します。

7.パターンを変更すると、予期しない方向に放射線が発生し、衛生基準では許容できない強い干渉またはフィールドレベルが発生する可能性があります。

8. 給電線が他の回線、たとえば電力線や電話線の近くにある場合、AEF の存在下でそれらとの誘導結合が存在すると、無線局と他の無線局との共同運用を確保する際に重大な困難が生じる可能性があります。電子機器（送受信時の強い相互干渉）。

9. 送信デバイスのフィーダーの近くでは、AU のアクティブな部分の近くのフィールドに匹敵する顕著な電磁界が発生する場合があります。

全て。送信スピーカーの一般的な特性の変化について。受信スピーカーにも同様に当てはまります (DP、入力インピーダンス、SWR、効率) 非主偏波または追加の DP ローブの領域での外部干渉源。またはフィーダーの近くにあると、AEF が存在すると、受信中に追加のバックグラウンドノイズが発生します。

AEF の症状のいくつかの一般的な特徴に注意してください。

1. AEFは、フィーダーの共振寸法でより強く現れ、非共振寸法でより弱くなります。

2. AEF の存在下での RP の変化の性質は、フィーダーの長さに依存します。垂直フィーダーが長くなればなるほど、DN は垂直面でよりへこんでいきます。

3. AEFの存在下での主方向のASの増幅は、AEFを考慮しない場合よりも大きくても小さくてもかまいません。

4. AEF は、フィーダーであるアンテナの近接場が強いほど、それ自体が強く現れます。この意味で、検討中の GP アンテナは最も脆弱なアンテナの XNUMX つです。

5.バイブレーター（ダイポール）アンテナの場合、AEFはループアンテナよりも顕著です。

6.垂直偏波アンテナの場合、AEFは、水平偏波アンテナよりも頻繁かつ強力に表示されます。

7. 給電線がスピーカーの特性に与える影響は、アンテナのサイズが小さくなるほど大きくなり、効率が低下します。 ADF は電気的に小さなアンテナにとって非常に危険です。

8. AEF は、標的を絞った人にとって特に危険です。特に方向探知アンテナ。

9. 受信スピーカーにおける AEF の発現は、送信スピーカーにおける場合と同様、さらに深刻です。この問題が最初に発生したのは受信スピーカーでした

文学

Pistohlkors A.A. 受信アンテナ。 - M .: Svyaztekhizdat。 1937年。
Stepanov B.しかし、それは起こります！ - ラジオ。 1999年第6号。と。 65.

著者：Anatoly Grechikhin（UA3TZ）、Dmitry Proskuryakov

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