www.cqham.ru

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Коаксиальные резонаторы

Рисунки выполнены с помощью анализатора спектра Agilent E4403
http://www.rftest.co.nz/  

Коаксиальные резонаторы – краеугольные камни хорошей работы репитера. В том, как они работают и как в них достигаются такие параметры, есть что-то от чёрной магии… 

Коаксиальный резонатор больше похож на четвертьволновый шлейф, но не замкнутый. Он может быть также сравнён с четвертьволновой антенной, заключённой в проводящий корпус и представляющей собой резонансный LC контур со всеми признаками каждого из его компонентов (L и С).

В большинстве коаксиальных резонаторов “антенна” возбуждается с помощью петли связи через магнитную составляющую поля и ?Ч энергия, после этого, отводится в нагрузку с помощью другой петли, расположенной за центральным вибратором (у его основания), относительно входа (по другую сторону от резонирующего штыря). Центральный резонатор (штырь) окружён воздушной средой, что даёт оптимальное соотношение внутреннего диаметра корпуса коаксиального резонатора и внешнего диаметра штыря равного 3,25, которое позволяет получить характеристический импеданс примерно 70 Ом.

 

    Словарик: Tuning screw - винт настройки. 50 Ohm BNC – коаксиальное гнездо 50-омного ?Ч соединителя типа BNC. Top cap – верхняя крышка. Casing – корпус резонатора. End cap – нижняя крышка. Coupling loop – согласующая петля. Coaxial resonator – коаксиальный резонатор. Centre resonator – центральный резонатор (штырь). Внутри центрального штыря пропущен длинный винт, который перемещает выдвигаемую телескопически часть штыря.

Факторы, влияющие на параметры коаксиального резонатора

  1. Диаметр центрального резонатора (штыря)

    Внешний диаметр штыря выбирается из соотношения с внутренним диаметром внешнего проводника (корпуса) резонатора равного 3,25, как дающего оптимальный характеристический импеданс 70 Ом (как в коаксиальном кабеле соотношение диаметров проводников определяет его характеристическое сопротивление – UA9LAQ) и максимально достижимую добротность.

  2. Длина резонатора

    Длина резонатора определяет рабочую частоту получившейся резонансной системы (как и наоборот: рабочая частота определяет длину резонатора). Длина резонатора обратно пропорциональна частоте, то же соотношение мы наблюдаем и применительно к любой антенне.

  3. Петли связи

Петли связи (видоизменённые катушки связи) являются средством, с помощью которого ?Ч энергия подводится к резонирующему элементу и отводится от него (поскольку добротность резонатора является очень большой, с ним необходима очень слабая связь, чтобы не ухудшать добротность резонатора, поэтому, в катушках связи – всего один виток (петля), и этот виток расположен у “холодного”, т. е., низкоимпедансного конца линии, что и определяет способ связи - магнитный с помощью замкнутой петли, а не электрический, который можно осуществить с помощью конденсатора малой ёмкости или зонда, расположенного у верхнего конца штыря или ниже, чем ниже, тем больше должна быть ёмкость конденсатора связи, однако, ёмкостная связь применяется редко в силу небольшого кпд, а, главное, в силу невозможности отводить энергию для её передачи на расстояние, с помощью соединительных кабелей, например, которые имеют низкое характеристическое сопротивление, тогда как, ёмкостная связь будет более или менее эффективной при импедансе в несколько мегаОм - UA9LAQ). ?азмер петли определяет степень связи внешнего устройства с резонатором. Следует отметить два главных фактора, воздействующих на степень связи с резонатором: а) – длина участка петли связи, прилегающая к центральному штырю коаксиального резонатора, чем больше эта длина, тем большее количество поля резонатора будет перехватываться, тем большее количество энергии выйдет наружу, но тем больше и будет влияние нагрузки (по входу и выходу коаксиального резонатора) на добротность центрального штыря (а, значит, и на полосу его пропускания – UA9LAQ). Чем длинее провод петли связи, тем выше будет её входной/выходной импеданс

 

Сильная связь, меньше потери, но   больше расстояние   между точками -3 дБ

б) чем меньше расстояние между центральным штырём и проводом петли связи, тем более мощное поле штыря перехватывается петлёй, тем большее влияние оказывает нагрузка (по входу и выходу) на нагруженную добротность резонатора, обратное утверждение, по отношению к расстоянию “центральный штырь - петля связи” резонатора тоже справедливо.

Вот те два фактора, манипуляция которыми позволяет достичь требуемой добротности и кпд коаксиальных резонаторов и являются основанием для головной боли и впадания в прострацию, конкретно, за это говорят такие факторы, как потери в фильтрах, полоса пропускания и глубина режекции (вырезания) сигнала.

     Слабая связь и меньше расстояние между точками –3 дБ (уже полоса).

Конструктивные материалы

Большинство коаксиальных резонаторов промышленного изготовления выполнены из меди, но использование алюминия для изготовления корпуса встречается всё чаще и чаще. Сам резонатор (центральный штырь) да и зачастую внутренняя поверхность корпуса должны быть посеребрёнными, чтобы повысить электрическую проводимость, уменьшить поверхностные потери (скин-эффект) и, таким образом, заранее конструктивно обеспечить высокую величину добротности будущего коаксиального резонатора.

Согласующие петли выполняются из посеребрённой меди (шинка или провод круглого сечения), а центральный резонатор может даже быть покрыт золотом с конца “горячего” по ?Ч, т. е., в области высокого импеданса на ?Ч.

Центральный резонатор обычно припаивается серебряным припоем к верхней крышке, а другой конец корпуса “глушится” медной крышкой-заглушкой. Обе крышки корпуса коаксиального резонатора (верхняя и нижняя) обычно крепятся к корпусу по периметру винтами или пропаиваются по периметру, если в резонаторе всё уже сделано и внутрь “лазить” больше незачем. (Вызывает сомнение тот факт, что резонатор будет работать стабильно на винтах в сложной метеорологической обстановке, даже будучи посеребрённым. Во-первых, крышки, как и внутренность самого корпуса должны быть посеребрёнными, причём, таким серебром, которое бы не окислялось; во-вторых, при закручивании винтов происходит деформация металла как крышек так и корпуса, в промежутках между винтами образуется щель, которая с “горячего” конца резонатора приведёт к излучению в эфир (резонатор будет работать как антенна), с “холодного” конца увеличится сопротивление между крышкой и корпусом, что сведёт на нет и припаивание центрального штыря к крышке серебром. Винты, если таковые применяются, должны быть обязательно из нержавеющего материала с покрытием, препятствующим их окислению, количество винтов по периметрам крышек должно быть максимально возможным. Все щели должны быть загерметизированы и прокрашены, швы должны иметь обтекаемую конструкцию, способствующую стеканию с них влаги, как и со всего резонатора. При применении в изменяющихся температурных условиях следует подбирать нетрескающийся герметик и не заливать его внутрь резонатора, чтобы не ухудшить контакт крышек с корпусом коаксиального резонатора. Лучшим вариантом является полное запаивание крышек по периметру корпуса серебром (особенно, с “холодного конца”- понятия: “верхняя” и “нижняя” крышки - относительны), но при этом доступ внутрь, при необходимости, будет затруднён – UA9LAQ).

Рабочая частота

Рабочая частота зависит от длины центрального штыря, которая у коаксиального резонатора, обычно, близка к четверти длины волны требуемой частоты. Центральный резонатор, как правило, имеет кроме неподвижной и подвижную часть, телескопически выдвигающуюся и управляемую извне, которая располагается на “горячем” конце неподвижного центрального штыря (здесь, в силу большого импеданса, протекают очень малые токи, чем больше добротность, тем выше импеданс и меньше ток, поэтому, обеспечение хорошего контакта не имеет особо важного значения, хотя для увеличения стабильности работы, желательно обеспечивать трущийся контакт надёжным и долговременным образом - UA9LAQ). Коаксиальный резонатор имеет винтовой механизм изменения механической и электрической длины центрального штыря, а, значит, и изменения рабочей (центральной, резонансной) частоты настройки. Большинство из металлов с хорошей электропроводностью имеют достаточно большой коэффициент температурного расширения, что может привести к изменению длины центрального штыря при изменениях температуры и этим расстроить высокодобротную резонансную систему, относительно установленной частоты её настройки. Чтобы бороться с эффектом температурного расширения, в промышленности был разработан и создан металлический сплав, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения, - инвар, штыри из которого и применяют обычно в резонаторах промышленного изготовления.

Модификации и параметры

В этой статье речь идёт о наборе коаксиальных резонаторов разработки бывшей правительственной (государственной) (а ныне приватизированной (коммерческой)) фирмы ТСА (Австралия), версия для частоты 100MHz тип 1564/101/1NZ. Эти резонаторы были укорочены и снаружи и внутри, чтобы обеспечить работу в диапазоне 146 МГц (частоты работы репитеров у “нас” и у “них” не совпадают, как разнится и ширина двухметрового диапазона и, возможно, постановка по частоте приёмного и передающего каналов относительно друг друга - UA9LAQ). Окончательная длина внешнего проводника (корпуса) составила 610 мм, длина центрального штыря равнялась 510 мм для частоты 144,35 МГц и позволяет изменять её с целью перестройки на другие частоты. Саму конструкцию резонатора и приводной механизм перестройки несколько сложно механически модифицировать, чтобы это осуществить нужно действовать со стороны верхней крышки, удалять резонирующий элемент с той стороны. 

Имеющиеся согласующие петли для частоты 100 МГц следует уменьшить в длине, причём, таким образом, чтобы участок, идущий параллельно центральному штырю был короче в 100/146 раз. (в тексте статьи стоит цифра 50 без определения, что это такое, возможно, длины участков входной и выходной петель параллельных центральному штырю исходного коаксиального резонатора, которые нужно уменьшить или входной/выходной импеданс, под который рассчитаны петли связи – UA9LAQ). Согласующие петли были пересоединены к гнёздам BNC и верхней крышке. Расстояние между петлями связи и центральным резонирующим штырём определяет степень передачи энергии в резонансную цепь - на входе, и отбор энергии - на выходе коаксиального резонатора на его резонансной частоте.

Экспериментальная часть

Характеристику коаксиального резонатора для диапазона 2 м можно исследовать с помощью анализатора спектра со встроенным ГКЧ. Частотами повышенного интереса для нас должны быть: частота линейного входа репитера (частота приёмника) и частота выхода репитера (частота передатчика), для которых, собственно, и модифицируются резонаторы. Испытательный стенд содержит генератор с 50-омным выходом, сигнал с которого подаётся на петлю связи резонатора, к петле связи (другой, выходной) подключен анализатор спектра для контроля. (Обычно, эти дела решаются использованием одного прибора измерителя частотных характеристик, сокращённо, ИЧХ, ну, да, ладно-идём далее – UA9LAQ).

Полоса пропускания

Девиация частоты в пределах 5 МГц позволила получить характеристику, представленную на ?ис.1 (см. SIMPLE TUNED CIRCUIT RESPONSE выше). Точки затухания на 3 дБ находятся на расстоянии в 573 кГц друг от друга, определяя, таким образом, полосу пропускания простой резонансной системы (контура) по уровню - 3 дБ, вносимые потери составляют 2, 5 дБ. Если Вы взглянёте на эту АЧХ, то увидите, что затухание на частотах, отстоящих от резонансной на 600 кГц (репитерный разнос частот приёмника и передатчика, принятый в радиолюбительской практике) мало. Эта резонансная система непригодна для использования в разделительных фильтрах (дуплексёрах) репитеров (ретрансляторов), так как не обеспечит достаточного подавления своего передатчика на входе приёмника, что сильно уменьшит реальную чувствительность приёмника до неприемлемых значений, если не позволит спалить вход приёмника вовсе.

Анти-резонансный режектор

Небольшая модификация этой конфигурации полосно - пропускающего фильтра (коим может служить и простой одиночный контур), позволит решить проблему, или, по крайней мере, улучшить ситуацию с подавлением сигнала передатчика на входе приёмника. Добавлением конденсатора переменной ёмкости (2…20 пФ) к петлям связи на входе и выходе резонатора образуем режекторные контуры, которые настраиваются на нежелаемые частоты – ?ис. 2 (в дуплексёре: это - частота приёмника в передающем тракте и частота передатчика в приёмном, теоретически, для частот настройки режекторных контуров импеданс схемы должен быть равен нулю - UA9LAQ). Эффект – ошеломляющий! На ?ис. 3 показана АЧХ ниже полосы пропускания резонансной системы. Глубина режекции (вырезания) нежелательного сигнала зависит от добротности Q режекторного контура.

 Конденсатор,