Скорость света в атмосфере Земли

Какую антенну выбрать, установка и настройка антенн
Ответить
iam
Новичок
Сообщения: 21
Зарегистрирован: 20 апр 2018, 00:12

Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение iam » 24 апр 2018, 00:01

Исторически сложилось принимать в радиотехнических расчетах скорость света равной 300000000 м/с.
Многие пользуются другим, более точным знвчением 299792458 м/c.
Однако, поскольку мы находимся не в вакууме, а в атмосфере планеты Земля, то рекомендую
пользоваться значением 299702547 м/c.
Не потому ли десятилетиями тратились время и силы на доводку антенн и линий передачи?
Надеюсь, теперь время и силы будут потрачены более плодотворно! Правда, теперь многим придется перерисовать графики, пересчитать таблицы и не доверять безоговорочно написанному в книгах или на просторах Интернета...
Наберите в строке поиска интернет браузера 299702547 и убедитесь, но пока все тексты на английском...
Всем удачного творчества!


Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
Аватара пользователя
plyrvt
Знающий
Знающий
Сообщения: 767
Зарегистрирован: 10 дек 2016, 16:20
Благодарил (а): 1 раз
Поблагодарили: 43 раза

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение plyrvt » 24 апр 2018, 09:20

Не потому.
При расчетах всегда пользовались и пользуются коэффициентами укорочения (Vf = Velocity Factor), которые показывают насколько в данной конкретной линии скорость меньше чем скорость света в вакууме. Скорость света в линии не равна ни скорости света в вакууме ни в воздухе. Скорость света в двухпроводной ВАКУУМНОЙ линии МЕНЬШЕ скорости света в ВОЗДУХЕ.

Вот скорость сигнала в двухпроводной ВАКУУМНОЙ круглой линии 248 Ом:


Вот скорость сигнала в коаксиальной ВАКУУМНОЙ круглой линии 41.77 Ом:



Скорость сигнала в линии зависит также и от режима волны.
Например в круглой трубе (коаксиальный кабель или полый круглый волновод) возможны 6 режимов (мод) волны


Для случаев когда лямбда в 1.706+ раз больше диаметра труба (почти все коаксиальные кабели на частотах до 10 ГГц) режим H11.
Для этого режима скорость сигнала будет 0.9898 от скорости в вакууме (для вакуумного кабеля 41.77 Ом из примера выше)

Этот же самый кабель на более высоких частотах (в других модах) будет иметь другую скорость сигнала.
Зверніть увагу на те, що виявляється швидкість світла в повітрі не така,як у вакуумі, і дорівнює 299702547 м/с... Отже,можливо Ви захочете змінити дані у калькуляторі https://goo.gl/w8z9U2 (Google Docs) , а також будете використовувати нове значення у розрахунках.
Міняти там недоцільно. Для того, щоб перетворити отримані параметри лінії (Z0 і довжина в мм або лямбдах) в реальну лінію (повітряну, коаксіальну, методом печатних плат і т.д.) потрібно помножити отриману довжину на Vf (Velocity Factor) обраного типорозміру лінії.
Довідкові дані по лініях або спеціалізовані програми розрахунку ліній передач - дають Vf відносно швидкості світла у вакуумі, а не відносно швидкості в атмосфері. Якщо підставити в той калькулятор швидкість у повітрі (чи іншому діелектрику) то буде подвійний обрахунок і неправильні кінцеві дані.
Последний раз редактировалось plyrvt 24 апр 2018, 12:08, всего редактировалось 4 раза.
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
Аватара пользователя
plyrvt
Знающий
Знающий
Сообщения: 767
Зарегистрирован: 10 дек 2016, 16:20
Благодарил (а): 1 раз
Поблагодарили: 43 раза

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение plyrvt » 24 апр 2018, 10:38

Не потому ли десятилетиями тратились время и силы на доводку антенн и линий передачи?
Причин несоответствия измеренных параметров опытного образца расчетным есть очень много.
Что касается линий передач, то ни самостоятельно сделать, ни промышленность не выпускает прецизионных линий передач. Если коаксиальный кабель например имеет номинал 50 Ом, то если его сопротивление от 45 до 55 Ом это кабель очень высокого качества.
Сделать 2-проводную, микрополосковую или коаксиальную линию с прецизионным Vf, диэлектриком и прецизионной геометрией - невозможно, да и к этому не стремятся.

Проектирование антенн и линий возможно тремя основными методами:
1) Умозрительное (на бумажке) с помощью известных ранее решенные аналитических уравнений для "сферической лошади в вакууме". Для многих обобщенных геометрических конструкций были получены полные интегральные решения полей и описаны в литературе. Такие решения хоть и очень точные, но малопригодные, т.к. геометрия там слишком "сферическая в вакууме". Например описан петлевой диполь. Он описан как 2 горизонтальные трубы произвольного диаметра, соединенные тонкими вертикальными перемычками, перпендикулярно к концам труб.

Все практические конструкции петлевого диполя - вместо тонких вертикальных перемычек сделаны из материала трубы, которая согнута в тор диаметром равным разносу между верхней и нижней трубой

Естественно параметры будут немного отличаться от расчетных.

2) Метод моментов (MoM, Method of Moments)
Для компьютерного моделирования произвольной геометрии в начале 1970-ых создали программу BRACT на Фортране, позже переименовали в AMP, AMP2, NEC, NEC-2. Геометрия представляется исключительно тонкими прямолинейными исключительно круглыми проводниками одинакового сечения. Линии передач не поддерживаются. Диэлектрики не поддерживаются. Близкое расположение проводящих материалов запрещено. Большинство типов антенн в принципе не моделируются. Когда проводники становятся толстыми (а на частотах выше 50 МГц они все "толстые") лезут большие ошибки. Модель требует очень серьезных упрощений и условностей в геометрии чтобы её можно было смоделировать. Тот же петлевой диполь из примера выше смоделировать невозможно. Только версию с вертикальными перемычками.
Для частот выше 3 ГГц метод почти непригоден.
Несмотря на малые возможности и большие ограничения - MoM резко улучшает точность расчетов тех антенн которые в принципе можно смоделировать этим методом. Благодаря NEC2 движку в проектировании Uda-Yagi (волновых каналов) произошел бум.

3) Метод моментов для тетраэдрической сетки. Поддерживается произвольная геометрия (как и в МКЭ). Произвольные поверхности произвольных материалов разбиваются на густую сетку тетраедров (как и в МКЭ). Точность выше чем в 2 но ниже чем в 3.

4) Метод конечных элементов (МКЭ, FEM, Finite Element Model). Наиболее точный метод, когда произвольная поверхность произвольных материалов разбивается на очень густую сетку тетраэдров и применяя только базовые законы (уравнения Максвелла) рассчитываются плотности всех токов, напряжения Э и М полей.
Метод начали развивать в конце 1980-ых. Т.к. для его работы даже над очень простыми моделями требуется создание под 100 000 и более тетраэдров - алгоритм жрет под 8 Гб ОЗУ. Поэтому до 2000-ых он был доступен практически только для работы на суперкомпьютерах (кластерах). Когда персональные компьютеры получили 4-8 Гб ОЗУ, рассчитывать простые модели уже могут даже студенты/профессоры бедных институтов, небольшие проектные фирмы и просты любители. Только стоят такие программы от $20 000 до $70 000 (HFSS, CST, FEKO, Microwave Office) и для более менее серьезной работы надо хотя бы 16 Гб ОЗУ (с натяжной) или 32 Гб (начальный уровень).

Неточности по методу 4 связаны с:
1) низкая плотность сетки для возможности хотя бы какого-нибудь решения на домашних ПК с 8 Гб ОЗУ и менее. В последнее время с этим лучше (ПК имеют 4-8 Гб), а вот многие расчеты которые выкладывали любители в инете в 2005-2010 годах делали с жидкой сеткой чтобы уместиться в 2-4 Гб (ещё на 32-битной WinXP)

2) недостаточный опыт (особенно любителей) с этими программами и плохое документирование различных тонкостей работы влияющих на точность.
Наиболее распространены такие 2 грубые ошибки (разбежность на волновых сопротивлениях и резонансных частотах достигает 10%):
- ABC слой (Absorbing boundary condition) рисуют различных некомпактных + невыпуклых форм + ближе чем лямбда/4 к проводникам. Необходимо чтобы излучение падало на ABC слой перпендикулярно (по всех направлениях, т.е. по всей поверхности ABC слоя). В примерах документации для моделирования печатных плат ABC слой рисовали как ящик (вокруг печатной платы), а любители такой же ящик рисуют для антенн. Вместо ящика могут быть цилиндры и конусы (лучше чем ящики но далеко от идеала). Если же форма ABC слоя близка к сферической (для антенн вытянутой формы - эллипсоид вращения), то точность расчета резко улучшается по сравнению с измеренной лабораторно
- всевозможные круглые поверхности в CAD программах внутренне разбиваются на хорды. По умолчанию полный круг разбивается на 24-36 хорд. Для большинства вторичных элементов такой точности вполне достаточно, но если это излучающая поверхность то различия могут быть большие. Например если взять многочисленные конструкции патч-антенн с круглым вибратором (популярные в WiFi, 3G, LTE), то будучи изготовлены по размерах они оказывается смещены вверх по частоте. Хотя симуляция (при разбивке по умолчанию на 36-угольник) говорит что резонанс где надо. Если же увеличить разбивку до 180 или 360 (1-2 градуса хорды), то симуляция подтверждает реальные измерения

3) упрощениями геометрии по сравнению с реальной моделью. использование в реальном прототипе материалов неидентичных расчетным (проводящие материалы другой геометрии (иной формы сечения, иных толщин, иных методов закруглений; диэлектрические материалы иной геометрия и ненормированных или непредсказуемых свойств). выполнение узла запитки, узлов крепления, различных крышек (радомов) отличных от расчета


Что в частности касается именно телевизионных антенн.
Подавляющее большинство антенн применяемых в ТВ (как МВ так и ДМВ) имеют симметричный (дифференциальный, балансный) выход. Относительно земли (траверсы, рефлектора, мачты) на зажимах +V/2 и -V/2
К таким антеннам относятся:
- все рамочные (биквады, билупы, битреугольники, гнутики, прутики, дутики)
- все виды диполей (разрезные, петлевые, конусные, полуволновые, одноволновые) и антенны с их применением: волновые каналы, логопёры, польские, дельты, усы, рога
- решетки из таких антенн или их комбинаций (Gray-Hoverman и др.)
- щелевые эквиваленты этих антенн

Чтобы преобразовать балансный на небалансный (ассиметричный) выход, т.е. на коаксиальный кабель - нужен балун (ССУ- согласующе-симметрирующее устройство).
Качество симметрирования определяется тем, будут ли после такого ССУ протекать токи по наружной оболочке коаксиального кабеля.

С этим есть большие сложности. Приемлемое качество симметрирования дает полуволновая петля. Но она узкополосная, её применяли на МВ каналах для одного конкретного канала. С её изготовлением есть сложности и неопределенности: неизвестное Vf (коэфф. укорочения), изменение свойства кабеля от сгибания под малым радиусом (вплоть до разрушения) и неопределенность откуда и куда считать длину (заделка концов).

На ДМВ такой метод не применялся и хороших методов не существует.
Наибольшего распространения на ДМВ ТВ получила конструкция Guanella/Ruthrof 4:1




С целью удешевления и уменьшения тепловых потерь (в феррите) левую часть схемы ИСКЛЮЧАЮТ.
Строго говоря правая часть схемы это не балун, а недоделанный-UN->UN.
При подаче на коаксиальный кабель 1V (относительно оплетки), на выходе будет сверху +1.5V, снизу -0.5V
При работе на прием, часть недосимметрированого напряжения потечет по оплетке кабеля.
Для полного симметрирования в схеме нужен 1:1 бал-ун (превращает +1V в +0.5V/-0.5V)

Но т.к. ферритовые трансформаторы дают высокие потери (на тангенс угла потерь), то балун из схемы исключают. Недосимметрирование лучше чем греть ещё одно ферритовое кольцо.


Из-за такого плохого положения дел с ССУ, антенные усилители дают такой большой прирост. Сами антенны по себе очень плохого качества согласования (КСВ<3 для промышленных антенн это ещё прекрасный результат), а из-за плохих ССУ на кабелях ещё дополнительные потери из-за токов по внешней оплетке и из-за повышенных погонных потерь при работе на КСВ=2...4
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
iam
Новичок
Сообщения: 21
Зарегистрирован: 20 апр 2018, 00:12

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение iam » 24 апр 2018, 13:11

При проектировании антенн сначала определяют длину вибратора для конкретной частоты сигнала , пользуясь формулой λ=c/f, и только затем применяют коэффициенты укорочения. Фундаментальной является именно с - скорость света. От ее величины зависит начальный результат расчетов. Поскольку радиотехника начала развитие с длинных волн и постепенно осваивала все более высокие частоты, 300000 км/с всех устраивала. Она и сейчас устроит любого радиолюбителя-коротковолновика. Однако для ДМВ, сотовой связи, Wi-Fi и т.д. до связи (на сегодняшний день) через спутники, расхождение между реальной величиной и тем,что обычно подставляют в формулы, приводит к росту ошибки пропорционально увеличению частоты сигнала.
Последний раз редактировалось iam 24 апр 2018, 14:48, всего редактировалось 1 раз.
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
iam
Новичок
Сообщения: 21
Зарегистрирован: 20 апр 2018, 00:12

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение iam » 24 апр 2018, 14:07

Но т.к. ферритовые трансформаторы дают высокие потери (на тангенс угла потерь), то балун из схемы исключают. Недосимметрирование лучше чем греть ещё одно ферритовое кольцо.


Для приемных антенн это существенно?
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
Аватара пользователя
plyrvt
Знающий
Знающий
Сообщения: 767
Зарегистрирован: 10 дек 2016, 16:20
Благодарил (а): 1 раз
Поблагодарили: 43 раза

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение plyrvt » 24 апр 2018, 15:03

iam писал(а):
24 апр 2018, 14:07
Но т.к. ферритовые трансформаторы дают высокие потери (на тангенс угла потерь), то балун из схемы исключают. Недосимметрирование лучше чем греть ещё одно ферритовое кольцо.

Для приемных антенн это существенно?
Для всех пассивных устройств (не электронных с внешним питанием, не коммутируемых), т.е. для линий передачи, делителей, согласователей, антенн (при S-матричном описании - их называют "многополюсники") - действует "принцип взаимности"
Теорема взаимности. Если среда линейна и изотропна, то передача информации между двумя произвольными точками с помощью электромагнитных волн взаимна, т.е. одинакова при противоположных направлениях распространения электромагнитных волн, когда передатчик и приемник меняются местами.

С помощью теоремы взаимности можно доказать, что диаграмма направленности приемной антенны имеет такую же форму, какую она имела бы, если б антенна работала в качестве передающей.

Устройства, работающие в линейной и изотропной среде, являются взаимными. Взаимными устройствами, являются устройства, которые работают в анизотропной среде, параметры которых описываются симметричными тензорами.

Если же параметры анизотропной среды, в которой работает устройство, описываются несимметричными тензорами, то такое устройство – невзаимное. Например, ферритовая среда описывается антисимметричным тензором , поэтому все устройства, использующие ферриты для работы, являются невзаимными.
Симметрирование, КСВ, диаграмма направленности, потери (на излучение, на нагрев диэлектриков, на нагрев проводников) - одинаковые как на прием так и на передачу.
Если балун имеет затухание 1 дБ, то это 1 дБ и справа-налево и слева-направо.

В общем случае если есть ферритовые материалы, то принцип взаимности не работает.
Но если в частном случае, например ферритовый трансформатор, имеет пространственную (геометрическую) симметрию (а балуны на ферритовых кольцах именно такими и стараются сделать - кругла симметричная форма, равномерная бифилярная намотка и равномерно витки по периметру) - его можно рассматривать как взаимное устройство.
При проектировании антенн сначала определяют длину вибратора для конкретной частоты сигнала , пользуясь формулой λ=c/f, и только затем применяют коэффициенты укорочения.
Это другие коэффициенты укорочения/удлинения, НЕ связанные со скоростью сигнала и почти не связанные с наличием диэлектрика (сигнал по вибратору течет по поверхности проводника, а не в зазоре диэлектрика).
Коэффициенты укорочения диполей (активной части - вибратора/радиатора и паразитных частей - рефлекторов/директоров) связаны с тем что на открытых концах проводника существует поле, которое выступает за размера проводника и берет участие в формировании полей.
Размеры этого поля связаны с ДИАМЕТРОМ проводника. При очень тонких проводниках можно считать что электрическая длина не превышает геометрическую (Ку ~0.98). Если диаметр провода всего в 1000 раз меньше лямбда (0.5 мм на частоте 600 МГц) то Ку=0.96.
При диаметре провода 1/100 лямбда (5 мм на частоте 600 МГц) Ку=0.905, при 1/50 лямбда (10 мм на 600 МГц) Ку=0.88

Эти коэффициенты не называются Velocity factor и никак не связаны со скоростью распространения сигнала по вибратору.

Кроме открытых концов, на электрическую длину вибраторов также влияют преграды из проводников вначале провода, т.е. траверса (бум). Траверса мешает распространению магнитного поля вокруг вибратора/директора вблизи неё и поэтому снижает электрическую длину вибратора/директора. Здесь уже напротив - рассчитывают коэффициенты удлинения (Boom Correction Factor). Чем толще траверса - тем больше удлинять.

Для других типов антенн, например патч-антенн, электрический размер патча БОЛЬШЕ чем геометрический, т.к. поля не обрываются на кромке, а работают и за её пределами на небольшое расстояние.


При проектировании антенн по методу №1 (умозрительно на бумажке) используют всевозможные коэффициенты укорочения/удлинения по сравнению с моделью "сферической лошади в вакууме".

При проектировании методами МоМ и МКЭ, физические уравнения уже учитывают поведение электрического и магнитного полей и учитывают эффекты влияющие на укорочение или удлинение (диаметры проводников, толщины патчей, наличие преград из проводников или диэлектриков).
Если программа MMANA, 4NEC2, HFSS показала что вибратор диаметром 5 мм имеет резонанс на частоте 600 МГц, то это уже с учетом "укорочений".
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
iam
Новичок
Сообщения: 21
Зарегистрирован: 20 апр 2018, 00:12

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение iam » 24 апр 2018, 15:38

Будут ли полностью идентичными и,следовательно взаимозаменяемыми с одинаковой эффективностью по всем параметрам, две антенны, предназначенные одна для установки в космосе, а другая - на Земле? Не будет ли влиять на уровень и качество сигнала различие в скорости распространения радиоволн в вакууме и атмосфере? И не следует ли при проектировании антенн учесть это различие?
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
Аватара пользователя
plyrvt
Знающий
Знающий
Сообщения: 767
Зарегистрирован: 10 дек 2016, 16:20
Благодарил (а): 1 раз
Поблагодарили: 43 раза

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение plyrvt » 24 апр 2018, 16:02

iam писал(а):
24 апр 2018, 15:38
Будут ли полностью идентичными и,следовательно взаимозаменяемыми с одинаковой эффективностью по всем параметрам, две антенны, предназначенные одна для установки в космосе, а другая - на Земле? Не будет ли влиять на уровень и качество сигнала различие в скорости распространения радиоволн в вакууме и атмосфере? И не следует ли при проектировании антенн учесть это различие?
в NEC2, MMANA и др. выбрать невакуумную среду нельзя. там диэлектриков вообще нет. но в целом, по сравнению с другими серьезными ограничениями реализации это несущественно

в HFSS, CST, FEKO и др. можно учитывать всё, в т.ч. покрытие краской, пластиковые крышки (радомы), любые газы

Диэлектрическая проницаемость воздуха 1.0006, это на 0.06% отличается от вакуума.

Больше всего влияние диэлектрика - в узких напряженных зазорах, например в волноводах.
Zo двухпроводной или коаксиальной линии зависит от проницаемости как 1/sqrt(e)

Т.е. волновое сопротивление такой линии при заполнении воздухом вместо вакуума составит 0,9997001
50 Ом линия превратится в 49.985 Ом

Можно ли каким-то образом измерить +-0.015 Ом? Лучшие высококачественные кабели имеют 45-55 Ом разброс.

Если перевести на КСВ то это будет разница в 5-м знаке после запятой. Т.е. неточность измерений в лучших лабораториях например КСВ=1.65 +-0.1, а изменение вакуума на воздух в линии дает КСВ=1.650001

Подавляющее большинство антенн (особенно телевизионные) имеют зашкаливающий КСВ с огромным разбросом. Например который колеблется от 1.5 до 3.5.
Какая разница, колеблется он между 1.500001 и 3.500001 или между 1.50002 и 3.500002? Какая разница резонансная частота антенны 582 или 583 МГц, если КСВ на этой частоте 2.5?

Чтобы измерять такие эффекты надо производить антенну с СУБМИКРОННОЙ точностью.
Тогда как в реальных антеннах элементы двигают на десятки сантиметров сюда-туда. Например в сверхпопулярной ТВ антенн DIPOL-19 (AN-19D) если передвинуть рефлектор на 15 см назад, то КСВ снизится с 5 до 2.5
А если у суперпопулярной "польской" обрезать усы с 30 см до 18 см, тоже говорят улучшается прием.
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
iam
Новичок
Сообщения: 21
Зарегистрирован: 20 апр 2018, 00:12

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение iam » 24 апр 2018, 16:19

Какой же минимальный КСВ реально достижим?

Стоит ли полировать вибраторы ДМВ антенн для большего соответствия геометрических размеров электрическим?
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
Аватара пользователя
plyrvt
Знающий
Знающий
Сообщения: 767
Зарегистрирован: 10 дек 2016, 16:20
Благодарил (а): 1 раз
Поблагодарили: 43 раза

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение plyrvt » 24 апр 2018, 16:54

Вы сюда пришли как я понимаю из сайта 3G-Aerial, где собрано огромное количество т.н. "калькуляторов антенн".

Многие воспринимают такие "калькуляторы" как некоторые точные и научные данные (за которые их авторы получили Нобелевки) для получения антенн с КСВ=1 в любой частоте которую надо ввести в поле "Частота" и нажать "Рассчитать".

Большинство этих калькуляторов - это просто какая-то (часто неудачная) конструкция антенны предложенной когда-то (зачастую в докомпьютерную эпоху) кем-то (в большинстве любителями, далекими от профессионального расчета антенн) причем для вполне конкретной конструкции и конкретных метариалов (именно такой формы и сечений как в их модели).

Например Вы комментировали статью про "Антенну Харченко-Маршала". Американский любитель Тревор Маршал в 2001 году использую программу 4NEC2 (подходит для расчет антенн до 50 МГц, с натяжкой до 900 МГц, а на частотах выше 1 ГГц дает большие погрешности (например резонанс расчитанный на 2440 МГц может не попасть вообще уплывти за пределы 2400-2500 в реальной антенне).

Его калькулятор рассчитан для вполне конкретных материалов:
1) провод только круглого сечения определенного диаметра
2) рефлектор только 110х110 или 123х123 с боковыми бортами
3) в модели нет никакого балуна и никакой организации подвода питания

Что делают сторонние сайты. Обобщают геометрию и материалы на произвольную. Оказывается расчеты для круглого провода и для квадратного рефлектора 1х1 лямбда с бортами 0.25 лямбда можно использовать и для вибратора из полос любой ширины, и для круглого рефлектора из DVD-диска и т.д. И можно заземлять вершины (там же всё равно нулевой потенциал)

Кроме того, БиКвад, как и все рамочные, дипольные антенны - имеет симметричный выход. Подключить её к коаксиалу непростая (почти нерешеаемая в разумный бюджет) задача. Хотя Тревор Маршал моделировал в NEC2 виртуальную симметричную запитку, в реальном прототипе он уже приварил медную трубку и одну половину вибратора припаял к трубке, а другую к жиле кабеля.

Тот кто воплотит в железо, то что выдал такой "недо-калькулятор" и попробует измерить и довести до ума - будет поражен почему он потратил месяц усилий на доводку, а результата не получилось. "Наверно потому что в калькуляторе вакуум, а у меня воздух!"

Когда модель Тревора Маршал повторить на его материалах (тот же круглый провод, тот же рефлектор), но включить крепежную трубку, параметры сильно изменяются:





Диаграмма направленности начинает "косить" (в сторону противоположную от трубки).
Резонансная частота и сопротивления смещаются.
Поскольку в схеме отсутствует балун - по внешней оплетке кабеля текут токи (КСВ растет ещё выше + потери на излучение)

А если любитель ещё и вместо круглого провода взял другой, вместо квадратного рефлектора с бортами взял другой - то он начинает сомневаться в правильности фундаментальных книг и вообще уравнений Максвэлла!
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
Аватара пользователя
plyrvt
Знающий
Знающий
Сообщения: 767
Зарегистрирован: 10 дек 2016, 16:20
Благодарил (а): 1 раз
Поблагодарили: 43 раза

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение plyrvt » 24 апр 2018, 17:17

iam писал(а):
24 апр 2018, 16:19
Какой же минимальный КСВ реально достижим?

Для любой фиксированной частоты не проблема рассчитать и изготовить антенну с КСВ=1 (с учетом погрешности изготовления и измерения пусть КСВ<1.1)

У любой колебательной системы, антенна не исключение (даже у механического маятника), есть такой параметр как добротность Q — параметр колебательной системы, определяющий ширину резонанса.
Чем выше добротность Q тем быстрее растет КСВ при отстройке на +-f от частоты резонанса.

Разные типы антенн имеют разную добротность. Можно сделать 2 антенны с КСВ=1 на частоте 600 МГц, но первая будет КСВ=5 на 500 МГц, а вторая КСВ=2 на 500 МГц.

Серьезные проектировщики, которые десятилетиями занимаются оптимизацией ТВ антенн и у которых 365/24 работает мощный 8-ядерный ПК для перебора миллионов комбинаций - стараются делать антенны с КСВ=2.7

Для приемных ТВ антенн нет никакого преимущества в КСВ=1 над КСВ=2. Единственное что играет роль - соотношение сигнал/шум (SNR) на демодуляторе ТВ-тюнера, а оно зависит только от напряжения на входных клеммах приемника (на выходных клеммах антенны). Напряжение на клеммах зависит от комбинации Ку и КСВ [нетто-Ку = брутто-Ку минус потери на рассогласовании КСВ] **

Они пишут Python скрипты, которые каждый из десятков размеров двигают туда-сюда с шагом 0.1 мм (суммарно миллионы комбинаций) и рассчитывают диаграмму направленности и КСВ в требуемой полосе. Алгоритм методом брут-форса находит такую комбинацию размеров, которая максимизирует нетто-Ку. Какой при этом будет КСВ их не волнует. Для рамок приличия ставят ограничение на 2.7-3.5.

iam писал(а):
24 апр 2018, 16:19
Стоит ли полировать вибраторы ДМВ антенн для большего соответствия геометрических размеров электрическим?
не стоит, размеры к которым вы стремитесь - все равно "неправильные". Отход от вожделенного размера ухудшит на 0.1 КСВ на одной частоте, но улучшит на 0.1 на другой. Почти все ДМВ ТВ антенны рассчитаны настолько плохо, что изменение любого размера "на плюс минус пол локтя" принципиально не влияет на антенну. На одной частоте КСВ упадет с 4 до 2, зато на другой увеличится с 2 до 4 :)

** Realized Gain (Net Gain) = Directivity (КНД) - ML (SWR mismatch-loss, потери на рассогласовании)

Почему производители ТВ антенн не стараются производить антенны с КСВ<2:
- у ТВ приемника нет передатчика, который может сгореть от своей же отраженной волны
- мощности в кабелях сверхнизкие (пиковатты), риска перегрева и выхода из строя несогласованных кабелей нет
- непринципиально сколько места в пространстве занимает антенна и непринципиально насколько узкий у неё луч диаграммы направленности. любые потери в КСВ просто восполняются небольшим сужением луча за счет увеличения размера антенны. Это в передатчиках надо стремиться, что если получили разрешение на 1 Ватт, то чтобы весь этот 1 Ватт дошел и излучился антенной. В ТВ антеннах энергия телецентра неисчерпаема. Если антенна "дырявая" и много теряет - можно на 10% увеличить её размер, никто не заметит. Покупатели никогда не покупают антенны по параметру "эффективности апертуры", наоборот, если антенна массивная - она внушает доверие что $100 это справедливая цена. Основная задача производителя - продать по максимальной цене, а не достичь КСВ=1.

- стоимость МШУ снизилась до цены 1-2 метров кабеля или 1-5% от стоимости антенны. Намного выгоднее сохранить на $20 цветмета, потратив $0.5 на МШУ
- чуть более чем все ТВ антенны имеют симметричный балансный выход, под который изготовить качественный балун невозможно. А раз его изготовить все равно невозможно - зачем стремиться к КСВ=1 у антенны, если балун испортит его.
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
iam
Новичок
Сообщения: 21
Зарегистрирован: 20 апр 2018, 00:12

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение iam » 24 апр 2018, 18:02

Доступны ли МШУ с симметричным балансным входом на 75 или 300 ом?
Какие можете рекомендовать?
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
Аватара пользователя
plyrvt
Знающий
Знающий
Сообщения: 767
Зарегистрирован: 10 дек 2016, 16:20
Благодарил (а): 1 раз
Поблагодарили: 43 раза

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение plyrvt » 24 апр 2018, 19:44

iam писал(а):
24 апр 2018, 18:02
Доступны ли МШУ с симметричным балансным входом на 75 или 300 ом?
У нас в продаже доступны только усилители с коаксиальным входом на 75 ("бочка", "брусок") и типа-симметричным входом на 300 с ферритовым трансформатором 4:1 (все усилители серий SWA/PAE/ALN и их клоны безымянных производителей в странах СНГ).

Усилитель с входом на 300 Ом на самом деле не имеет симметризации. Трансформатор Guanella/Ruthrof 4:1 сам по себе не обеспечивает симметризацию, амплитуды сигналов на его балансных выходах отличаются в 3 раза (если подать на вход 1V должно быть +1V / -1V на выходе, а на самом деле +1.5V / -0.5V)

Для того чтобы используя трансформатор Guanella/Ruthrof 4:1 сделать небалансный вход - надо добавить ещё один каскад из ферритового (или другого) трансформатора 1:1.
Для уменьшения потерь и для уменьшения размеров - этот каскад удаляют. Выигрыш в потерях (1-1.5 дБ для ферритового кольца на ДМВ) перевешивает потери на рассиметрировании.

Трансформатор 4:1 просто перепаять на балун 1:1 выбросив одну пару бифилярной обмотки.


iam писал(а):
24 апр 2018, 18:02
Какие можете рекомендовать?
Никакие не рекомендую. Поскольку создать неперестраиваемый усилитель на диапазон 47-862 МГц с КСВ<2 невозможно в принципе (из-за волновых свойств транзистора, конкретно матрица S-параметров в даташите, она же диаграмма Смита) - производители делают десятки почти идентичных усилителей. На некоторых узких участках диапазона (у всех - разные) КСВ снижается ниже 3 и эффективный коэффициент шума снижается до 3 дБ и ниже. На остальных участках шум достигает 6 дБ за счет высокого КСВ (до 10 и выше), а на всех или некоторых усилитель самовозбуждается (вплоть до полной непригодности или рост шума до десятков дБ).
Даже на диапазон 470-862 создать такой усилитель невозможно. Импорта нормальных усилителей стоит ожидать не ранее 2019 года, когда КРРТ заглушит частоты 700+ МГц
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
iam
Новичок
Сообщения: 21
Зарегистрирован: 20 апр 2018, 00:12

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение iam » 24 апр 2018, 22:06

Для уменьшения потерь и для уменьшения размеров - этот каскад удаляют. Выигрыш в потерях (1-1.5 дБ для ферритового кольца на ДМВ) перевешивает потери на рассиметрировании.
Во всех ли случаях это оправдано?
Возможны ли варианты, когда на потери 1-1.5 дБ можно не обращать внимания?
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
Аватара пользователя
plyrvt
Знающий
Знающий
Сообщения: 767
Зарегистрирован: 10 дек 2016, 16:20
Благодарил (а): 1 раз
Поблагодарили: 43 раза

Re: Скорость света в атмосфере Земли

Сообщение plyrvt » 24 апр 2018, 22:39

https://www.marutsu.co.jp/contents/shop ... e68133.pdf

вот пример даташита современного СВЧ биполярного транзистора NE68133 (до 9 ГГц) с шумом 1.2 дБ на 1.0 ГГц

Все ТВ усилители антенные проризводят на транзисторах этого семейства (различных произодителей) с незначительными вариациями характеристик.



Вот данные из S-11-матрицы по даташиту производителя представленные в форме Z-матрицы сопротивлений (активного и реактивного) по схеме с ОЭ.
Верхний ряд это увеличенный нижний ряд для диапазона 0-1 ГГц.

Активное сопротивление R с 500 МГц и до нескольких ГГц равно 16-17 Ом. На частотах ниже 400 МГц оно растет с 17 до 25 Ом при 100 МГц (ниже 100 МГц данных нет).

Реактивность на частоте 200 МГц нулевая (скомпенсирована), а с 400 до 800 МГц набирает с +j3 до +j11.1
470: Z= 17.12 +j 05.50
690: Z= 16.22 +j 09.41
800: Z= 16.25 +j 11.12
860: Z= 16.14 +j 12.05

Аналогичные данные есть для матрицы по выходному сопротивлению.

Транзистор выдает паспортный фактор шума (Nf=1.2 dB) в том и только в том случае, если он согласован и по входу и по выходу.
Если КСВ не равен 1 как по входу так и по выходу, то шум транзистора растет.
Кроме того из-за рассогласования теряется и часть энергии (отбивается назад в линию), поэтому приведенный (эффективный, действующий) фактор шума всего МШУ ещё хуже чем транзистора.

Хуже того, при определенных комбинациях S-параметров (зона нестабильности на диаграмме Смита) усилитель может переходить в генераторный режим (самовозбуждаться). Генерация может не обязательно быть стабильной, а наступать только если на входе появляется определенного (небольшого) уровня сигнал в пораженных участках. В антенных усилителях это могут быть сигналы других ТВ каналов или FM или сотовой связи. В другом месте где в пораженных участках нету источников сигнала, этот же усилитель может работать. Иными словами, при проектировании МШУ надо обеспечить две вещи:
- в желаемом диапазоне частот согласование входного и выходного импедансов (в идеале КСВ=1)
- не допускать попадания на вход мощных (соразмерных с основными сигналами) сигналов из других диапазонов (достигается полосовыми/режекторными фильтрами по входу или узкополосными антеннами с большой добротностью Q и соответственно частотной избирательностью)

Для согласования любых ВЧ транзисторов с нужным сопротивлением (например Zo=50 или 75 Ом) применяют всевозможные схемы шунтования, как на LC компонентах различных топологий, так и на полосковых линиях. В телевизионных МШУ применяют простейшие LC (часто для удешевления L выбрасывают), а также схемы с LC-коррекцией АЧХ через ООС


Общая блок-схема согласования КСВ для транзистора с ОЭ выглядит так:


Попробуем согласовать транзистор NE68133 на частоту 900 МГЦ (GSM-900) на 50 Ом как по входу так и выходу.
В качестве 2-полюсников U2 и U3 применим простейшие схемы с проходным последовательным C и катушкой L паралельно на землю.
Для транзистора NE68133 на эту частоту получится 19.85 pF + 6.65 nH по входу и 1.45 pF + 12.82 nH по выходу.
Анализируем пока виртуальную модель (в реальной печатной плате при выборе компоненов придется ещё учитывать реальную трассировку, индуктивности и ёмкости реальной компоновки печатной платы и паразитные ёмкости и индуктивности применяемых SMD компонентов).

Вот сводка всех S-параметров получившегося МШУ:


Красная линия - фактор шума, салатовая - отражение по входу (S11 <-10 dB это то же самое что КСВ<2)

Вот более крупным планом КСВ


Вот крупным планом фактор шума Nf

Хотя минимальный шум и опускается до паспортных 1.2 дБ, но в диапазоне который нас интересует он поднимается до 1.7 дБ

Минимальный КСВ получился 1.45 (далеко до идеала), а полоса по уровню КСВ=2 всего 830-1000 МГц.
На частоте 830 МГц 1.7 дБ шума + 0.51 дБ потерь рассогласования (КСВ=2) это 2.3 дБ эффективный фактор шума всего МШУ.
Минимальный на 910 МГц 1.45+0.13 = 1.58 дБ

При потенциале транзистора 1.2 дБ, смогли добиться 1.58 дБ шум на одной частоте и уже 2.3 дБ на +-10% от центральной частоты.

Согласование на 75 Ом ещё хуже чем на 50. Преобразовывать надо с 15-17 Ом, а чем больше трансформация - тем LC шунты более узкополосны и более высокие потери в них.
Чи не доводилось Вам зустрічати інформацію про параметри повітряних ліній передачі у вигляді паралельних металічних смуг " | | " або кутових профілів " < > "," > < " ?
Доводилося.
Програма ATLC2 рахує хвильові опори для абсолютно довільних провідників (в т.ч. неправильної химерної форми).

Для окремих випадків, коли смуги з прямокутних провідників, - існують повні аналітичні (математичні) рішення полів.
Ось тут деякі аналітичні рішення прямо в онлайн-калькуляторі JavaScript (у випадку повітря/вакууму - вводити epsilon=1)
https://www.eeweb.com/tools/edge-couple ... -impedance

Єдина вимога ATLC2 чи EEWeb - лінія повинна бути пряма і однорідна (гомогенна) по всій довжині.

У випадку якщо лінія неоднорідна (лінії перемінного перерізу, конусні, зчленовані лінії з кусків різного опору і т.д.) - її опір буде залежати від частоти вимірювання і вона буде мати реактивність. Графік Z = R +jX для таких ліній можна отримати легко в HFSS.
Зарегистрируйся и читай форум без рекламы! Вход через Соцсети занимает 5 секунд.
Ответить

Вернуться в «Эфирные антенны»