Что такое согласование? В общем виде это некая договоренность кого-то с кем-то. Как любил говаривать главный предатель СССР, консенсус! Вы наверняка (если житель города?) видели результат какого-то согласования. Где? Да даже в своём дворе. Это когда кто-то как свинья разрывает Вам весь двор. Или где-то начинают что-то прокладывать?.. Ведь перед этим инициатор временного бардака согласовывает свои действия с конторами: электрические сети, газ, водопровод, канализация, телефон, спецсвязь и многое другое... И чем глубже зарываются в землю, тем интереснее... Для нас же это несколько другое?..
Наша задача с меньшими потерями передать энергию из пункта А в пункт Б! От передатчика в антенну посредством линии питания. Если не учитывать естественные потери в проводниках то? Свести к минимуму потери за счёт отражения от неровностей, чего? Сопротивления всех частей пути. В общем виде это на рис.17а, где Ri, внутреннее сопротивление генератора, Z волновое сопротивление линии питания и Za входное сопротивление антенны. Za может в общем виде быть и комплексной величиной. Иметь как активную составляющую, так и реактивную. Но мы пока закроем глаза на реактивность и будем думать о хорошем. Да, бывают случаи когда равенство на рис.17а удовлетворяется автоматически, скрутил проводки и до свидания! Но чаще всё выглядит как на рис.1, а переходное устройство не, что иное как согласующее. Вот и мы будем решать с помощью какого, такого устройства согласовать. Генератор ВЧ или проще передатчик, уже внутри имеет согласующее устройство, в смысле мол всё это само-собой! О чём здесь трендеть?! А вот согласовать антенное хозяйство с линией наша главная задача.
Так, с чего же нам начать? С распределения тока и напряжения как в антенне, так и в линии. В частности в отрезках линий. А зная распределение можем определить и сопротивление в любой точке. Естественно по закону дедушки Ома! На рис.10 и рис.11 мы видим распределение напряжения как в волновом вибраторе, так и полуволновом. Как к тому, так и другому подключен четвертьволновый отрезок линии, со своим распределением напряжения. А распределение согласно закону Ома ведёт к распределению сопротивления, как вдоль вибратора, так и четвертьволнового отрезка линии. И теперь, двигаясь по отрезку снизу вверх мы обнаруживаем, что сопротивление меняется от нуля внизу до больших (несколько тысяч Ом) величин в верху. То есть, подключая линию питания к отрезку мы можем подобрать такие точки подключения где сопротивление отрезка и нашей линии питания будут совпадать! Тем самым будет антенна согласована с линией! Чего мы и добиваемся. Отрезок в свою очередь стал называться ЧЕТВЕРТЬВОЛНОВЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ. Если грубо, то он трансформировал сопротивление с малого до большого значения, и наоборот. Но? Но, во первых всё это начиналось в эпоху двухпроводных линий, а во-вторых, размер имеет значение! Нет не тот о котором Вы подумали, а значении волнового сопротивления Zе линии питания, так и Z трансформатора. А тут и входное сопротивление антенны Zа подкатило. Долго ли, коротко ли, но родилась вот такая зависимость рис.12а. А схема такого согласования на рис.12. Вот и получается, что мы, имея готовую линию питания с Ze, антенну с Za вот так просто, от балды взять отрезок для согласования не можем. Получив из рис.12а значение Z не всегда сможем осуществить трансформацию физически! Существует множество номограмм (на все случаи жизни) по которым можем быстро определить, что-то для нашего решения задач.
И вот, (для примера) после расчёта мы получим значение Z нашего трансформатора равного 100 Ом, мы физически не сможем его реализовать. По номограмме Z=100 Ом будет получено в случае отношения расстояния между проводниками к их диаметру равного 1! Это значит, что проводники будут просто соприкасаться друг с другом!!! И когда Вы увидите такую номограмму обнаружите, что она обрывается на Z = 100 Ом! И, что же нам делать? Подбирать линию питания с Z большем нежели Вы взяли для расчёта.
Теперь отвлечёмся от грустного... На рис.5 схема, а на рис.2 воплощение в жизнь прапрадедушки согласующих устройств, так называемое Т-образная схема согласования. Тут всё просто. Двигая перемычки вдоль полотна вибратора от центра к краям мы можем подобрать такое сопротивление, которое будет равно Ze линии и осуществить полное согласование. А причём какие-то железные цифорки на рис.5? А, это критические точки (P1 и P2) в которых сопротивление будет максимальным! Почему? Потому-как оно при дальнейшем перемещении перемычек будет уменьшаться... И всё потому, что наш вибратор совместно с Т- схемой будет превращаться в петлевой вибратор! С входным сопротивлением около 240-280 Ом! Зелёная зона часть вибратора где ещё можно пытаться найти согласование. Красными линиями показано превращения вибратора совместно со схемой Т-согласования в петлевой вибратор. Голубым как бы площадь этого петлевого.
Дальнейшим развитием Т-схемы, это Гамма - согласование рис.3. Как видите это как половинка от Т-схемы и вдобавок линия, коаксиальный кабель. Ёмкость С служит для компенсации индуктивной реактивности. Более удобной для практики стало Омега-образное согласование рис.4. Здесь перемычка неподвижная и вообще наглухо соединена с вибратором. С1 по-прежнему компенсирует реактивную индуктивность, а С2 играет роль подвижной перемычки. Такую схему я применял на своей станции. Правда вибратор был вертикальный. Так ещё, все конденсаторы были на уровне глаз. Здесь есть некая несуразность?! Схема которую я слямзил с книги (откуда же ещё?) верхний кончик С2 подключается к точке отстоящей от центра вибратора. В другой же книге та же схема, но кончик подсоединён к центральной точке (штриховая линия)?! Кто прав и кто виноват? И главное, что с этим делать? Я считаю, что второй вариант более правильный?!
Всё, что мы рассмотрели удобно лишь на УКВ-диапазонах. А вот на КВ почти нет! И как развитие темы но уже для КВ, это Дельта-согласование рис.14. Где Т превратилась в V в остальном тоже самое. Вот на рис.18 Вы видите практическое применение Дельты! Это приёмная часть радиолокационной станции РЕДУТ-40. 40, год принятия на вооружение Армии. Все железки установлены на полуторке ГАЗ-ААА. Передающая часть с такой же антенной на автомобиле ЗИС-6. Кроме того на третьем авто и электростанция питания железяк. Окружность показывает место где присосалась эта Дельта, а стрелочка указывает на перекладину и начало длинной линии идущей в аппаратную.
Ещё более наглое применение почти Дельты на рис.13. Коаксиальный кабель присобачен к вибратору напрямую. Подбор сопротивления производится передвижением отвода центральной жилы вдоль вибратора.
Поговорим о применении четвертьволновых трансформаторов для согласования. Как применяется непосредственно трансформатор мы уже говорили тот, что на рис.12. Теперь настало время рассмотреть его в роли так называемого шлейфа. Шлейфа, который может быть как замкнутый, так и разомкнутый. Применение того или другого зависит от отношения входных сопротивлений антенн и Z волнового сопротивления питающей линии. Если Za > Z, то применяют замкнутый шлейф (снизу), а если Z > Za, то разомкнутый. Схематически шлейфы и линии выглядят так как на рис.6 и рис.8. Но, вот на практике это очень и очень неудобно. Как правило линия бывает значительно длиннее шлейфа и стало быть тяжелее. Вот поэтому проще и надёжнее когда линия держится не за шлейф, а за антенну как на рис.7 и рис.9. А уже шлейф (и то не весь) подвешивается на линию. Да, здесь уж не разгуляешься от нуля и до максимума, но? Но существуют номограммы позволяющие заранее определить параметры схемы согласно значениям Z и Za. А, уж более точно подогнать небольшим передвижением шлейфа по линии. На рис.15 Вы видите подключение закороченного шлейфа к концу вибратора. Где сопротивление около нескольких тысяч Ом, а волновое линии как правило около 300 или ещё меньше.
Всё, что было написано выше актуально было раньше (отчасти и сейчас) но появились новые ферромагнетики, а с ними и применение высокочастотных мини-трансформаторов сопротивлений. Да, они имели дискретные коэффициенты деления, но? Но с этим можно было мириться и по возможности подстраиваться. На рис.16 схема такого трансформатора. Он трансформирует сопротивление антенны 300 Ом в 75 Ом. Вот такой у меня уже с десяток лет работает и даже неплохо. Сердечник типа 20ВЧ, в виде тороида. Обмотка несколько витков, бифилярная. Так ещё наматывается сразу двумя проводами. Затем как на схеме. Получается идеальная средняя точка. Длиной обмотки довожу КСВ до минимума и всё! Возня такая связана с тем, что антенна у меня многодиапазонная и приходится хоть как-то всем угождать! :-)) Конечно КСВ на разных диапазонах разные и далеко не маленькие. Приходится крутиться. И если сможем получить на всех диапазонах КСВ не более 2, это уже ЩАСТЯ! :-))
И напоследок о симметрировании. Что это такое? Это когда симметричный вход (выход) антенны подключается к несимметричной линии, как-то коаксиальный кабель. Бывает и наоборот. Чем нам грозит эта нестыковка? Дело в том, что в такой ситуации появляются относительно земли уравнивающие токи. Так система стремится уравновеситься. Эти токи текут по поверхности кабеля. И, что с того? А с того, что кабель начинает сам излучать вместе с антенной. Получается, что антенна как бы далеко не отстоит от передатчика, а на самом деле под самым нашим носом! Стало быть помехи... И как бонус искажение ДН, диаграммы направленности... Стало быть нужно что-то делать?! А, нужно применять симметрирующие устройства, те которые не дадут появляться нехорошим токам! Одним из таких Вы и видите на рис.17. Это классический четвертьволновый стакан, замкнутый на донышке и соединённый с внешним проводником кабеля. А такое устройство с точки зрения электромагнитных волн имеет очень большое сопротивление. И стало быть является преградой нехорошим токам!
Честно скажу, что такое устройство не единственное и неповторимое... Их очень много. Но не думаю, что все они Вас заинтересуют?! А кому нужно позарез, в литературе в конце всех мини-лекций, посвящённых антенным системам.