Радиопередатчик или приемник подключен к антенне, которая излучает или принимает радиоволны . Система питания антенны или фидер антенны — это кабель или проводник и другое сопутствующее оборудование, которое соединяет передатчик или приемник с антенной и делает два устройства совместимыми. [1] [2] В радиопередатчике передатчик генерирует переменный ток радиочастоты , а система питания подает ток на антенну, которая преобразует мощность тока в радиоволны. В радиоприемнике входящие радиоволны возбуждают крошечные переменные токи в антенне, а система питания подает этот ток на приемник, который обрабатывает сигнал.
Для эффективной передачи радиочастотного тока фидер , соединяющий передатчик или приемник с антенной, должен быть специальным типом кабеля, называемым линией передачи . На микроволновых частотах часто используется волновод , который представляет собой полую металлическую трубу, переносящую радиоволны. В параболической (тарелочной) антенне фидер обычно также определяется как включающий фидерную антенну ( рупорный облучатель ) , которая излучает или принимает радиоволны. В частности, в передатчиках система фидера является критическим компонентом, сопротивление которого согласуется с антенной, фидерной линией и передатчиком. Для достижения этого система фидера может также включать схемы, называемые блоками настройки антенны или согласующими сетями между антенной и фидерной линией и фидерной линией и передатчиком. [3] На антенне точка фидера — это точка на ведомом элементе антенны, к которой подключен фидер.
В передатчике фидер антенны считается всеми компонентами между конечным усилителем передатчика и точкой питания антенны. [3] В приемнике это все компоненты между антенной и входными клеммами приемника. В некоторых случаях, таких как параболические тарелки, он также определяется как включающий фидерную антенну или рупорный фидер .
В некоторых радиоприемниках антенна крепится непосредственно к передатчику или приемнику, например, штыревые антенны, установленные на рациях и портативных FM-радио , антенны-рукава беспроводных маршрутизаторов и антенны PIFA внутри сотовых телефонов. В этом случае система подачи состоит только из схемы согласования импеданса (при необходимости) между антенной и передатчиком или приемником, которая согласует импеданс антенны с радио. [3]
В других случаях антенна располагается отдельно от передатчика или приемника, например, в антеннах вещательного телевидения и спутниковых антеннах, установленных на крышах жилых домов, секторной антенне на вышках сотовой связи базовых станций сотовой связи , вращающихся антеннах радаров в аэропортах и антенных вышках радио- и телевизионных станций . [3] В этом случае антенна подключается к передатчику или приемнику с помощью кабеля, называемого фидером . Для эффективной передачи радиочастотного (РЧ) тока фидер изготавливается из специального кабеля, называемого линией передачи . Преимущество линии передачи заключается в том, что она имеет равномерное характеристическое сопротивление , что позволяет избежать резких скачков импеданса, которые вызывают отражение радиоэнергии обратно по линии. Основными типами линии передачи являются параллельная проводная линия ( двухпроводная ), коаксиальный кабель и для микроволновых петель волновод .
В радиоантенне фидерная линия ( фидер ) — это кабель или другая линия передачи , которая соединяет антенну с радиопередатчиком или приемником . В передающей антенне она подает ток радиочастоты ( РЧ) от передатчика к антенне, где энергия в токе излучается в виде радиоволн . В приемной антенне она передает крошечное напряжение РЧ, индуцированное в антенне радиоволнами, к приемнику. Для эффективной передачи тока РЧ линии изготавливаются из специализированных типов кабелей, называемых линиями передачи . Наиболее широко используемыми типами линий передачи являются коаксиальный кабель , двухпроводной , лестничный кабель и на микроволновых частотах волновод .
В частности, в случае передающей антенны линия подачи является критически важным компонентом, который необходимо настроить для правильной работы с антенной и передатчиком. Каждый тип линии передачи имеет определенное характеристическое сопротивление . Оно должно быть согласовано с сопротивлением антенны и передатчика, чтобы эффективно передавать мощность на антенну. Если эти сопротивления не согласованы, это может вызвать состояние, называемое стоячими волнами на линии подачи, при котором радиочастотная энергия отражается обратно к передатчику, тратя энергию и, возможно, перегревая передатчик. Эта настройка выполняется с помощью устройства, называемого антенным тюнером в передатчике, а иногда и согласующей сети на антенне. Степень несоответствия между линией подачи и антенной измеряется прибором, называемым измерителем КСВ (измерителем коэффициента стоячей волны), который измеряет коэффициент стоячей волны (КСВ) на линии.
Двойной провод используется для соединения FM-радиоприемников и телевизионных приемников с их антеннами, хотя в последнем случае он был в значительной степени заменен коаксиальным кабелем, а также в качестве линии питания для маломощных передатчиков, таких как любительские радиопередатчики . Он состоит из двух проводников, идущих параллельно друг другу с точно постоянным интервалом, отформованных в полиэтиленовом изоляционном материале в плоский лентообразный кабель. Расстояние между двумя проводами мало по сравнению с длиной волны радиочастотного сигнала, передаваемого по проводу. Радиочастотный ток в одном проводе равен по величине и противоположен по направлению радиочастотному току в другом проводе. Таким образом, вдали от линии радиоволны, излучаемые одним проводом, будут противоположны по фазе и будут гасить волны, излучаемые другим проводом.
По той же причине двухпроводной кабель также в значительной степени невосприимчив к радиопомехам и радиочастотным помехам (RFI), пока оба провода находятся на одинаковом расстоянии от любых крупных металлических предметов или других параллельных проводов. Любые нежелательные внешние радиоволны вызывают токи одинаковой величины в одном направлении (в фазе) на обоих проводах. Поскольку, пока вход приемника сбалансирован, он реагирует только на дифференциальные (противоположные) токи, шумовые токи нейтрализуются.
Двойной провод обычно называют типом « сбалансированной линии », однако, это необходимо смягчать здравым смыслом: все типы кабелей, как параллельные провода, так и коаксиальные, способны проводить сбалансированный ток, и все могут проводить несбалансированный ток, который будет излучаться. По этой причине каждый тип линии питания требует некоторого внимания, чтобы сделать ее «сбалансированной», и может стать «несбалансированной», если пренебречь ею; все должны питаться сбалансированным током и подключаться через симметрирующие трансформаторы тока (или «линейные изоляторы») в нескольких точках вдоль линии, чтобы удалить шум, вносимый несбалансированным током.
Коаксиальный кабель, вероятно, является наиболее широко используемым типом фидерной линии, используемой для частот ниже микроволнового ( СВЧ ) диапазона. Он состоит из центрального проводника из проволоки и плетеного или сплошного металлического «экранирующего» проводника, обычно из меди или алюминия , окружающего его. Центральный проводник отделен от внешнего экрана диэлектриком , обычно из пластиковой пены, чтобы поддерживать точное постоянное расстояние между двумя проводниками. Экран покрыт внешней пластиковой изоляционной оболочкой. В жестком коаксиальном кабеле, используемом для приложений передачи высокой мощности, таких как телевизионные передатчики , экран представляет собой жесткую или гибкую металлическую трубку, содержащую сжатый газ, такой как азот , а внутренний проводник удерживается по центру периодическими пластиковыми распорками.
Коаксиальный кабель называется « несбалансированной линией », поскольку экранированный проводник обычно подключен к электрическому заземлению , однако токи, протекающие по центральному проводнику, уравновешиваются противоположными токами, которые скользят по внутренней поверхности экрана; на самом деле несбалансированным является только ток, протекающий по внешней поверхности коаксиального экрана. Если этот ток можно заблокировать, то коаксиальный кабель становится «сбалансированной линией». Большим преимуществом коаксиального кабеля является то, что охватывающий экранированный проводник изолирует внутренние токи кабеля от внешних электромагнитных полей. Если токи, протекающие по внешней поверхности, блокируются, коаксиальный кабель становится невосприимчивым к близлежащим металлическим предметам и невосприимчивым к помехам.
Волновод используется на частотах СВЧ ( СВЧ ), на которых другие типы линий передачи имеют чрезмерные потери мощности. Волновод представляет собой полый металлический проводник или трубу. Он может иметь круглое или квадратное поперечное сечение. Проходы волновода часто находятся под давлением азотного газа, чтобы не допустить попадания влаги. Радиочастотный сигнал распространяется по трубе аналогично тому, как звук распространяется в трубке. Металлические стенки удерживают его от излучения энергии наружу, а также предотвращают попадание помех в волновод. Из-за стоимости и обслуживания, которые влечет за собой волновод, микроволновые антенны часто имеют выходной каскад передатчика или радиочастотный входной конец приемника, расположенный на антенне, и сигнал подается на остальную часть передатчика или приемника или от нее на более низкой частоте с помощью коаксиального кабеля. Волновод считается несбалансированной линией передачи .
В частности, в случае передающей антенны фидер антенны является критически важным компонентом, который должен быть настроен для работы в совместимом режиме с антенной и передатчиком. [3] Выходные клеммы передатчика, линия передачи и антенна имеют определенное характеристическое сопротивление , которое является отношением напряжения к току на клеммах устройства. Для передачи максимальной мощности между передатчиком и антенной передатчик и фидерная линия должны быть согласованы по сопротивлению с антенной. [1] Это означает, что передатчик и антенна должны иметь одинаковое сопротивление и равное, но противоположное реактивное сопротивление . Фидерная линия также должна быть согласована по сопротивлению с передатчиком. [4] Если это условие выполняется, антенна будет поглощать всю мощность, подаваемую фидерной линией. Если импедансы на обоих концах линии не совпадают, это вызовет состояние, называемое « стоячими волнами » (высокий КСВ ) в фидерной линии, при котором часть мощности радиочастот не излучается антенной, а отражается обратно к передатчику, что приводит к потере энергии и возможному перегреву передатчика. Большинство передатчиков имеют стандартное выходное сопротивление 50 Ом , рассчитанное на питание коаксиального кабеля сопротивлением 50 Ом.
Передатчик согласуется с фидером с помощью устройства, называемого антенным тюнером , антенным настроечным блоком или согласующей сетью , которая может быть схемой в передатчике или отдельным элементом оборудования, подключенным между передатчиком и фидером. [3] [1] Между антенной и фидером может быть другая согласующая сеть, чтобы согласовать фидер с антенной. [4] В потребительских беспроводных устройствах, которые работают на фиксированных частотах, согласующая сеть не регулируется и заключена в корпус устройства. В больших передатчиках, таких как радиовещательные станции , и передатчиках, которые могут работать на разных частотах, таких как коротковолновые станции, антенный тюнер регулируется. Изменения частоты передатчика или регулировки выходного каскада передатчика или антенны обычно изменяют импеданс, поэтому после выполнения любых работ с передатчиком или антенной необходимо проверить КСВ и отрегулировать согласующую сеть. Для настройки согласующей цепи простейший прибор для измерения степени несоответствия между фидерной линией и антенной называется измерителем КСВ (измерителем коэффициента стоячей волны), который показывает коэффициент стоячей волны (КСВ) на линии: отношение максимального и минимального напряжения или тока на линии. Отношение 1:1 указывает на соответствие импеданса, то есть нагрузка полностью резистивная, поэтому вся мощность поглощается и не отражается. Более высокое отношение указывает на несоответствие и отраженную мощность. Согласующая цепь настраивается до тех пор, пока КСВ не станет ниже приемлемого предела. Другими более совершенными приборами являются мосты импеданса и анализаторы антенн .
Поскольку в передатчике с согласованным импедансом сопротивление источника передатчика равно сопротивлению фидерной линии и сопротивлению нагрузки антенны, и оба они включены последовательно в фидерную линию и потребляют одинаковую мощность, максимальная мощность, которая может быть доставлена в антенну, составляет 50% выходной мощности передатчика; остальные 50% рассеиваются в виде тепла сопротивлением в выходном каскаде передатчика. (Согласованная фидерная линия рассеивает небольшое количество мощности через небольшое сопротивление, но большая часть ее кажущегося резистивного сопротивления — это просто напряжение, необходимое для преодоления индуктивных и емкостных реактивных сопротивлений фидерной линии, которые сами по себе не вызывают потерь.)
В радиоприемниках несоответствие импеданса антенне вызывает аналогичное снижение энергии сигнала от антенны, которая достигает приемника, что также составляет максимум 50% от мощности перехваченного сигнала, а мощность, подаваемая на приемник, намного меньше, когда линия несоответствует и КСВ высок. Однако потери на частотах ниже 10~20 МГц не являются большой проблемой, поскольку тепловой уровень шума в приемниках намного ниже атмосферного шума, уже встроенного в сигнал, поэтому слабый сигнал от антенны можно просто усилить в приемнике, чтобы компенсировать потерю мощности из-за любого несоответствия, без заметного загрязнения его шумом. На частотах выше 20 МГц атмосферный шум свободно излучается в пространство, и поэтому он достаточно низок в принимаемых сигналах, приближаясь к уровню собственного внутреннего шума приемника; на этих частотах VHF и UHF усиление ухудшает отношение сигнал/шум , и согласование импеданса принимаемого сигнала является важной проблемой для приема слабых сигналов.
Линии передачи и их присоединенные компоненты можно классифицировать как сбалансированные, в которых обе стороны линии имеют одинаковое сопротивление относительно земли, например, дипольные антенны и параллельные проводные линии , или несбалансированные, в которых одна сторона линии подключена к земле , например, монопольные антенны и коаксиальный кабель . [5] Для соединения сбалансированных и несбалансированных компонентов используется двухпортовое устройство, называемое симметрирующим трансформатором . Симметрирующий трансформатор — это трансформатор , который соединяет сбалансированные и несбалансированные компоненты линии передачи. Например, для питания дипольной антенны от несбалансированной линии подачи, такой как коаксиальный кабель, линия подачи подключается к антенне через симметрирующий трансформатор . Без симметрирующего трансформатора несбалансированная часть тока будет протекать по внешней стороне экрана коаксиального кабеля, в результате чего внешняя поверхность экрана будет действовать как антенна.
Более сложные каналы могут иметь и другие компоненты, помимо фидерной линии и сетей согласования:
Приемная антенна с длинной фидерной линией может иметь усилитель на антенне, называемый малошумящим усилителем (МШУ), который увеличивает мощность слабых радиосигналов для компенсации затухания в фидерной линии.
На микроволновых частотах обычные типы линий передачи имеют чрезмерные потери мощности, поэтому для низких потерь микроволны должны передаваться по волноводу , полой металлической трубе, которая проводит радиоволны. Из-за высокой стоимости и требований к обслуживанию длинные волноводные трассы избегаются, а параболические антенны, используемые на микроволновых частотах, часто имеют входной радиочастотный конец приемника или части передатчика, расположенные на антенне. Например, в спутниковых антеннах облучатель на антенне , который собирает микроволны, присоединен к схеме, называемой малошумящим блочным понижающим преобразователем (LNB или LNC), который преобразует высокую микроволновую частоту в более низкую промежуточную частоту , поэтому ее можно передавать в здание с помощью более дешевой коаксиальной кабельной линии подачи.
Антенны радиолокационных и спутниковых коммуникационных систем могут обрабатывать радиоволны нескольких частот и поляризаций и могут использоваться как передающие, так и приемные антенны, поэтому система подачи переносит радиосигналы, распространяющиеся в обоих направлениях. Поэтому эти антенны часто имеют более сложные фидеры, включающие специализированные компоненты, такие как
Антенная решетка или антенная решетка состоит из нескольких антенн, которые подключены к одному передатчику или приемнику, которые работают вместе для излучения или приема радиоволн. Системы питания антенных решеток, как и следовало ожидать, сложнее, чем у отдельных антенн. Сеть питания должна равномерно распределять мощность передатчика между антеннами. Для излучения плоской волны отдельные антенны (элементы) передающей решетки должны питаться током с определенным фазовым соотношением. Аналогично с приемными решетками токи от каждого элемента могут нуждаться в сдвиге по фазе, чтобы они объединялись в фазе в приемнике. Для этого могут потребоваться сети сдвига фазы на каждом элементе. В фазированных антенных решетках, типе антенных решеток, в которых луч может управляться электронным способом в разных направлениях, каждый элемент антенны питается током через программируемый фазовращатель, который управляется компьютером.