Двойной вывод

300 Ом двухпроводной

Двухпроводной кабель — это двухпроводной плоский кабель, используемый в качестве сбалансированной линии передачи для передачи радиочастотных (РЧ) сигналов. Он состоит из двух многожильных медных проводов или сплошных стальных проводов, покрытых медью. Провода удерживаются на фиксированном расстоянии друг от друга пластиковой лентой, которая является хорошим изолятором на радиочастотах (обычно полиэтиленом ). Его также называют (двухпроводным) ленточным кабелем . Равномерное расположение проводов является ключом к функции кабеля как линии передачи: любое резкое изменение расстояния приведет к тому, что часть сигнала будет отражаться обратно к источнику, а не проходить через него. Пластик также покрывает и изолирует провода. Название « двухпроводный кабель» чаще всего используется для обозначения именно ленточного кабеля сопротивлением 300 Ом (Ом) , наиболее распространенного типа, но иногда «двухпроводный кабель» используется для обозначения любого типа параллельной проводной линии . Параллельная проводная линия доступна с несколькими различными значениями характеристического импеданса , например, двухпроводной ленточный кабель (300 Ом ), оконная линия (300 Ом, 350 Ом или 450 Ом) и открытая проводная линия или лестничная линия (500~650 Ом ).

Двойной провод в основном используется в качестве фидера антенны на коротких волнах и частотах VHF для подключения радиоприемников и передатчиков к их антеннам . Он может иметь значительно меньшие потери сигнала, чем миниатюрный гибкий коаксиальный кабель , основной альтернативный тип фидера на этих частотах; например, коаксиальный кабель типа RG-58 теряет 6,6 дБ на 100 метров (330 футов) на частоте 30 МГц, в то время как двойной провод 300 Ом теряет всего 0,55 дБ. ^[1] Двойной провод 300 Ом широко используется для подключения FM-радио к их антеннам и ранее использовался для подключения телевизионных антенн к телевизорам, пока его не заменил коаксиальный кабель. Однако он более уязвим для помех; близость к металлическим предметам будет вводить сигналы в любой тип параллельной проводной линии, которые будут заблокированы более удобным / более популярным коаксиальным кабелем . Поэтому необходимо предусмотреть пространство вокруг водосточных желобов , на расстоянии от металлических ограждений, наружной обшивки стен и металлических крыш, а также установить его на опорных изоляторах при установке на металлических антенных мачтах.

Характеристики и применение

Двойной вывод и другие типы линий передачи с параллельными проводниками в основном используются для подключения радиопередатчиков и приемников к их антеннам . Параллельная линия передачи имеет то преимущество, что ее потери на единицу длины на порядок меньше, чем у коаксиального кабеля , основной альтернативной формы линии передачи . Ее недостатки в том, что она более уязвима к помехам и должна находиться вдали от металлических предметов, которые могут вызывать потери мощности и искажения импеданса (следовательно, обратно отраженные волны). По этой причине при установке вдоль внешней стороны зданий и на антенных мачтах необходимо использовать опорные изоляторы. Также обычной практикой является скручивание двойного вывода на длинных свободно стоящих длинах для дальнейшего отклонения любых наведенных дисбалансов в линии.

Параллельная проводная линия (общее значение двухпроводной ) поставляется в нескольких различных размерах со значениями характеристического сопротивления 600 Ом , 500 Ом (лестничная линия), 450 Ом, 350 Ом (линия окна), 300 Ом (линия окна, ленточный кабель) и 75 Ом (ленточный кабель) . Наиболее распространенный двухпроводной ленточный кабель 300 Ом когда-то широко использовался для подключения телевизоров и FM-радиоприемников к их приемным антеннам. Двухпроводной ленточный кабель 300 Ом для телевизионных установок был в значительной степени заменен коаксиальным кабелем 75 Ом . Несколько форм параллельной проводной линии используются на любительских радиостанциях в качестве фидерной линии для сбалансированной передачи радиочастотных сигналов, чаще всего как 450 Ом оконная линия вместо двухпроводного ленточного кабеля.

Характеристическое сопротивление двухпроводного кабеля зависит от диаметра провода и его расстояния; в двухпроводном ленточном кабеле сопротивлением 300 Ом, наиболее распространенном типе, провод обычно имеет калибр AWG 20 или 22 (0,52 или 0,33 мм²), на расстоянии около 7,5 миллиметров (0,30 дюйма) друг от друга. ^[2]^{(стр. 24⸗16–24⸗17)} Это хорошо согласуется с естественным сопротивлением антенны с петлей диполя , которое обычно составляет около 275 Ом. Двухпроводной кабель обычно имеет более высокое сопротивление, чем другой распространенный передающий кабель, коаксиальный кабель (коаксиал). Широко используемый коаксиальный кабель RG-6 имеет характеристическое сопротивление 75 Ом, что требует использования симметрирующего устройства для согласования сопротивления при использовании с распространенными типами антенн.

Как это работает

Балун 300-75 Ом , с правой стороны показан двухпроводной ленточный кабель

Двойной провод (в конкретном смысле ленточный кабель) представляет собой форму параллельной проводной сбалансированной линии передачи . Разделение между двумя проводами в двойном проводе мало по сравнению с длиной волны радиочастотного ( РЧ) сигнала, передаваемого по проводу. ^[2]^{(стр. 24⸗1)} РЧ - ток в одном проводе равен по величине и противоположен по направлению РЧ-току в другом проводе. Поэтому в дальней зоне поля вдали от линии передачи радиоволны , излучаемые одним проводом, равны по величине, но противоположны по фазе (сдвинуты на 180° по фазе ) волнам, излучаемым другим проводом, поэтому перекрывающиеся противоположные волны компенсируют друг друга. ^[2]^{(стр. 24⸗16–24⸗17)} В результате линия практически не излучает чистой радиоэнергии.

Аналогично, любые мешающие внешние радиоволны будут индуцировать равные, синфазные токи RF, движущиеся в одном направлении, в двух проводах, пока каждый из них сохраняет одинаковое сопротивление. Поскольку нагрузка на конце назначения подключена через провода, номинально, только дифференциальные , противоположно направленные токи в проводах создают ток в нагрузке. Таким образом, мешающие токи отменяются, поэтому двойной провод не имеет тенденции улавливать радиопомехи.

Однако если кусок металла расположен достаточно близко к двухпроводной линии, на расстоянии, сопоставимом с расстоянием между проводами, он будет значительно ближе к одному проводу, чем к другому. В результате ток РЧ, наведенный в металлическом объекте одним проводом, будет больше, чем противоположный ток, наведенный другим проводом, поэтому токи больше не будут компенсироваться. Таким образом, близлежащие металлические объекты могут вызывать потери мощности в двухпроводных линиях из-за энергии, рассеиваемой в виде тепла наведенными токами. Аналогично, радиошум, возникающий в кабелях или металлических объектах, расположенных вблизи двухпроводной линии, может индуцировать неуравновешенные токи в проводах, связывая шум с линией. Поэтому линия должна находиться на расстоянии от металлических объектов, таких как желоба и мачты.

Чтобы предотвратить отражение мощности от конца нагрузки линии, вызывающее высокий КСВ и неэффективность, нагрузка должна иметь импеданс , который соответствует характеристическому импедансу линии. Это заставляет нагрузку казаться электрически идентичной продолжению линии, предотвращая отражения. Аналогично, для эффективной передачи мощности в линию источник также должен соответствовать характеристическому импедансу. Для подключения сбалансированной линии передачи к несбалансированной линии, такой как коаксиальный кабель , необходимо использовать устройство, называемое симметрирующим трансформатором .

Линия окна и линия лестницы

Помимо двухжильного ленточного кабеля, двухпроводная параллельная проводная линия выпускается в двух дополнительных формах: оконная линия и лестничная линия (также известная как открытая проводная линия ).

Линия окна

Линия с окошком представляет собой более объемную разновидность параллельной проводной линии, чем двухпроводной ленточный кабель; она построена аналогичным образом, но большего размера, за исключением того, что полиэтиленовая лента между ними, удерживающая провода отдельно, имеет равномерно расположенные прямоугольные отверстия («окна»), вырезанные в ней. ^[3]^[2]^{(стр. 24⸗1)}

Среди преимуществ вырезания «окон» в ленте — то, что производитель может регулировать размер разрезов для точной настройки электрических свойств фидерной линии. Окна облегчают линию и уменьшают количество поверхности, на которой может скапливаться грязь и влага, что делает линию с окном несколько менее уязвимой к изменениям ее характеристического сопротивления, вызванным погодными условиями. Наиболее распространенным типом является линия с окном номинальным сопротивлением 450 Ом , которая имеет расстояние между проводниками около дюйма (25 мм); ее фактическое сопротивление может быть ближе к 400 Ом. ^[2]^{(стр. 24⸗1)} Она также изготавливается с номинальным сопротивлением 350 Ом (которое на самом деле может быть ближе к 300 Ом). ^[2]^{(стр. 24⸗1)}

Лестничная линия

Лестничная линия — это более старая, более простая форма параллельно-проводной линии, часто называемая открытой проводной линией . Конфигурация выглядит как веревочная лестница , отсюда и название. Ее можно либо купить готовой у кабельной компании, либо сделать самостоятельно ; конструкция проста, хотя и утомительна, и изначально все радиолюбители делали свою собственную открытую проводную линию. Она состоит из двух проводов, обычно либо одетых в изолятор постоянного тока , либо покрытых прочным лаком , удерживаемых на постоянном расстоянии друг от друга изолированными распорками.

Номинальное сопротивление 600 Ом — Открытая проводная линия или *лестничная линия* сопротивлением 500–600 Ом , питающая высоковольтную антенну.

Распорки «ступеньки лестницы» можно сделать из любого удобного изоляционного материала — в настоящее время это обычно короткие куски, вырезанные из пластиковой водопроводной трубы — раньше использовались либо длинные тонкие керамические изоляторы, либо штифты из водонепроницаемой древесины. «Ступеньки» удерживают провода на постоянном расстоянии, где-то между постоянными двумя-пятью дюймами (13 см) друг от друга, в зависимости от провода и желаемого сопротивления. Ступеньки располагаются примерно каждые 5-12 дюймов (13–30 см). Хотя важно обеспечить равномерное разделение проводов, неважно, если расстояния между ступенями неравномерны, пока разделение остается почти постоянным при порывах ветра.

Соотношение выбранного расстояния между проводами к диаметру провода определяет характеристическое сопротивление линии — обычно 500~600 Ом , но также зависит от относительной диэлектрической проницаемости изоляции провода и потерь на проводимость в изоляторах перекладин, если они существенны. ^[4] Например, для линии 500 Ом два оголенных или лакированных провода должны быть расположены на расстоянии, равном 32-кратному индивидуальному диаметру проводов — около 4 дюймов (10 см) в случае обычного ⁠ 1 /8⁠ ″ диаметр провода (0,125 дюйма (3 мм)). Если провода изолированы, то расстояние может быть немного больше, в зависимости от изолирующего пластика. Чтобы получить параллельную линию 600 Ом, те же провода будут расположены на расстоянии 9 дюймов (23 см); 600 Ом — это примерно практический предел для линий передачи, сделанных из провода, а не из толстого стального кабеля с медным покрытием или из жесткой алюминиевой или медной трубы.

Согласование импеданса

В качестве линии передачи эффективность передачи будет максимальной, когда импеданс антенны, характеристическое сопротивление двухпроводной линии и импеданс оборудования одинаковы. По этой причине при подключении двухпроводной линии к коаксиальному кабельному соединению, например, двухпроводной линии 300 Ом от домашней телевизионной антенны к коаксиальному антенному входу телевизора 75 Ом, обычно используется симметрирующий трансформатор с коэффициентом 4:1. Его цель двойная: во-первых, он преобразует двухпроводной импеданс 300 Ом для соответствия импедансу коаксиального кабеля 75 Ом; и, во-вторых, он преобразует сбалансированную, симметричную линию передачи в номинально несбалансированный коаксиальный вход. В общем, при использовании в качестве фидерной линии двухпроводной (особенно версии лестничной линии) имеет более высокую эффективность, чем коаксиальный кабель, когда между фидерной линией и источником (или приемником) имеется несоответствие импеданса. При использовании только для приема это просто означает, что система может осуществлять связь в немного менее оптимальных условиях; при использовании для передачи это часто может привести к значительно меньшим потерям энергии в виде тепла в линии передачи.

Двухпроводной кабель также может служить удобным материалом для создания простой антенны с фальцованным диполем . Такие антенны могут питаться либо с помощью двухпроводного фидера 300 Ом, либо с помощью балуна 300–75 Ом и коаксиальной линии питания и обычно выдерживают умеренные нагрузки мощности без перегрева.

Характеристическое сопротивление

Характеристическое сопротивление линии передачи с параллельными проводами, например двухпроводной или лестничной, зависит от ее размеров: диаметра проводов и расстояния между ними . Оно выведено ниже. $\ d\$ $\ D~.$

Характеристическое сопротивление любой линии передачи, работающей на частоте или радианной частоте, определяется выражением $\ Z_{\mathsf {o}}\$ $\ f\$ $\ \omega =2\ \pi \ f\ ,$

Z_{\mathsf {o}}={\sqrt {{\frac {R+j\ \omega \ L}{\;G+j\ \omega \ C\;}}\ }}

где для двухпроводной линии константы первичной линии равны

R={\frac {\ 2\ R_{\mathsf {s}}\ }{\pi \ d}}

L={\frac {\mu }{\ \pi \ }}\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)

G={\frac {\pi \ \sigma }{\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\ }}

C={\frac {\ \pi \ \varepsilon \ }{\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\ }}

где - диаметр провода, а - расстояние между проводами, измеренное между их осевыми линиями; - абсолютная диэлектрическая проницаемость между проводами; - абсолютная проницаемость ; - поверхностная проводимость между проводами; и где поверхностное сопротивление проводов определяется как $\ d\$ $\ D\$ $\ \epsilon \$ $\ \mu \$ $\ \sigma \$

R_{\mathsf {s}}={\sqrt {{\frac {\ \pi \ f\ \mu _{\mathsf {c}}\ }{\sigma _{\mathsf {c}}}}\;}}~.

Пренебрегая сопротивлением провода и проводимостью утечки, получаем $\ R\$ $\ G\ ,$

Z_{\mathsf {o}}={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \ln \!{\Biggl [}\left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\!\left(1+{\sqrt {\ 1-\left({\tfrac {d}{\ D\ }}\right)^{2}~}}~\right){\Biggr ]}\

^[5]

\quad ={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ {\Biggl [}\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)+\ln \left[\ {\tfrac {\ 1\ }{2}}\left(\ 1+{\sqrt {1-\left({\tfrac {d}{\ D\ }}\right)^{2}~}}\;\right)\right]{\Biggr ]}\

\quad ={\frac {\zeta _{\mathsf {o}}}{\ \pi {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\left[\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)-\left({\frac {d}{\ 2\ D\ }}\right)^{2}-\operatorname {\mathcal {O}} \left\{\left({\tfrac {d}{\ 2\ D\ }}\right)^{4}\right\}\ \right]

\quad \approx {\frac {\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}}\left[\ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)-\left({\frac {d}{\,2\,D\,}}\right)^{2}\right]\approx {\frac {\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}}\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)~.

где — импеданс свободного пространства (приблизительно 376,74 Ом), а — относительная диэлектрическая проницаемость (которая для воздуха равна $1,00054$ ). $\ \zeta _{\mathsf {o}}\$ $\ \varepsilon _{\mathsf {R}}\$

Если расстояние во много раз больше диаметра провода , то функцию $аркоша$ можно приблизительно заменить натуральным логарифмом (с удвоенным аргументом): $\ D\$ $\ d\$

Z_{\mathsf {o}}={\frac {119.92\ {\mathsf {\Omega }}}{\ {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \operatorname {arcosh} \left({\frac {\ D\ }{d}}\right)\approx {\frac {\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\ {\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }}\ \ln \left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)\approx {\frac {\ 276.13\ {\mathsf {\Omega }}\ }{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}}\ \log _{10}\left({\frac {\ 2\ D\ }{d}}\right)~.

^[6]

Точные и приближенные формулы для разделения, необходимого для достижения заданного характеристического сопротивления через пару проводов, поэтому следующие: $\ Z_{\mathsf {o}}\$

D=d\ \cosh \left({\frac {\ \pi \ Z_{\mathsf {o}}{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }{\zeta _{\mathsf {o}}}}\right)\approx {\tfrac {\ 1\ }{2}}\ d\ \exp \left({\frac {\ Z_{\mathsf {o}}{\sqrt {\varepsilon _{\mathsf {R}}\ }}\ }{\ 119.92\ {\mathsf {\Omega }}\ }}\right)~.

Диэлектрический материал между двумя проводниками как с двухпроводной, так и с лестничной линией не полностью состоит из воздуха: Эффект «смешанного» диэлектрика, частично из воздуха и частично из полиэтилена или другого пластика, заключается в том, что фактическое сопротивление будет находиться где-то между значением, рассчитанным при условии, что весь проводник состоит из воздуха или всего проводника состоит из полиэтилена. Тщательно измеренные или опубликованные значения обычно будут точнее, чем оценки по формулам. $\ Z_{\mathsf {o}}\$

Антенны

Двойной провод можно подключить напрямую к антенне соответствующей конструкции:

антенна Windom: Многорезонансная антенна, резонансные сопротивления которой группируются вокруг300 Ом .
Сложенный диполь: Двухпроводной диполь, характеристическое сопротивление которого в свободном пространстве составляет около300 Ом .
Диполь: Хотя центральное сопротивление при резонансе приблизительно равно73 Ом в свободном пространстве , при реальном использовании оно варьируется от30 и 100 Ом , в зависимости от высоты над землей, поэтому при использовании высокоомной линии питания, вероятно, потребуется Т-образное или Y-образное соединение.
Антенна Яги-Уда: Yagi и более простая антенна Moxon , а также другие направленные антенны ; для любой кабельной разводки необходимо специальное согласование импеданса в точке питания, поскольку помехи между обычно близко расположенными параллельными почти резонансными сегментами антенны приводят к низкому сопротивлению в точке питания, а также делают антенну более направленной.

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Двухжильные кабели» .

Ссылки

^ "Почему лестничная линия?". zs6hvb.za.net . Южная Африка: Highveld Amateur Radio Club ( ZS6HVB ).
^ abcdef Стро, Р. Дин; и др., ред. (2000). The ARRL Antenna Book (19-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская радиорелейная лига . ISBN 0-87259-817-9.
^ Форд, Стив (декабрь 1993 г.). «Приманка лестничной линии» (PDF) . Журнал QST . Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи . Архивировано из оригинала (PDF) 2 апреля 2012 г. . Получено 16 сентября 2011 г. .
^ Дэнзер, Пол (апрель 2004 г.). «Открытая линия подачи — второй взгляд». Журнал QST . Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи . Получено 16 сентября 2011 г.
^ Стюарт, Уэс ( N7WS ) (июнь 1998). "Сбалансированная линия передачи в современной любительской практике". В Straw, R. Dean; et al. (ред.). ARRL Antenna Compendium . Том 6. Pingree, Dave (иллюстратор). Newington, CT: American Radio Relay League . стр. 174. ISBN 978-0872-59743-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
^ Стро, Р. Дин ( N6BV ); и др., ред. (2000). ARRL Handbook for Radio Amateurs 2000 (77-е изд.). Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи (опубликовано в январе 1999 г.). стр. 19⸗3. ISBN 978-087259-183-7.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: editors list (link) CS1 maint: numeric names: editors list (link)