Поскольку линии передачи, являются неотъемлимой частью любой антенны, нужно знать их основные особенности не менее, чем  особенности различных антенн.

Линии передачи предназначены для передачи высокочастотной энергии от источника к нагрузке.

Наиболее часто, радиолюбители применяют коаксиальные линии передачи, и значительно реже - двухпроводные линии. Рассмотрим коаксиальную линию. На Рис.1 изображена коаксиальная линия передачи. 

                

 

 

Пространство, между центральным проводником и оплеткой кабеля, заполняется различными высококачественными полимерами(полиэтилен, фторопласт и т.д.) Линия передачи, является линией с распределенными параметрами. Эквивалентная схема линии передачи, показана на Рис.2. 

 L- индуктивность центрального проводника, а С-емкость, между проводником и оплеткой кабеля. Волновое сопротивление кабеля, определяется:

 

Z= SQRT(L/c)

Где SQRT – квадратный корень.

Как видно из этой формулы, волновое сопротивление линии, не зависит от частоты и от длины кабеля. Любой кабель имеет потери. Во-первых, сказывается омическое сопротивление центральной жилы, а во-вторых - проводимость диэлектрика, диэлектрические потери. Эти потери , проявляются в виде нагрева кабеля при работе. Эти потери в кабеле, выражаются в db/м,и чем больше эта величина, тем хуже кабель. Потери растут с ростом частоты. Естественно, если вы используете кабель, длиной L, то необходимо умножить величину db/м на длину кабеля. Вы получите суммарное затухание кабеля на всей его длине. Как эту величину в db перевести в потери по мощности и потери на прием, разобрано в разделе ,,Перевод отношений дб в U, I,,

Поскольку пространство, между жилой и оплеткой, заполнено диэлектриком, имеющим диэлектрическую проницаемость ε, то волновое сопротивление кабеля будет ниже волнового сопротивления вождушной линии, имеющей такое же расстояние между проводами, как в кабеле, в SQRTεраз. Скорость распространения элекромагнитной волны в кабеле, будет также меньше, чем в открытой линии. Например, диэлектрическая проницаемость полиэтилена, применяемого в качестве изолятора в кабеле, равна 2.29. Если взять кв. корень из этого числа, мы получим 1.51. Это означает, что физическая(геометрическая) длина кабеля будет меньше электрической в 1.51 раза. Для этого вводится коэффициет укорочения кабеля, и он равен, приближенно, 0.66-0.67.

Пример:

Используется кабель для диапазона 14 Мгц. Требуется расчитать длину кабеля, который будет равен 0.25 лямбды, или 90 градусов.

Решение:

Длина волны , для частоты 14 Мгц  Лямбда= 300/14=21.43 метра.

Поскольку, нам нужен отрезок кабеля, длиной 0.25 лямбды или одна четверть длины волны, разделим 21.43 м на 4. Получим число 5.36 м. Это будет длина 0.25 лямбды для открытой линии, у которой коэффициент укорочения равен почти 1, но мы применяем кабель, у которого коэффициент укорочения равен 0.66, поэтому нам надо величину 5.36 м, умножить на 0.66. В итоге получим длину 3.53 метра. Это и будет искомой геометрической длиной нашего кабеля.

Если к одному концу кабеля, подключить источник электрических колебаний, а к другому - нагрузку, импеданс которой равен волновому сопротивлению кабеля, то в кабеле, по всей его длине, будет неизменное значение напряжения. Ток также будет неизменным по всей длине. Этот режим работы кабеля, называется режимом бегущей волны. График зависимости мощности на нагрузке кабеля, в функции от величины нагрузки, показан на рисунке 3. 

                      

Например, мощность источника колебаний равна 1 Ватт. Кабель используем 75 Ом. Изменяя величину нагрузки от 0 Ом до бесконечности, можно заметить, что максимум мощности 1 Ватт на нагрузке будет только тогда, когда нагрузка будет равна 75 Ом.

Это режим идеальный для целей передачи энергии от генератора к нагрузке. Если мы подключим к кабелю нагрузку, отличающуюся от волнового сопротивления, то в кабеле возникнут стоячие волны, как результат взаимодействия волн, идущих от генератора к нагрузке и волн, отраженных от нагрузки. Эта отраженная волна, возвращается в источник колебаний, взаимодействуя с прямой волной(вычитаясь из нее),и ее действие проявляется в уменьшении мощности, поступающей к нагрузке. В результате, в нагрузке, мы недополучим некоторую мощность, которая отражается назад, к генератору. Степень согласования кабеля с нагрузкой, измеряется в КСВ(коэффициент стоячей волны). КСВ определяется специальным прибором, который включается в разрыв кабеля. Он измеряет отношение прямой волны к отраженной. Если КСВ равен 1, т.е. сопротивление нагрузки точно равно волновому сопротивлению кабеля, то в этом случае, в кабеле нет отраженных волн(режим бегущей волны).Если же КСВ не равен 1, то в этом случае показания КСВ будут изменяться в зависимости от места включения КСВ-метра в кабеле. Эсли такое происходит, то это явный признак того, что КСВ не равен 1. 

Если же КСВ равен 2, то в этом случае, наша нагрузка, отличается от сопротивления кабеля в два раза. Например, если у нас кабель 75 Ом, то нагрузка , при КСВ=2, будет, либо 37.5, либо 150 Ом. Узнать точное значение нагрузки, можно, либо аналитически, либо, с помощью прибора, для измерения импеданса антенн. Как же оценить, какой КСВ приемлем, а какой- нет. Считается, что КСВ=2, еще приемлем для радиолюбительских целей. При КСВ=2, КПД линии передачи по мощности, будет 90%, а при КСВ=6 - КПД=50%.

Разница разительная, поэтому, думаю, не надо объяснять необходимость согласования кабеля с нагрузкой. Небольшая деталь: КСВ, в точке питания антенны, всегда немного выше, чем измеренный, у трансивера. Это объясняется тем, что все кабеля имеют потери, и отраженная от несогласованной антенны волна, пройдя всю длину кабеля, затухает. Поэтому, значение отраженной волны будет всегда меньше у питаемого конца кабеля, а значит и КСВ будет меньше. Если у вас КСВ-метр указывает 1, то реальное значение может быть 1.2-1.5, в зависимости от длины кабеля. Чем длиннее кабель, тем большая разница будет между двумя КСВ.

На Рис.4 изображены основные отрезки линий передач и их аналоги на дискретных элементах. Нужно обратить внимание на два важных момента:

 

                            

1. Линия, длиной 0.25лямбды инвертирует сопротивление т.е. если она разомкнута(бесконечно большое сопротивление), то на другом конце линии, будет нулевое сопротивление, и наоборот, если замкнута, то на другом конце линии будет бесконечное сопротивление. Такую линию называют четверть-волновой инвертор. Это будет также справедливо для нечетного числа четверть-волновых отрезков кабеля, соединенных последовательно -1;3;5 и т.д.

2. Линия, длиной 0.5 лямбды, на входе кабеля повторяет сопротивление, подключенное к выходу кабеля. Если нагрузка равна 200 Ом, то на другом конце, будет ровно 200 Ом. Причем это не зависит от волнового сопротивления кабеля. Такой отрезок, называют - полуволновой повторитель. Естественно, что все это справедливо и для N числа полуволновых отрезков кабеля, включенных последовательно где N- целое число, 1;2;3; и т.д.

Разомкнутая линия, длиной меньше 1/4 лямбды, эквивалентна емкости, подключенной к входным зажимам. Если длина больше 1/4 , то входное сопротивление становится индуктивным. При короткозамкнутой линии той же длины, что и разомкнутая,  картина меняется на противоположную.

И еще есть одно замечательное свойство линии в 0,25 лямбда. Эта линия инвертирует реактивность с одного конца кабеля к другому, меняя ее знак. Если вы подключите к одному концу емкостную реактивность, то на другом конце можно измерить индуктивную. Это важное свойтство, которое можно использовать для того, чтобы вводить в нужный элемент антенны нужную реактивность. Например, вводить в рефлектор антенны переменную индуктивность не всегда удобно. Проще ввести переменную емкость, подключенную через отрезок кабеля 0,25 лямбды или 90 градусов. Это будет равносильно введению индуктивности в рефлектор антенны.

С помощью программы tlcalc1.zip в разделе ,,Импеданс(Z) в любой точке линии без потерь,,(рубрика Полезные DOSовские и другие программки), можно убедиться в этом, изменяя реактивную часть нагрузки кабеля, длиной в 90 градусов.При этом на другом конце кабеля знак реактивности будет противоположным.   

С помощью четвертьволнового отрезка кабеля, можно согласовывать два различных сопротивления. Между волновым сопротивлением согласующего четвертьволнового отрезка кабеля, ко входу которого подключено Zвх, а к выходу Zвых, существует соотношение:

 Z=SQRTZвхZвых

 Пример: наша антенна имеет входной импеданс 100 Ом. Наш основной кабель имеет волновое сопротивление 50 Ом. Для согласования этих двух сопротивлений, понадобится четвертьволновой отрезок кабеля, с волновым сопротивлением Z= SQRT(50 100)= 70.7 Ом.

Для того, чтобы получить различные волновые сопротивления кабеля, можно соединять два различных кабеля параллельно(жила к жиле и оплетка к оплетке). Например, если соединить два кабеля по 50 Ом каждый, получим кабель в 25 Ом. Формула для расчета суммарного волнового сопротивления кабелей, такая же , как и для расчета сопротивлений, включенных параллельно. Все линии передач, построенные на основе коаксиальных кабелей, являются несимметричными.

Коаксиальные кабеля , часто используют в качестве линии задержки фазы. К примеру, мы запитываем две, разнесенных в пространстве антенны, причем одну из них, мы запитываем через отрезок 0.5 лямбды, а вторую, через отрезок 0.75 лямбды(0.5 + 0.25), то в итоге, вторая антенна будет запитана с фазой- минус 90 градусов, т.к. разница в длине ,между двумя отрезками 0,75 - 0,5= 0.25 лямбды. Отрезок кабеля в 0.25 лямбды задерживает фазу на 90 град. Отрезок длиной 0.5 лямбды, задержит фазу на 180 градусов, отрезок кабеля 0.75 лямбды даст задержку в 270 градусов и отрезок в 1 лямбду, задержит фазу на 360 градусов. Это справедливо только тогда, когда нагрузки кабелей – чисто активные, не содержащие реактивность, того, или иного знака, т.е. кабель имеет режим бегущей волны.  Если же нагрузка кабеля содержит реактивность, то задержка кабелей будет совсем другой. Поэтому не стоит удивляться тогда, когда кабель длиной, к примеру, 70 градусов, имеет задерку фазы 90 градусов. Все зависит от того, какой импеданс имеет нагрузка кабеля, т.е. какой КСВ в кабеле в данный момент.

Бытует ошибочное мнение, что если применить согласующее устройство, то все проблемы согласования кабеля с нагрузкой, будут решены. Это - заблуждение. Согласующее устройство, установленное на радиостанции, согласует только импеданс антенны, приведенный к началу кабеля(возле трансивера или передатчика) с другим устройством, например, усилителем мощности. К примеру, если у вас есть усилитель мощности, у которого, расчетное сопротивление нагрузки,должно быть в пределах 30-100 Ом, и он категорически не желает работать на нагрузку, к примеру, 150 Ом, вот тогда и необходимо нам согласующее устройство, чтобы заработал усилитель. При этом, КСВ в кабеле, останется неизменным. К тому же, кабель, будет, в этом случае частью антенны, т.е. он будет также излучать, поскольку в нем возникнут стоячие волны. Электромагнитное поле кабеля, будет взаимодействовать с полем антенны, искажая при этом диаграмму антенны, а этого не должно быть, кабель не должен излучать. Излучать должна ТОЛЬКО антенна. Для этого необходимо, чтобы КСВ был равен 1. Если же мы, подключим это согласующее устройство в точку соединения антенны с кабелем, тогда оно согласует импеданс антенны с кабелем, что даст в итоге, КСВ=1. Кабель излучать не будет.

Все эти утверждения справедливы для кабелей, не имеющих потерь. Если в реальной жизни, вы нагрузите кабель 75 Ом, сопротивлением 75 Ом, то даже в этом случае вы не получите чисто резистивный импеданс, т.е. 75 +j0 Ом. Он всегда будет комплексным, т.к. реальный кабель, реальный диэлектрик, всегда имеет токи утечки. Ток в кабеле протекает не только через нагрузку, но и параллельно через диэлектрик, т.е к нагрузке всегда подключена паразитная емкость. Поэтому всегда будет присутствовать небольшая реактивность на конце кабеля, даже если он имеет чисто резистивную нагрузку. Эта реактивность будет увеличиваться с ростом частоты, т.к. растут токи утечки.

Коаксиальные кабеля необходимо симметрировать, поскольку при питании антенн, на их оплетку наводится ЭДС с антенны, и по оплетке протекает ток. Этот ток создает вторичное поле, искажающее основное поле антенны. Для того, чтобы устранить этот эффект, прибегают к дросселированию тока оплетки. Для этого кабель наматывают на ферритовом кольце с высокой проиницаемостью, надевают на кабель ферритовый бочонки, или просто наматывают кабелем катушку 15-20 витков кабеля, диаметр намотки 10-15 см. Не следует делать слишком маленьким радиус изгиба кабеля. Правило - минимальный радиус изгиба равен 5 внешним диаметрам кабеля.

Кабеля очень любят впитывать влагу, поэтому любая разделка кабеля, дожна быть надежно защищена герметиком. 

Полезно время от времени проверять кабеля на качество изоляции. Если кабель доступен, то он отключается от нагрузки, и оставляется разомкнутым. На противоположный конец кабеля можно подать через КСВ-метр небольшую мощность. Кабель можно считать тем лучше, чем больший КСВ будет в этом случае получен. Пониженный КСВ говорит о том, что кабель имеет потери, и его лучше всего - заменить. 

Теперь рассмотрим открытые двухпроводные линии. Эти линии используются значительно реже коаксиальных, ввиду того, что они излучают электромагнитное поле, менее удобны в эксплуатации и подвержены внешним климатическим воздействиям. Конструктивно, они представляют собой два одинаковых провода, диаметром d, разнесенных на определенное расстояние D, с помощью распорок из диэлектрического материала. Диаметр проводов, и расстояние между их центрами, определяет волновое сопротивление линии. Таблица для расчета расстояния между проводами линии, для различных сопротивлениий, дана, например в книге Ротхаммеля. В ней приведена номограмма для расчета волнового сопротивления двухпроводной линии, в функции от отношения D/d. Наиболее применяемые волновые сопротивления для двухпроводных линий передач-300;450и 600 Ом.

Все вышесказанное для коаксиальных кабелей, также справедливо и для двухпроводных линий передач, с некоторыми исключениями. Коэффициент укорочения у этих линий , будет 0.98. У ленточных кабелей, коэффициент укорочения равен 0.78...0.82. Двухпроводные линии, являются полностью симметричными и не требуют дополнительного симметрирования при питании симметричной нагрузки. Открытые линии имеют потери на порядок меньше, чем коаксиальные кабеля.

Все вышесказанное в отношении линий передач, является очень важной частью знаний, для дальнейшего понимания работы антенн и принципах их настройки.