TV átjátszókban alkalmazott kis és közepes teljesítményű koaxiális transzformátorok és elosztók Bevezetés
BUS
A h o l : S a komplex teljesítmény Z — n, (U ) a komp lex feszültség a m p l i t ú d ó , R =Z lezárás va lós része, X =Z lezárás képzetes része. t
t
t
A nagyfrekvenciás t e c h n i k á b a n m á r régen alkalmaz nak különböző konstrukciójú koaxiális elemeket. Ezeknek az elemeknek a V H F és U H F t e c h n i k á b a n széles k ö r ű alkalmazását az indokolja, hogy egész sor m ű s z a k i probléma megoldását teszik lehetővé rela tíve szélessávban, jól r e p r o d u k á l n a t ó a n . A T V I . . . I V . sávokra nagyfrekvenciás berendezésekben, műszer es m é r é s t e c h n i k á b a n e g y a r á n t használatosak a ko axiális t á p v o n a l a k , mivel az R F jelet sugárzásmen tesen és igen kis veszteséggel kell t o v á b b í t a n i . A koaxiális t á p v o n a l a k merev vagy hajlékony kivite lűek. Az igények sokfélesége is hozzájárul ahhoz, hogy e család t o v á b b bővüljön. Ez a cikk is olyan k i fejlesztett új családot ismertet, amely a k ö z n a p i igé nyekhez igazodva j ö t t létre. Napjainkban egyre na gyobb szerepet kapnak a T V átjátszók I . . . I V . sá vokban (azaz 5 0 . . .640 MHz-ig) a jó minőségű tele víziós vétel érdekében. A z átjátszók feladata, hogy a „ n a g y v á r o s i e l l á t o t t s á g n a k " megfelelő jelszintet biztosítsák ott, ahol a domborzati viszonyok és a földrajzi fekvés m i a t t nincs jó vételi lehetőség. Ez a műsorpolitikai kérdés viszonylag kis teljesítményszintekkel műszakilag megoldható. A címben szereplő t é m á t az alábbi szerint t á r g y a l j u k :
Minden híradástechnikai adóberendezéstől azt k í vánjuk, hogy a lehető legjobb hatásfokkal üzemel jen, vagy a maximális teljesítményt adja le. Ez m á s megfogalmazásban azt jelenti, hogy a berendezést a fogyasztóhoz (a terheléshez) illeszteni kell. A nagyfrekvenciás illesztés feltételeit (1) részletezi. Gyakran előforduló eset, amikor a lezárás nem tisz t á n ohmos hanem komplex. E k k o r a komplex terhe lésen fellépő teljesítmény is komplex lesz.
t
Híradástechnika
XXXIV.
(U f R +jX t
t
t
Kisebb matematikai á t a l a k í t á s t végezve a (1) egyen leten : S = -. Rf + Xf
(2)
Rf + Xf
más alakban í r v a : (2a)
S=P„-jP,
ahol: P a h a t á s o s teljesítmény összetevő, P a k é p zetes, ú g y n e v e z e t t m e d d ő teljesítmény össze tevő (1. ábra). h
m
11 —o-
Haladó hullám rj2 Tápvonal
0
I
Reflektált hullám
(1) t
évfolyam 1983. 7. szám
Illesztéskor: Z - t = 2
0
l B288-1} 1. ábra. Modell a nagyfrekvenciás illesztéshez H a a lezáró impedancia nem elégíti k i a fenti fel tételt, akkor az „l" hosszúságú t á p v o n a l o n reflexió lép fel (állóhullámok jönnek létre).
1. Az illesztés és ennek gyakorlati jelentősége
t
f
t
szempontok
1. A z illesztés és ennek gyakorlati jelentősége. 2. Illesztési és k o m p e n z á l á s ! módok ismertetése. 3. K o n c e n t r á l t és elosztott p a r a m é t e r ű illesztő transzformátorok. 4. Teljesítményelosztók.
(U f Z
LÁSZLÓ BHG
Állóhullámok keletkezése a t á p v o n a l o n az alábbi h á t r á n y o k a t jelenti a gyakorlatban: 1. Nagyobb feszültség lép fel a t á p v o n a l o n , ami csökkenti az á t v i h e t ő teljesítményt. 2. A veszteségek megnövekednek. 3. K i s frekvenciaváltozás vagy kis hosszváltozás hosszabb t á p v o n a l esetén lényeges bemenő i m pedancia változást okozhat. 4. Szélessávú F M átvitelnél hosszú t á p v o n a l esetén torzítás keletkezik, ha a t á p v o n a l m i n d k é t vége illesztettlenül van lezárva.
313
2. Illesztési és kompcnzálási módok ismertetése Az illesztés kérdéseit csak T E M módusú t á p v o n a l a k r a t á r g y a l j u k részletesen. Megjegyezzük, hogy az aláb biakban ismertetett illesztési és kompenzálási m ó dok m á s típusú t á p v o n a l a k n á l is a l k a l m a z h a t ó k . A T E M m ó d u s ú t á p v o n a l a k n á l az energiaáramlás i r á n y á b a nincs komponense az „ E " elektromos és a „ H " mágneses térnek. Gyakorlati megvalósítás során mindig arra törekszünk, hogy az illesztés ohmos v i szonyok k ö z ö t t történjen, mert így tudjuk biztosítani a reflexiómentességet vagy az előre m e g h a t á r o z o t t reflexiót széles s á v b a n .
A különböző hullámellenállású és m é r e t ű t á p v o n a lak illesztett csatlakoztatása k é t m ó d o n lehetséges: lépcsős (A/4 hosszúságú tápvonalszakaszok) és foly tonos átmenetekkel. H a az előírt feladat szerint nagyobb sávszélességre van szükségünk, akkor ezt t o v á b b i kompenzációval érjük el, mely t ö r t é n h e t : a)
söntelemekkel,
b) vonalcsonkokkal (nyitott vagy rövidrezárt t á p vonaldarab), c) negyedhullámú transzformátorokkal.
K o n k r é t feladatoknál a reflexiómentes kapcsolatot azonos hullámellenállású, de m á s geometriai méretek vagy különböző hullámellenállású és m é r e t ű t á p v o nalak k ö z ö t t kell létrehozni. Első esetben ezt a prob l é m á t á t m e n e t e k n a g y s z á m ú variációival, míg az u t ó b b i t impedanciatranszformátorokkal, illetve el osztókkal oldjuk meg.
Egy A/4-nél rövidebb, végén rövidrezárt t á p v o n a l i n d u k t i v i t á s k é n t , ugyanaz szakadással lezárva kapa citásként viselkedik (2. ábra). A (3) egyenletbe Z = 0 és Z = o o - t helyettesítve
M i n d k é t koaxiális elemnél (illesztőtranszformátor, elosztó) az illesztést A/4 hosszúságú t á p v o n a l a k k a l realizáljuk. T á p v o n a l t e c h n i k á b ó l ismert a Z hullámellenál lású, „Z" hosszúságú ideálisnak feltételezett t á p v o nal bemenő impedanciája:
T o v á b b i a k b a n a lépcsős átmenetekkel történő i l lesztésekkel foglalkozunk, mert mind az impedancia transzformátoroknál, mind az elosztóknál a reflexió mentes kapcsolat létrehozására lépcsős transzformá torokat h a s z n á l t u n k . Koaxiális t á p v o n a l a k n á l a külső és belső vezető vagy m i n d k e t t ő lépcsős méret változásánál eltorzul az erőtér képe. Tápvonalelmé leti meggondolásokkal k i m u t a t h a t ó , hogy ennek ha t á s a egy söntkapacitással ekvivalens, (csak T E M mód terjedését feltételezve) (3. ábra).
0
Z + jZ tg pl >Z + jZ tg j3I 0
(3)
0
ahol: Z , a t á p v o n a l bemenő impedanciája Z , a t á p v o n a l hullámellenállása Z, a t á p v o n a l lezáró impedancia b e
A
a , üzemi hullámhossz Z, a t á p v o n a l hossza l — A/4 helyettesítéssel: 0
0
tg fii (5)
Z
b e
=-/Z
0
ctg £Z
(6)
A söntkapacitás reflexiónövelő h a t á s t okoz a frek vencia függvényében, ezáltal csökken az átviteli sáv szélessége.
^
Z = 1^Z
be
A söntkapacitás számítására szolgáló diagram a 4. ábrán l á t h a t ó .
0
fi, a fázistényező:
Z =]Z
(4)
A söntkapacitás h a t á s á n a k vizsgálata bonyolult feladat: a szakirodalomban nem találunk k o n k r é t u t a l á s o k a t , hogy milyen m é r t é k ű diszkontinuitás h a n y a g o l h a t ó el az egyes frekvenciatartományokban. Ennek vizsgálata csak egyedi esetekre szorítkozik,
2. ábra. Végén rövidrezárt (a) és nyitott (b) t á p v o n a l normalizált impedancia menete a szakaszhossz függvényében
314
Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 7. szám
3. Iliásztfttransziorniátorok \
i
f
t
f
f
f
-OA
M
—L.
I
i
f
ÍJJJUUl
f
Az impedanciatranszformátorok feladata különböző hullámellenállású berendezések vagy t á p v o n a l a k egymáshoz való csatlakoztatása úgy, hogy lehetőleg ne lépjen fel reflexió, vagy csak előre m e g h a t á r o z o t t kismértékű legyen. Az illesztésnek egy m e g h a t á r o zott frekvenciasávban kell kielégítőnek lennie. Álta lában az illesztésre használt elemek viselkedése vál tozik a frekvencia függvényében, ezért a feladatot úgy kell megoldani, hogy a változás m é r t é k e jól kéz ben t a r t h a t ó legyen. Olyan impedanciatranszformá torokkal foglalkozunk, amelyek egy szakaszon belül, állandó keresztmetszetű t á p v o n a l a k b ó l épülnek fel.
ni
'\ '\ '\ Y\ 11 '\
C
Z B
—
o
Sok esetben nem elegendő az egy szakaszból álló, A/4 hosszúságú transzformátor sávszélessége, ilyen kor t ö b b szakasz láncba kapcsolásával érjük el a kí v á n t célt (sávszélesség alatt i t t azt a frekvenciasávot értjük, melyen belül transzformátor állóhullámará nya a megadott értéken belül van). Koaxiális tech n i k á b a n k é t transzformátor típus nyert széles k ö r ű alkalmazást:
0
1. maximális lapos (binomiális) és
1S288-3 1
3. ábra. Elektromos erővonalkép koaxiális tápvonal ban, ha az ugrás a) belső éren, b) mindkét éren van, c) elektromos helyettesítő képe
mert az ugráskapacitás h a t á s a az alábbi tényezőktől függ (5. ábra): 1. a frekvenciatartománytól ( V H F vagy U H F sáv), 2. az ugrások mértékétől (mely a lépcsők számán nak függvénye), 3. az impedancia áttételtől.
2. Csebisev karakterisztikájú. A kétféle t r a n s z f o r m á t o r t a 6. ábrán hasonlítjuk össze. L á t h a t ó , hogy a Csebisev típusú illesztőelemek nek jóval nagyobb a sávszélessége, m i n t a maximális laposé. A fenti ábrákból l á t h a t ó , hogy a maximális lapos tulajdonságú transzformátor egy frekvencián ad jó illesztést (/ ), míg a Csebisev típusú / - n á l eléri a maximálisan előírt értéket, majd f és / frekvencián kapunk jó illesztést. Ennek a k é t illesztőtranszfor m á t o r t í p u s n a k elterjedt a l k a l m a z á s á t indokolja, hogy reflexiós tényezőjük jól kezelhető matematikai 0
0
1
2
a., A \ £rA C
)
(
fai
J1 b
p
£rB
/ j—i
C = 2 irr £ c |(°<>
oc-a-f/bf
C ::2irr £ C ](oO
o^c^/b-,
C =2-rrr £ Cj(o<)
oC=a /b
,
1
,
l
rB
c
b..
0,2 0,4 0,6 0/8 1
3
2
1
2
rA
c
rB
2
2
[B 2 68-4]
4. ábra. 3a) b) ábrán látható ugrások söntkapacitásának számítására szolgáló diagram Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983.
7.jzám
315
5. ábra. A T V I . . . I V . sávokra fejlesztett új koaxiális család
b,
r
Q.y
1
\ \/
/
/ !
i i
r
\ ^
/Tnax/
]
6 ábra. Reflexióstényező változása a frekvencia függvényében: a) maximális lapos, b) Csebisev típusú 2x/l/4-es transzformátoroknál
/"max
/
f /®i7
/6h7 [B 2 5 8 j 6
7. díva. T V I I I . és I V . sávi elosztó
316
Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 7. szám
Az egyes tagok elemei k ö n n y e n méretezhetők a 10. ábra szerinti összefüggések segítségével.
polinommal írható le és az ehhez tartozó impedancia k o n t ú r g ö r b e fizikailag k ö n n y e n k i a l a k í t h a t ó .
A méretezéshez szolgáló részletrajz 3.1. Koncentrált
paraméterű
transzformátorok ZTH=YR^R^
A V H F s á v alsó t a r t o m á n y á b a n ( T V I . és I I . ) az i m pedanciatranszformátorok készítése — a gazdaságos sági szempontokat szem előtt tartva — koaxiális felépítésben nem célszerű a nagy méretek és a súly miatt. Ezekben a s á v o k b a n a sávközépi frekvenciá hoz t a r t o z ó hullámhossz 5,5, i l l . 3,5 m. A méretek szembeötlő különbségét jól érzékelteti a 7. ábra. A k i t ű z ö t t célt ezért k o n c e n t r á l t elemes v á l t o z a t b a n valósítjuk meg. Az illesztőtranszformátor egy olyan aluláteresztő szűrő, amely az adott frekvenciasávban előírt állóhullámarányon belül illeszt.
() 7
1, = ^
(8)
ahol: i , 1, 2, 3 Z , az egyes tagok (7)-ből s z á m í t h a t ó ekviva lens hullámellenállása -R > az i-dik tag bemenő ellenállása R, az i-dik tag kimenő ellenállása a> , a sávközépi frekvencia (a) = Ya) -cúj) L , az i-dik tag i n d u k t i v i t á s a C,, az i-dik tag k a p a c i t á s a TRI
bej
Célszerűségi okokból a „ T " helyett n tagokkal épí t e t t ü k fel (7. ábra, L és C elemek hangolhatok).
KI
k
T V I I I . s á v b a n a lineáris m é r e t e k lényegesen k i sebbek, m i n t az előző s á v o k b a n ( \ . = 1,5 m). A kon centrált k i v i t e l i t t is kedvezőbbnek bizonyult, m i n t a koaxiális felépítés. A teljes I I I . sáv á t v i t e l é t h á r o m TI tag láncba kapcsolásával oldottuk meg (8. ábra).
k
a
;
3.2. Elosztott paraméterű
Elektromos elvi rajza a 9. ábrán l á t h a t ó .
(koaxiális)
transzformátor:
T V I V . sávi v á l t o z a t m á r a klasszikus koaxiális fel építésű (11. ábrán l á t h a t ó ) . A k o n c e n t r á l t elemekkel való megvalósítás nehéz ségekbe ü t k ö z i k (az elemértékek közel a szórt elemek nagyságrendjébe esnek), ezért a k ö n n y ű g y á r t h a t ó -
I t t azt a fizikai t é n y t h a s z n á l t u k fel, hogy egy tag helyettesít egy A/4 hosszúságú t á p v o n a l s z a k a s z t , így a fenti elrendezés 3xA/4 elektromos hosszúságú koaxiális impedanciatranszformátorral ekvivalens.
8. ábra. T V I I . sávi 50/75 ohmos illesztőtranszformátor
L1 )——1 1
50 Sl 5
L
1-3
2
-•—- —o -
r^rv A_—, »—°—
= C/|
c
1
=
=
=
1
= c
2
2
i—o—< , — _
<
l.tag
75.ÍL
c = =*»
2.-tag
< N—f -O—*-
3,-tag
B 288-9 ,9. ábra. T V I . és I I . sávi illesztőtranszformátorok elvi felépítése Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 7. szám
317
ság és bemérés v é g e t t a koaxiális elrendezés k e r ü l t kifejlesztésre. Felépítését tekintve a 2xA/4-es Csebisev jellegű transzformátor. E n n é l a változatnál a 2. pontban ismertetett sönt elemes k o m p e n z á l á s t is alkalmaztuk: egyrészt a v i szonylag széles f r e k v e n c i a t a r t o m á n y (470.. .640 M H z ) , másrészt k i - és bemeneten levő relatíve nagy ugráskapacitások m i a t t . Az illesztőtranszformátorok k ü l - és beltéri h a s z n á l a t ú a k . Szabadtéri üzem esetén időjárás v é d e t t kivitelben készülnek.
Cf
_c
1= A/4 B 288-10
10. ábra. Alaptag a méretezéshez Telj esítményelosztók Az elosztók feladata az antennapanelek táplálása. Az adóból jövő teljesítményt az elosztók osztják az antennapanelek s z á m á t ó l függő része. A t á p v o n a l o n h a l a d ó teljesítményt „ n " számú vonal p á r h u z a m o s kapcsolásából keletkező i m p e d a n c i á t az elosztó transzformátor része illeszti a tápláló vonal hullámellenállásához. F u n k c i ó j á t tekintve azonosak az i m pedanciatranszformátorokéval. Felépítésükben egy lényeges különbség v a n : míg az impedancia transz f o r m á t o r o k n a k egy kimenete van, addig az elosztók t ö b b kimenettel rendelkeznek. Az elosztók k é t rész ből á l l n a k : a széles sávú illesztést biztosító transz formátor szakaszból és a tényleges elosztó részből, ahol a megfelelő számú koaxiális elágazás helyezke dik el. A 2., 3. pontban leírt kompenzálási és illesz tési m ó d o k a t használjuk fel. A teljesség k e d v é é r t m é g megemlítjük azt az ese tet, amikor a teljesítményt egyenlőtlen a r á n y b a n osztjuk el. A teljesítményelosztóknak t e h á t k é t nagy csoportja v a n : az egyenlő és egyenlőtlen osztás arányú. Jelen közleményben csak az egyenlő a r á n y ú el osztókkal fogalkozunk. 4.1. TV I. és II. sávi
elosztók:
Ezekben a s á v o k b a n az elosztócsalád tagjai kábeles kivitelben készültek. Ennek k é t oka v a n : egyrészt mind l-es, mind Il-es s á v b a n a merev, koaxiális felépítésben nagy méretek és súlyok a d ó d t a k volna,
I
#<*™
—«emf
...
.•——•-»
f -
másrészt á t j á t s z ó t e c h n i k á b a n a teljesítményhatár 100 W , s ezt a teljesítmény igénybevételt a kábeles elosztók biztonságosan „elviselik". I t t szeretnénk utalni a kábelnek sokrétű alkalmazási lehetőségére: szűrők, impedanciatranszformátorok, hibridek, k é szíthetők velük. Az elosztók is olcsóbb kábelekből készültek, amelyek a k o n s t r u k c i ó t olcsóvá teszik és a szériagyártást biztosítják. Osztásaránytól függet lenül k o m p e n z á c i ó t alkalmaztunk azért, hogy az adott teljes sávon belül az ugrások által okozott h i b á k a t az előírt állóhullámarányon belül tudjuk tar t a n i (12. ábra). Az elosztók k o n s t r u k c i ó j u k a t tekintve időjárás v é d e t t kivitelűek, mivel szabadtérben kell megbíz h a t ó a n üzemelniük. 4.2. TV III.
A csatlakozási helyek t ö m í t e t t e k , így az elosztó belseje v é d e t t a k ü l t é r i b e h a t á s o k t ó l (por, víz stb.). T V I I I . s á v b a n a mintegy 60 MHz-es sávszélesség átvitele, 2xA/4-es szakaszból álló elosztókkal való sítható meg (13. ábra).
— —
'••""» •
— 1
.
.
.
elosztók:
Ezekben a s á v o k b a n m ű k ö d ő elosztók m á r a hagyo m á n y o s koaxiális k i v i t e l i f o r m á b a n készültek. A külső k ö p e n y szabványos méretű, h ú z o t t rézcső, ahol a k ö peny zártsága eleve biztosítja az időjárás védettség követelményét.
fmtmffH
ifhuuVI-
és IV.
""» »• ^Bfcf "***jk Wͧh
.
MPMM—apf
11. ábra. T V I V . sávi 50/75 ohmos transzformátor belső erével 318
Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 7. szám
A teljesítménykorlátot ennél a k i v i t e l i típusnál a szabványos koaxiális csatlakozó h a t á r o z z a meg. Ugyanez érvényes az U H F sávi változatnál is. Az U H F sávi elosztók hangolhatöak (l. 14. ábra). Erre a viszonylag széles sáv (160 M H z ) és a gyár tási szórásokból eredő h i b á k kiküszöbölése m i a t t van szükség, vagy esetenként keskeny s á v b a n na gyon szigorú illesztési k ö v e t e l m é n y e k e t kell megva lósítani. E n n é l a változatnál t o v á b b á biztosítani kell a hangolóelemek jó rögzítését és a hangolómechanizmus idő járás védettségét. Befejezésül megadjuk a 2xA/4-es transzformátorok (Csebisev) méretezéséhez fontos összefüggéseket. A feladat mindig az, hogy egy Z impedanciát egy Z impedanciába transzfor máljunk egy előírt r állóhullámarányon belül a megadott f r e k v e n c i a t a r t o m á n y b a n . Az egyes transz formáló szakaszok hullámellenállásának számításá hoz az alábbi konstansok meghatározása szükséges. x
Z az elosztó kimenő impedanciája (a p á r h u z a mosan kapcsolt koaxiális vonalak eredője) 1 1 2
^ = ^[(C+YC^)
+ {C-fC^) ]
V2
112
(12)
x a másodfokú Csebisev polinom egyik tagja, cos 6>
(13)
0 , annak a frekvenciának felel meg, melynél illesztés van ( r = l )
2
M
( ^ + 1)
2
(10)
a megengedett teljesítmény veszteségi a r á n y r — az átviteli s á v b a n specifikált maximális állóhullámaránv R-l (11) C =—= M
2YR.yp -i m
z ahol: R az impedancia áttétel, definíciója R = Z~ =Z l
f
^
az elosztó bemenő impedanciája
be
-
^
^
;
-
-
'
t i :
12. ábra. T V I I . sávi 3-as elosztó (kábeles)
. . . .
-
13. ábra. TV I I I . sávi 4-es elosztó
Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 7. szám
319
15. ábra. T V I I . sávi impedanciatranszformátor diagramja (50/75 ohm)
Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 7. szám
A transzformátor egyes szakaszainak hullámellen állása : R-l
2
4tg0f
+ R +
R-í
(14)
Ebben a közleményben egyrészt érzékeltetni akar tuk, hogy az illesztés során t á p v o n a l t e c h n i k á b a n milyen p r o b l é m á k k a l k e r ü l ü n k szembe, s ezeket ho gyan lehet kiküszöbölni, másrészt, ezek a koaxiáltechnikai elemek hogyan t e r v e z h e t ő k V H F és U H F sávban.
(15) A z eddig leírtak szemléletessé tételére megadjuk egy 50/75 ohmos illesztőtranszformátor és egy 50/4x50 ohmos elosztó állóhullámarány görbéjét poláris (Smith) diagramban (15. és 16. ábra). A cikk korlátozott terjedelme m i a t t nem t é r h e t ü n k k i a nagyfrekvenciás terület illesztési kérdésének minden részletére, nem is ez volt a fő célunk.
Értesítjük
olvasóinkat,
Híradástechnika
XXXIV.
hogy legközelebbi számunk
IRODALOM [1] Simonyi: Villamosságtan 1964. [2] Dr. Jachimovits—Völgyi: Tápvonalak és a n t e n n á k P é l d a t á r I . rész 1973. [3] Dr. Istvánffy: Tápvonalak, antennák, hullám terjedés 1967. [4] Szálai P á l I s t v á n : Tápvonalak, a n t e n n á k Mérnöki Továbbképző Intézet K i a d v á n y a 1966,
összevontan jelenik meg
évfolyam 1983. 7. szám
96 oldal terjedelemben szeptember
hónapban
321
