Kábelek és csatlakozók

A nagyfrekvenciás vezetékek feladata, hogy egyrészt az adó által létrehozott nagyfrekvenciás energiát az antennához vezessék, illetve fordítva, az antenna által felfogott nagyfrekvenciás energiát - lehetőleg teljes egészében - a vevőhöz vezessék. Az adótechnikában is alapvető követelmény, hogy a teljesítmény lehető legnagyobb hányada érje el az antennát. Mindezek miatt kis csillapítású kábeleket kell használnunk.

1. ábra: Különféle koaxkábelek

A hullámellenállás

Egy vezeték általánosságban úgy tekinthető, mint sok kis induktivitás soros kapcsolása és sok kis kapacitás párhuzamos kapcsolása (2/a ábra). Ha ezekhez még a vezeték ohmos ellenállását (R) is hozzávesszük, akkor megkapjuk a vezeték pontos helyettesítő képét (2/b ábra).

2. ábra: Egy vezeték helyettesítő képe

A kábelek alapvető paramétere az egy méterre jutó kapacitás és induktivitás. Ennek a két mennyiségnek segítségével a vezeték egy nagyon fontos jellemzője, a hullámellenálása számítható ki.

Példa

Egy kábel egy méteres darabjának kapacitása 90 pF, a végét rövidrezárva pedig 0,5 μH induktivitást mérünk. Mekkora ennek a vezetőnek a hullámellenállása?

Megoldás:

A hullámellenállás független a vezeték hosszától, mivel kétszer olyan hosszú vezeték kapacitása és induktivitása is kétszerese az erdetinek. Így a hullámellenállás változatlan marad. A hullámellenállás továbbá független a frekvenciától is.

A hullámellenállás a nagyfrekvenciás kábelek legfontosabb jellemzője. Értékének meg kell egyezni mind az antenna talpponti ellenállásával, mind pedig a rádiókészülék kimeneti ellenállásával. Ellenkező esetben illesztetlenség lép fel, ami a kábelben "állóhullámokat" eredményez és a rendszer rendellenes viselkedéséhez vezet.

Másképp megfogalmazva: ha egy nagyfrekvenciás kábelt pontosan a hullámellenállásával egyenlő értékű ellenálással zárunk le, akkor a kábel a benne haladó teljesítményt teljes egészében átadja az ellenállásnak. Nem lép fel semmilyen reflexió, állóhullámok sem alakulnak ki. Ennek megfelelően a következő definíciót fogalmazhatjuk meg:

Egy kábel hullámellenállása megegyezik annak az ellenállásnak értékével, amellyel a kábelt lezárva nem alakulnak ki állóhullámok.

Fordítva is igaz: amennyiben állóhullámok alakulnak ki, akkor a kábel kezdetén mért ellenállás nem egyezik meg a hullámellenálással.

A hullámellenállás kiszámítható a kábel geometriai méreteiből (pl. átmérőjéből, a vezető erek távolságából, dielektrimum vastagságából). Nem kell megijedni, az amatőrvizsgához nem szükséges ezen képletek ismerete. A továbbiak nem tartoznak a Klasse 3 vizsgához, bővebb pedig a haladóknak szóló tankönyv 17. fejezetében található.

3. ábra: Kéthuzalos (szimmetrikus) tápvonalak (a, b),
koaxiális kábel (c)

A vezeték hullámellenállása (Z_w) a felépítéstől és a felhasznált anyagok tulajdonságaitól függ. A gyakorlatban többnyire a következő értékekkel találkozunk:

• Kéthuzalos tápvonalak (a és b): Z_w = 150 Ω-tól 600 Ω-ig
• Koaxiális kábelek (c): Z_w = 50 Ω-tól 125 Ω-ig

A csillapítás

A nagyfrekvenciás vezeték másik igen fontos jellemzője a csillapítás. A csillapítás azt jelenti, hogy a vezetékbe betáplált nagyfrekvenciás teljesítménynek csak egy részi el a kábel végét. Az átviteltechnikában - természetes módon - igyekszünk a csillapítást alacsony szinten tartani.

A csillapítás a vezeték veszteségi ellenállásától függ, amely koaxiális kábeleknél elsősorban a belső ér és a kábelköpeny véges vezetőképességéből adódik. Minél vastagabb a belső ér, annál kisebb a csillapítás. Ekkor azonban a külső vezetőnek is vastagabbnak kell lennie. A vastag kábelek pedig drágábbak, mint a vékonyak.

Kisebb mértékben ugyan, de a csillapítás függ az kábel szigetelőanyagától (a dielektrikumtól). A legkisebb csillapítással a műanyag szigetelővel nem rendelkező (pl. levegő dielektrikumú) vezetékek rendelkeznek. Ugyanakkora belső vezető esetén ezek a vezetékek sokkal vastagabbak, ezért az előállításuk bonyolultabb és így az áruk is magasabb.

A csillapítást többnyire a kábel 100 m-es darabjának egy adott frekvencián dB-ben kifejezett veszteségeként adják meg. Ha csak fele olyan hosszú kábelt használunk, akkor a csillapítás is fele lesz. Antennák telepítésénél ügyelni kell tehát arra, hogy az adóhoz vezető út minél rövidebb legyen.

A csillapítás ezen kívül függ még a frekvenciától is. Ennek a részletezésétől itt most eltekintünk, az alábbi ábra segít a kérdések megválaszolásában.

4. ábra: Néhány gyakran használt koaxkábel 100 m-re eső csillapításának frekvenciafüggése.

Feladat: Válaszolja meg a lecke végén található TH507 és TH508 vizsgakérdéseket!

Az illesztés

A nagyfrekvenciás technikában az illesztés az jelenti, hogy az adó kimenő ellenállásának meg kell egyeznie a hozzá csatlakozó nagyfrekvenciás kábel hullámellenállásával. Hasonlóképpen az antenna impedanciájának is egyenlőnek kell lenni a kábel hullámellenállásával.

5. ábra: Az adó - kábel - antenna illesztés

Az adó végfokozatának (PA, power amplifier) kimeneti tranzisztorai vagy csövei teljes kivezérlés (és adott tápfeszültség) esetén egy bizonyos R_L terhelőellenállást igényelnek ahhoz, hogy a maximális kimenő teljesítményt le tudják adni. Az optimális R_L tranzisztorok esetén nagyságrendileg néhány ohm, csövek esetén pedig néhány kiloohm körül van.

Illesztőtagok transzformálják az R_L terhelőellenállást a napjainkban elterjedt 50 ohm-os kimeneti ellenállásra. Így ha az adó 50 Ω-os kimenetére egy 50 Ω-os koaxkábel csatlakozik, arra pedig egy közel 50 Ω bemenőellenállású antenna, akkor az adó a maximális kimenőteljesítményt fogja leadni.

Amennyiben az antenna ellenállása lényegesen eltér az 50 Ω-tól (pl. az alacsony telepítési magasság miatt, vagy mert az adó nem az antenna rezonancifrekvencián dolgozik), akkor a PA nem az ideális lezáróellenállást látja és a csökken a kimenőteljesítménye. A nem rezonáns antenna ezen kívül még meddő ellenállással is rendelkezik, amit kompenzálni kell.

Az állóhullám-arány

Azt, hogy mennyire jó az antenna és a tápkábel (vagy a tápkábel és az adó kimenete) közötti illesztés, az állóhullám-arány (SWR standing wave ratio vagy VSWR voltage standing wave ratio) fejezi ki.

Ha a kábelbe betáplált nagyfrekvenciás teljesítményt az antenna illesztetlenség miatt nem tudja felvenni, akkor a fel nem vett teljesítmény az adó felé reflektálódik. A visszafelé haladó hullám rátevődik a előrefelé haladó hullámra. Ezáltal a kábel antenna felőli végétől egyenletesen, λ/2 közönként hullámhegyek (u_h + u_r) és hullámvölgyek (u_h - u_r) alakulnak ki.

6. ábra: Állóhullámok miatt kialakuló feszültség maximumok és minimumok

A maximális és a minimális feszültség (U_max és U_min) arányát nevezzük állóhullám-aránynak (SWR vagy VSWR, voltage standing wave ratio).

A visszavert hullám feszültsége (u_r), és ezáltal U_max és U_min is, közvetlen összefüggésben van az illesztetlenség mértékével, azaz az R_a antennaellenállás és a Z_w hullámellenállás arányával. Ha az antenna bemeneti ellenállása nagyobb a hullámellenállásnál, akkor az SWR a következő képlettel szamítható:

A fordított esetben pedig

Példa: Mekkora az állóhullám-arány ha egy 50 Ω-os kábelt a) 100 Ω , b) 10 Ω ellenállással zárunk le?

Megoldás:

a)

b)

Az állóhullám-arány mérését iránycsatolóval vagy SWR-híddal végezzük. Az előbbi a haladó hullám feszültségének (u_h) és a visszavert hullám feszültségének (u_r) arányát méri. A haladóknak szóló tankönyvben szerepel az u_h, u_r és az állóhullám-arány közötti összefüggés levezetése. Itt nem részletezzük, csak magát a képletet közöljük:

Példa: Iránycsatolóval azt mértük, hogy a haladó hullám feszültsége 1 V, a visszaverté pedig 0,5 V. Mekkora az állóhullám-arány?

Megoldás:

Ha a teljesítmény fele verődik vissza, akkor az állóhullám-arány 3.

Abban az esetben, ha semmilyen visszaverődés nincs, a következőt kapjuk:

Jegyezzük meg: Ha az állóhullám-arány 1, akkor az illesztés tökéletes.

Az SWR ismeretében meghatározható a visszavert teljesítmény nagysága. Amikor például SWR = 3, akkor a visszavert hullám feszültsége éppen fele a haladóhulláménak. Miután fele akkora feszültség egyben fele akkora áramot is jelent, ezért a teljesítmény 0,5 x 0,5 = 0,25-szoros lesz. Azt is mondhatjuk, hogy a teljesítmény negyede (25%-a) reflektálódik, az antenna pedig 75%-ot kisugároz. Ez egyben a TH509 vizsgakérdés helyes megoldása is.

Az állóhullámarány-mérőt oda kell csatlakoztatni a tápvezetékbe, ahol az SWR-t mérni akarjuk. Ha magát az antennát kívánjuk mérni, akkor az antennakábel és az antenna bemente közé csatlakoztatjuk. Ha egy univerzális illesztőegység (matchbox) segítségével az antennát és a tápkábelt együttesen szeretnénk mérni, akkor a kapcsolás például így néz ki:

7. ábra: Az SWR-mérő csatlakoztatása illesztőegység használata esetén

A szimmetrizálás

Ha aszimmetrikus kábellel akarunk egy szimmetrikus antennát táplálni, akkor az impedancia-illesztésen kívül még a kábel szimmetrizálásáról is gondoskodni kell. A szimmetrikus antennák különféle fajtájú dipólok, az aszimmetrikusak pedig a földelést igénylő sugárzók (pl. λ/4 vertikál). Szimmetrikus kábel a kéthuzalos tápvonal, aszimmetrikus pedig a koaxkábel.

Amennyiben egy szimmetrikus antennára közvetlenül csatlakoztatjuk a koaxbábel, akkor a kábel külső vezetőjében az aszimmetria miatt kiegyenlítési áram (köpenyhullám) keletkezik. Ezáltal a kábel maga is sugározni fog, ami a közeli rádió- vagy TV-kábelekben nemkívánt zavarokat indukál. Egyúttal megnőnek a veszteségek és az antenna iránykaraterisztikája is torzul.

A szimmetrizálást egy szélessávú szimmetrizáló transzformátor (balun) végzi. A balun név az angol balanced (szimmetrikus) - unbalanced (aszimmetrikus) szavakból származik. Többféle balun típus létezik, itt most csak a toroid balunnal foglalkozunk.

8. ábra: Toroid balun

A toroid magot a jó csatolás érdekében használják, erre tekercselik a RF-transzformátort. Ha az impedancia nem változik, akkor a primer és a szekunder menetszám megegyezik. A szekunder tekercs középleágazását földelve máris szimmetrikus kimenethez jutunk. A transzformátor áttételének változtatásával egyben impedancia transzformálást is végezhetünk. Erről bővebben a haladó tankönyv 18. leckéjében van szó.

Csatlakozók

A kábelek vége nincs a eszközökbe (rádióba, erősítőbe) beforrasztva, hanem csatlakozóval van ellátva, amit a megfelelő aljzatba csatlakoztatunk. Rövidhullámú felhasználásra, de ideiglenesen 2 m-es sávra is, a PL 259 típusú csatlakozót (hivatalosan: UHF csatlakozó) alkalmazzuk. A 70 cm-es és 2 m-es sávon az N csatlakozó használatos. Merőkábelek és kézi rádiók pedig BNC csatlakozóval rendelkeznek. VHF/UHF kézi rádiókat manapság többnyire a kisméretű SMA csatlakozóval látják el.

UHF rendszer (PL dugó)	N rendszer	BNC rendszer	SMA rendszer
rövidhullám, (és VHF)	rövidhullám, VHF és UHF	rövidhullám, VHF és UHF	VHF, UHF, SHF
nagy teljesítmény	nagy teljesítmény	közepes teljesítmény	kis teljesítmény

RF csatlakozók felhasználási tartományai

A dugó kábelre való felszereléséhez egy éles késre, egy ollóra, egy csípőfogóra és egy nagyteljesítményű forrasztópákára van szükség.

A PL csatlakozó (UHF csatlakozó)

A következőkben bemutatjuk, hogyan kell egy 10 mm vastag 50 Ω-os RG213 kábelre egy PL dugót (PL259) felszerelni. Ezt a fajta kábelt előszeretettel használják a rádióamatőrök mind adó és vevő célokra egyaránt.

9. ábra: PL dugó felszerelése egy 10 mm-es kábelre

Első lépésként a 9. ábra szerint elő kell készíteni a kábelt és a belső vezetőt be kell ónozni. A szigetelés eltávolításakor arra ügyelni kell, hogy az éles kés ne sértse meg a belső vezetőt, mert ez később kontakthibához vezethet. Ezután a csatlakozó rögzítőanyáján (A) átvezetjük a kábelt és magát a dugó részt (B) rácsavarjuk a kábelre, egészen addig, amíg a kábel dielektrikuma a dugó szigetelő részéhez nem ér. A belső vezetőt a dugó tüskéjébe (D), a koax külső vezetőjét pedig a lukakon keresztül a dugóhoz (C) forrasztjuk. Minden forrasztás után hagyjuk a dugót lehűlni. Végezetül a rögzítőanyát (A) teljesen rácsavarjuk a dugóra (9/c ábra).

Vékony 50 Ω-os kábel (pl. RG58) esetén egy 7 mm-es lukkal rendelkező PL dugó, vagy pedig egy szűkítő (10. ábra) szükséges. Ez a kábel kézi és mobil rádióknál, rövid kábelhosszak esetén használatos.

10. ábra: PL dugó felszerelése egy 6 mm-es kábelre

Az N csatlakozó és a BNC csatlakozó

Az N csatlakozó UHF felhasználásra jobban alkalmas, mint a PL, ugyanis pontosan 50 ohmos és vízálló. A N dugó a következő hat részből áll: szorító csavar (A), alátét (B), gumitömítés (C), szorító gyűrű (D), tüske (E) és csatlakozóház (F).

Az N csatlakozó 10 mm-es kábelhez való. Az 50 ohm-os, 6 mm-es RG58 mérőkábelhez BNC csatlakozó használatos. Ez ugyanabból a hat részből áll, mint az N csatlakozó.

11. ábra: N csatlakozó (balra) és BNC csatlakozó (jobbra) felszerelése.

A csatlakozó felszerelése: a szorító csavart (A), az alátétet (B) és gumitömítést (C) ráhúzzuk a kábel végére. A kábel köpenyét a végétől kb. 8 mm-re eltávolítjuk, anélkül, hogy az árnyékolást megsértenénk (11/a ábra). Az árnyékolást kissé hátrahúzzuk és a szétlazítjuk. A dielektrikumot egy késsel a kábel tengelyére merőlegesen bevágjuk és eltávolítjuk (ügyeljünk arra, hogy a belső eret ne sértsük meg). Ezután az árnyékolást hozzáfogjuk a kábelhez és a szorító gyűrűt (D) ütközésig ráhúzzuk (11/c ábra).

Az árnyékolást szorító gyűrű hátragyűri (11/d ábra), a felesleget egy ollóval levágjuk. A visszamaradó dielektrikum hosszát le kell ellenőrizni.

A kábel belső erét beónozzuk és a tüskét (vagy dugót, E) forrasztópákával felforrósítjuk. A furatot jól beónozzuk, belevezetjük a belső eret és a forrasztópákát gyorsan elvesszük, nehogy a dielektrikum deformálódjon.

Ezután a csatlakozóházat (F) felcsavarjuk és a szorító csavart egy villáskulccsal megszorítjuk, N csatlakozó esetén egészen a gumitömítésig. Eközben a kábel és a csatlakozóház nem fordulhat el.

12. ábra: UHF/VHF csatlakozók

Az SMA csatlakozó

A modern kézirádiók nagyon kicsi csatlakozókat használnak. Ezen csatlakozók hullámellenállása egészen a gigahertzes tartományig pontosan 50 ohm, de csak kis teljesítmény vihető át rajtuk.

Átalakítók

A rádiómamatőrnek nincs más választása, a fenti négy csatlakozó rendszer közül kell választania. A 2 m-es rádiók gyakran PL aljzattal rendelkeznek. 70 cm-es rádiók már többnyire N rendszerű aljzatot használnak. Az N csatlakozó annyiban jobb, hogy a hullámellenállása pontosan 50 ohm, ami a PL esetén nem teljesül. A rövidhullám viszonylag nagy hullámhosszai esetén ez egyáltalán nem kritikus. 70 cm-en viszont a negyed hullámhossz már csak 17 centiméter, így a 3 cm méretű csatlakozó már könnyen transzformátorként viselkedhet.

URH amatőröknek nagyon tudom ajánlani az N rendszert. Mindazonáltal a legtöbb állóhullám-arány mérő UHF (PL) csatlakozóval van ellátva. Nem marad más, mint átalakítót használni. Ezek a két végükön más-más rendszerű csatlakozóval rendelkeznek. Bármely rendszerről bármelyik másikra létezik átalakító.

Különféle átalakítók

Vizsgakérdések

TH507*) Mekkora egy 15 m-es RG 58 típusú koaxkábel csillapítása 145 MHz-en? (ld. 3. ábra)

• a) 4,5 dB
• b) 3 dB
• c) 1,3 dB
• d) 0,8 dB

TH508 Mekkora egy 15 m-es RG 213 (MIL) típusú koaxkábel csillapítása 145 MHz-en? (ld. 3. ábra)

• a) 0,8 dB
• b) 1,3 dB
• c) 4,5 dB
• d) 3 dB

TH509 Egy antenna állóhullám-aránya (VSWR) 3. Az adóteljesítmény hány százalékát sugározza ki az antenna, ha egyéb veszteségektől eltekintünk?

• a) 25 %
• b) 50 %
• c) 75 %
• d) 29 %

TC525 Melyik nem koaxiális csatlakozó?

• a) PDR
• b) SMA
• c) UHF
• d) BNC

TC526 A következő csatlakzótípusok közül melyik használható a legkisebb frekvenciatartományban?

• a) UHF
• b) BNC
• c) N
• d) SMA

Tesztfeladatok

Az alábbi tesztekkel lemérhető a saját tudásunk..

TH507

TH508

TH509

TC525

TC526

© http://tankonyv.ham.hu, utolsó módosítás: 2023.09.03. 00:34
Eredeti mű: © Eckart Moltrecht DJ4UF, http://www.amateurfunkpruefung.de