Rövidülési tényező

A tápvonalaknál, illetve a koaxiális kábeleknél létezik az úgynevezett rövidülési tényező fogalma. Ennek a megértéséhez elöbb azt kell megéreni, hogyan működik egy tápvonal.

A rövidülési tényező fizikai háttére

Az egyszerűség kedvéért képzeljünk el egy koaxkábelt. Az egyik végén zárja le egy generátor, a másik végén terhelés. A generátor váltakozó feszültséget állít elő, más szavakkal térerőt idéz elő a kapcsait jelentő fémben. Ez elmozdolásra kényszeríti az ott jelen lévő szabad elektronokat.

Mivel a feszültség és így az eletromos tér is többnyire szinuszos lefolyású, az eletronokra ható térerő gyorsuló mozgást okoz. Az elmozdulás iránya és sebessége tehát változik.

Az elektromos és mágneses tereknél leírtakból megtudható, hogy gyorsuló töltéshordozók környezetében elektromágneses hullám keletkezik. A koaxkábel mentén tehát kialakul egy hullám, ami a generátortól a terhelés felé halad. Ez a hullám a rádióhullámokhoz hasonlóan mágneses és elektromos térből tevődik össze. Az elektromos mező úgy alakul, hogy az erővonalai a központi vezető és az árnyékolóharisnya között sugárirányban haladnak. Az erővonalak iránya folyton változik, a hullám pillanatnyi fázisának megfelelően. A mágneses mező pedig erre merőlegesen, a központi ér körül kialakuló koncentrikus körökként képzelhető el. A hullám, illetve az energia pedig a központi ér és az árnyékolóharisnya közötti térben halad.

Tudjuk, hogy az elektromágneses hullámok terjedési sebessége mennyi vákumban. A koaxkábel viszont valamilyen dielektrikummal van kitöltve. Ez biztosítja például a levegőnél jóval nagyobb átütési feszültséget, vagy a mechanikai stabilitást. A dielektrikum egyik fontos jellemzője a dielektromos állandó. A hullám tehát nem vákumban halad, hanem a dielektrikumban.

A terjedési sebessége tehát a dielektromos állandótól függ. Ha a dielektromos állandó nagyobb egynél, akkor a terjedési sebesség kisebb, mint a vákumban. Ezért ugyanannyi idő alatt rövidebb utat tud megtenni.

Rövidülési tényező a gyakorlatban

Ha a szabad térben egy elektromágneses hullám 1 métert tesz meg, akkor pédául az RG58 koaxkábelben ugyanannyi idő a csak 66 cm-re jut el. Ezt a jelenséget nevezik rövidülésnek, és a 0.66-os rövidülési tényező is ezt jelenti. Általában mindegy, hogy egy kábel végén mikor jön ki az energia. Ugyis ezt az utat nagyon rövid idő alatt megteszi. Szemléletesség kedvéért egy 100 méter hosszú kábelben 335...500 ns idő alatt.

Mire jó a rövidülési tényező ismerete?

A dolog akkor kezd fontossá válni, ha a kábel hossza és a hullámhossz közötti valamilyen törvényszerűséget ki kell használni. Ez előfordulhat például akkor, ha az antennák táplálása során meghatározott fázistolást akarunk előidézni a sugárzási tulajdonságok befolyásolása céljából.

Két antenna egyszerre történő táplálása

Például két HB9CV antennát akarunk párhuzamosan táplálni úgy, hogy az előre sugárzás erősödjön, a hátra irányban pedig kölcsönösen gyengítse egymást a két antenna, akkor célszerű az egyik antennát negyed hullámmal előrébb elhelyezni. Ha a szabad térben a negyed hullámhossz 52 cm ( kétméteres sáv ), akkor a két antenna táplálásának fázisában 90 fok eltérés lenne. A rövidülési tényezőt figyelembevéve a hátul levő antennának a kábelét 34 cm-el hosszabbra hagyva a két antenna előre azonos, hátra pedig ellenfázisban fog sugározni. Ezáltal ez az elrendezés az antennarendszer előre-hátra viszonyát jelentősen megnöveli.

Amennyiben a két antennát egymás mellett (illetve felett) helyezzük el, akkor azonos hosszúságú koaxkábellel kell közösítenünk őket. Ekkor azonban az előre-hátra viszonyuk ugyanakkora marad, mint egyetlen antenna esetén.

Félhullámú transzformátorok

Ha egy koaxkábel elektromos hossza ( ami a rövidülési tényezővel figyelebe vett hossza ) a hullámhossz fele, vagy annak egész számú többszöröse, akkor a kábel érdekes tulajdonságot mutat. Az egyik végén rákapcsolt tetszőleges ellenállás jelenik meg a másik végén, de csak a hullámhossznak megfelelő frekvencián. Ezt a jelenséget például arra lehet használni, hogy az antenna talpponti impedanciáját lehozzuk a kábel alsó végére. Igy a rádió mellől is lehet hangolni az antennát.

Negyedhullámú transzformátorok

Az elektromosan negyed hullámhosszú kábeleket impedancia transzformátornak lehet használni. Ha adott egy antenna talpponti ellenállása, amely nem egyezik az adó kimeneti ellenállásával, akkor negyedhullámú kábellel mégis lehet helyesen táplálni az antennát, ha a kábel hullámellenállása az antenna talpponti és az adó kimeneti ellenállásának mértani közepe.

Például egy 120 Ohmos loop antennát lehet 75 Ohmos kábellel helyesen táplálni 50 Ohm kimenetű adóval, ha a 75 Ohmos kábel elektromos hossza negyed hullámnyi. A negyedhullámú koax transzformátor hullámellenállása tehát: [math]Z=\sqrt{Z_1 Z_2}[/math]

Impedancia transzformálás és aszimmetrizálás félhullámú hurokkal

Tegyük fel, hogy van egy 200 ohm környéki talpponti impedanciájú hajlított dipól. Ezt 50 ohmra szerentnénk illeszteni. Ekkor segít az elektromosan negyed hullámú hurok.

Kössük össze a hajlított dipól kapcsait egy elektromosan félhullámú hurok meleg erének két végével, majd a dipól egyik kapcsát kössük rá a levezető koaxkábel meleg erére. A levezető koaxkábel árnyékolását pedig a félhullámú koaxkábel mindkét végének árnyékolásával.

Az így elkészített illesztő az impedanciát negyedére transzformálja, miközben a szimmetrikus antennát az asszimmetrikus levezető koaxkábelre illeszti.

Impedancia transzformálás csonkkal

-- antenna csonkos illesztése - hogyan? --