Два стандарта волнового сопротивления
В радиотехнике исторически прижились два значения волнового сопротивления коаксиальных трактов. 50 Ом — стандарт связи, измерительной техники и СВЧ: компромисс между минимальными потерями и максимальной мощностью кабеля. 75 Ом — стандарт телевидения, кабельных сетей и видео: кабель с минимальными потерями. Когда прибор на 50 Ом нужно подключить к тракту на 75 Ом — анализатор к телевизионной сети, генератор к кабельному усилителю, — появляется вопрос согласования.
Откуда эти числа. У коаксиального кабеля с воздушным заполнением потери минимальны при волновом сопротивлении около 77 Ом, а максимальная передаваемая мощность — около 30 Ом. 50 Ом — компромисс для трактов, где важны и мощность, и потери. 75 Ом близко к минимуму потерь, поэтому его выбрали для длинных кабельных сетей с малыми уровнями сигнала, где мощность не важна.
Прямое соединение даёт отражение, резистивный переход убирает его ценой потерь, четвертьволновый трансформатор — без потерь, но только около расчётной частоты.
Напрямую: мало потерь, но отражение
Если просто соединить 50 и 75 Ом, на стыке отражается часть волны: коэффициент отражения (75 − 50)/(75 + 50) = 0,20, КСВН 1,5. Потери на рассогласование при этом всего 0,18 дБ — мощность почти вся проходит. Для приёма телевидения или передачи данных это часто допустимо.
Проблема в другом. Отражение 0,2 делает неточными любые измерения: анализатор увидит собственное отражение от стыка вместо отражения измеряемого устройства, а уровни поплывут с частотой из-за интерференции с отражением на другом конце кабеля. Поэтому для измерений прямое соединение не годится.
Резистивный переход минимальных потерь
Два резистора — последовательный на стороне 75 Ом и параллельный на стороне 50 Ом — согласуют обе стороны одновременно: каждая видит своё сопротивление. Для перехода с минимальными потерями номиналы: последовательный 43,3 Ом, параллельный 86,6 Ом. Платить приходится затуханием 5,72 дБ, и меньше его сделать нельзя: это минимум для резистивной схемы между 50 и 75 Ом.
Именно так устроены согласующие переходы ТС в каталоге: вносимые потери не более 5,7 дБ, КСВН 1,06–1,25 во всей полосе, работают от постоянного тока до 1,3 или 3 ГГц. Широкая полоса и честное согласование делают их стандартом для измерений: потери 5,7 дБ известны и вычитаются, а отражение пренебрежимо.
Резистивный переход платит потерями, прямое соединение — отражением, четвертьволновый трансформатор — полосой.
Уровни в дБм и дБмкВ
Телевизионщики измеряют уровень в дБмкВ, связисты — в дБм. Пересчёт зависит от сопротивления: U(дБмкВ) = P(дБм) + 90 + 10·lg Z. Одна и та же мощность на 75 Ом даёт напряжение на 1,76 дБ больше, чем на 50 Ом:
| Мощность, дБм | Напряжение на 50 Ом, дБмкВ | Напряжение на 75 Ом, дБмкВ |
|---|---|---|
| 0 | 107,0 | 108,8 |
| −20 | 87,0 | 88,8 |
| −40 | 67,0 | 68,8 |
| −60 | 47,0 | 48,8 |
При измерении телевизионного сигнала анализатором на 50 Ом через резистивный переход к показанию прибора прибавляют потери перехода — 5,7 дБ — и пересчитывают мощность в напряжение уже для 75 Ом. Многие анализаторы делают это сами, если указать сопротивление и потери перехода в настройках входа.
Нагрев и мощность
Затухание 5,7 дБ означает, что через резистивный переход проходит только 27 % мощности, а остальные 73 % превращаются в тепло на резисторах. Поэтому переходы различаются по мощности: 2 и 5 Вт — для измерений, 50 Вт — для работы с передатчиками малой мощности. Превышение мощности перегревает резисторы и меняет их номинал — согласование ухудшается раньше, чем переход выходит из строя.
Четвертьволновый трансформатор
Отрезок линии длиной в четверть волны с волновым сопротивлением √(50·75) = 61,2 Ом согласует 50 и 75 Ом без потерь — но только на расчётной частоте. При уходе частоты длина перестаёт быть четвертью волны, и отражение возвращается:
| Частота относительно расчётной | КСВН |
|---|---|
| 1,0·f0 | 1,00 |
| 0,9·f0 | 1,07 |
| 0,8·f0 | 1,13 |
| 0,7·f0 | 1,20 |
| 0,5·f0 | 1,33 |
Одна четвертьволновая секция держит КСВН меньше 1,1 примерно в полосе ±15 % от расчётной частоты. Несколько секций подряд с плавным изменением сопротивления расширяют полосу. Такие трансформаторы делают в тракте антенн и усилителей на фиксированную полосу, где потери 5,7 дБ недопустимы.
Многосекционные трансформаторы
Если нужна широкая полоса без потерь, четвертьволновых секций ставят несколько: сопротивление меняется ступенями от 50 до 75 Ом. Две секции уже дают КСВН меньше 1,1 в полосе порядка октавы, три-четыре — больше. Предельный случай — плавный переход, у которого сопротивление линии меняется непрерывно по длине в несколько длин волн. Такие трансформаторы крупнее и сложнее в изготовлении, поэтому в измерениях обходятся резистивным переходом, а многосекционные ставят в тракты, где каждая десятая доля дБ на счету.
Трансформатор на феррите
Для частот до сотен мегагерц и единиц гигагерц применяют широкополосные трансформаторы на ферритовых кольцах или трансформаторы на линиях. Они согласуют сопротивления с малыми потерями в полосе в несколько октав, но не работают на постоянном токе и ограничены по верхней частоте свойствами феррита. Это обычное решение внутри кабельных усилителей и антенных разветвителей.
Разъёмы на 75 Ом
У разъёмов на 75 Ом свои особенности. N на 75 Ом имеет более тонкий центральный штырь, и вилка на 50 Ом может повредить розетку на 75 Ом при стыковке. BNC на 50 и 75 Ом механически совместимы, но их электрические характеристики на высоких частотах различаются. F — разъём телевизионных сетей, только на 75 Ом. Переходы ТС в каталоге поставляются с разъёмами SMA, N, BNC на стороне 50 Ом и N, BNC, F — на стороне 75 Ом.
Проверьте пол и сопротивление разъёма. Перепутанный N на 75 Ом — частая причина повреждённых разъёмов на стенде. Маркируйте 75-омные кабели и переходы цветом или биркой.
Где нужен переход 50/75
- Измерение телевизионных и кабельных трактов анализатором с входом 50 Ом.
- Подключение генератора 50 Ом к устройствам на 75 Ом для испытаний.
- Видеоаппаратура и системы спутникового телевидения на измерительном стенде.
- Согласование антенн и кабельных сетей 75 Ом с аппаратурой связи на 50 Ом.
- Проверка оборудования систем видеонаблюдения и цифрового эфирного телевидения.
- Калибровка и поверка приборов с входами 75 Ом по эталонам на 50 Ом.
В приёмном тракте антенны резистивный переход обычно не ставят: 5,7 дБ потерь прямо ухудшают чувствительность. Там либо используют кабель и аппаратуру одного стандарта, либо мирятся с КСВН 1,5 прямого соединения, либо ставят трансформатор без потерь под рабочую полосу.
Симметрирующие устройства
Родственная задача — перейти с несимметричной коаксиальной линии на симметричную: на дифференциальный вход АЦП, на симметричную антенну или двухпроводную линию. Для этого служат симметрирующие устройства — балуны. Широкополосные балуны каталога работают от десятков килогерц до 110 ГГц и подавляют синфазную составляющую на 20–28 дБ.
Как проверить переход
Проверяют анализатором цепей, откалиброванным на 50 Ом. Со стороны 50 Ом измеряют отражение, нагрузив сторону 75 Ом на точную нагрузку 75 Ом. Потери измеряют парой одинаковых переходов, соединённых сторонами 75 Ом: общий результат — удвоенные потери одного перехода. Так же проверяют, не изменился ли переход после перегрузки по мощности.
Типичные ошибки
- Подключают 75-омный тракт к анализатору напрямую и видят «неровную» АЧХ от отражений.
- Забывают прибавить 5,7 дБ потерь перехода к измеренному уровню.
- Стыкуют 50-омную вилку N с 75-омной розеткой и повреждают центральный контакт.
- Ставят резистивный переход в приёмный тракт антенны и теряют 5,7 дБ чувствительности.
- Ставят четвертьволновый трансформатор в широкополосный тракт и получают отражение на краях полосы.
- Перегружают маломощный переход сигналом передатчика.
Балуны часто путают с трансформаторами 50/75, но задача у них другая: не сменить сопротивление, а перейти от несимметричной линии к симметричной. Иногда устройство делает и то и другое — например, балун 1:4 переводит 50 Ом несимметричного входа в 200 Ом симметричного выхода. При выборе смотрите на разбаланс амплитуды и фазы между выходами: у балунов каталога это около ±1 дБ и ±5…10°.
Как выбрать
- Измерения в широкой полосе — резистивный переход: известные потери, КСВН около 1.
- Фиксированная полоса и важны потери — четвертьволновый или многосекционный трансформатор.
- Приём телевидения, где отражение не критично, — иногда достаточно прямого соединения.
- Мощность: переходы ТС — 2, 5 или 50 Вт.
- Разъёмы с обеих сторон и их пол.
- Верхняя частота: переходы каталога — до 1,3 или до 3 ГГц; КСВН на 1,3 ГГц лучше, чем на 3 ГГц.
- Для постоянного тока: резистивный переход пропускает его, ферритовый трансформатор — нет.
Модели KADAMM
Переходы 50/75 и балуны — в разделе трансформаторов и разделителей KADAMM.
| Частоты | до 3 ГГц |
| Моделей | 6 |
| Частоты | до 1,3 ГГц |
| Моделей | 1 |
| Частоты | 100 кГц – 110 ГГц |
| Моделей | 8 |