SWR, KF, kf różne
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Współczynnik fali stoj
cej – SWR - wyja
nienie
Poni
szy opis, głownie przeznaczony jest dla tych, co próbuj
obcina
tzw. „feeder” (czyt. fider), czyli kabel
ł
cz
cy nadajnik z anten
w celu dopasowania impedancyjnego układu.
W rozmowach na pasmach amatorskich, słyszy si
niekiedy niestworzone a niekiedy wr
cz kuriozalne
opowie
ci dotycz
ce SWR’a. Niektórzy próbuj
udowadnia
,
e SWR mo
e by
mniejszy od jedno
ci.
J
W krótkim opisie postaram si
wyja
ni
na przykładach, co mo
na pomin
, a czego mo
emy obawia
si
obserwuj
c nasz SWR.
Co to jest SWR?
SWR bardziej poprawnie powinien by
nazywany: VSWR (od: „napi
ciowy współczynnik fali stoj
cej”). Co
to oznacza? Najlepsz
drog
do zrozumienia SWR s
przykłady.
Typowy układ nadawczy, to nadajnik podł
czony do linii transmisyjnej, który z kolei jest podł
czony do anteny. Kiedy
uruchomimy nasz TX, to napi
cie w.cz. pojawia si
na wej
ciu linii transmisyjnej. . To napi
cie przesyłane jest przez
lini
do jej ko
ca i jest nazywane napi
ciem padaj
cym. Cz
tego napi
cia jest odbijana przez doł
czon
anten
i
w
druje z powrotem lini
transmisyjn
do nadajnika jako napi
cie odbite. Mo
na to porówna
do zjawiska echa, gdzie
głos odbija si
od przeszkody i wraca do nas w postaci wła
nie echa.
SWR jest miar
zdarze
pomi
dzy napi
ciem padaj
cym i odbitym oraz w jakim pozostaj
stosunku do siebie.
Zobaczmy, co dzieje si
, kiedy nadajnik jest podł
czony do kabla koncentrycznego o oporno
ci 50
i anteny równie
o
oporno
ci 50
. Załó
my,
e kabel koncentryczny jest bezstratny a z nadajnika promieniuje 1W mocy. Gdyby
my do
wyj
cia nadajnika podł
czyli teraz oscyloskop, to zobaczyliby
my na ekranie przebieg sinusoidalny. Amplituda tej
sinusoidy jest
ci
le zwi
zana z moc
, jak
emituje nadajnik. Sinusoida o wi
kszej amplitudzie, odpowiada wi
kszej
mocy. Ta fala energii przechodzi przez lini
transmisyjn
i dochodzi do anteny. Je
li impedancja anteny jest równa 50
, i składa si
tylko z cz
ci rzeczywistej (brak cz
ci urojonej – reaktancji), tak jak kabla, to cała energia jest
wypromieniowana przez anten
. Gdziekolwiek teraz, by
my nie mierzyli napi
cie w linii transmisyjnej, to w ka
dym
jej punkcie, kształt i wielko
tego napi
cia b
dzie taka sama jak wychodz
ca z nadajnika. Tak
sytuacj
spotyka si
w
warunkach dopasowania i wówczas SWR równy jest 1:1. Sytuacja idealna, ale w
yciu niestety niespotykana.
W przypadku rezystancyjnego obci
enia, SWR mo
e by
łatwo obliczony jako stosunek równy: R/Z
0
lub Z
0
/R, i w
ka
dym przypadku rezultat jest równy lub wi
kszy od 1.0.
Ka
da linia transmisyjna, np. w postaci kabla koncentrycznego charakteryzuje si
impedancj
własn
, zale
n
od jego
budowy, tj.
rednic
przewodnika, odległo
ci
przewodnika od ekranu, oraz jakim materiałem wypełniona jest
przestrze
pomi
dzy przewodnikiem a ekranem. Na t
cech
charakterystyczn
koncentryka nie mamy wpływu,
parametr ten podaj
wszyscy producenci kabli koncentrycznych.
Co stanie si
, je
li antena nie jest o oporno
ci 50
, a przypu
my 100
, a kabel o oporno
ci 50
? SWR w
tym układzie równy jest 2:1 (100/50). Teraz energia dostarczona do anteny jest w cz
ci wypromieniowana, a w cz
ci
wraca jako fala odbita z powrotem do nadajnika. Spowodowane jest to niedopasowaniem anteny do linii, st
d fala
odbita. Przy takim SWR, 33% napi
cia w.cz. wraca jako echo z powrotem do nadajnika. Poni
sza tabela podaje ile
procent napi
cia w.cz. oraz mocy, wraca jako odbite przy ró
nych SWR.
VSWR % napi
cia % mocy VSWR % napi
cia % mocy
1.0:1 0 0 1.8:1 29 8.2
1.1:1 5 0.2 1.9:1 31 9.6
1.2:1 9 0.8 2.0:1 33 11
1.3:1 13 1.7 2.5:1 43 18.4
1.4:1 17 2.8 3.0:1 50 25
1.5:1 20 4 4.0:1 56 36
1.6:1 23 5.3 5.0:1 67 44.4
1.7:1 26 6.7 10.0:1 82 67
W przypadku takiego niedopasowania, zobaczmy, co stało si
w linii transmisyjnej. Poprzednio, przy dopasowaniu,
napi
cie w.cz. w linii w ka
dym jej punkcie było takie same. Teraz, gdyby
my mierzyli napi
cie wzdłu
linii, to
zobaczyliby
my,
e napi
cie to zmienia si
, raz jest wi
ksze a raz mniejsze w zale
no
ci od jego fazy . Te wracaj
ce
33% napi
cia raz dodaje si
do napi
cia padaj
cego a raz odejmuje. W ró
nych punktach linii mamy raz 133%
napi
cia, a w innym punkcie 66% napi
cia przy dopasowaniu nadajnika do linii. Współczynnik napi
ciowy jest równy
133/66 lub inaczej 2.0.
Ten współczynnik napi
ciowy okre
la SWR (współczynnik fali stoj
cej).
Napi
cie wzdłu
linii transmisyjnej zmienia
si
z długo
ci
linii i jest ró
ne od tego, co wysyła nadajnik, to zjawisko nazywane jest
fal
stoj
c
.
Fala stoj
ca pojawia si
tylko wtedy, kiedy wyst
puje niedopasowanie linii.
Czy wysoki SWR prowadzi do zmniejszenia mocy wypromieniowanej?
Mo
na wierzy
lub nie, ale w obu przypadkach 100% mocy jest wypromieniowane przez anten
. W
pierwszym przypadku, przy dopasowaniu 50
z ka
dej strony, jest zrozumiałe,
e przy braku fali odbitej wszystko to,
co dostarczamy do anteny jest przez ni
wypromieniowane. W drugim przypadku 33% napi
cia wraca z powrotem do
nadajnika, ale tu nie ginie, ale odbija si
, i razem z fal
padaj
c
w
druje z powrotem do anteny wzdłu
linii. Odbita
energia w
druje w linii w jedn
i drug
stron
, a
w ko
cu cała zostanie wypromieniowana. Dzieje si
tak w linii, w
której nie ma strat przesyłowych i niewa
ne jest, jaki jest SWR, w ko
cu cała moc zostanie dostarczona do anteny i
wypromieniowana. Nast
pne przykłady poka
, co mo
e si
zdarzy
jeszcze.
Czy wysoki SWR to
le, czy nie?
Teraz, kiedy zrozumieli
my, co to jest SWR, kilka przykładów poka
e, dlaczego w tych samych warunkach wysoki
SWR mo
e prowadzi
do zmniejszenia mocy wypromieniowanej, a w innych nie jest problemem. Łatw
drog
do
zobrazowania jak SWR działa na system antenowy jest u
ycie dwóch wykresów.
W poprzednich przykładach, linia transmisyjna była bezstratna i cała moc dostarczona do anteny została
wypromieniowana. Poniewa
ka
da linia transmisyjna ma straty to spotkamy zupełnie inne warunki. Teraz poka
bardziej praktyczn
sytuacj
. Tym razem mamy jak
długo
kabla o oporno
ci 50
o stratach 3dB (50% mocy) i
anten
o oporno
ci 50
. Zatem w dalszym ci
gu SWR równy jest 1:1. Nasz nadajnik produkuje moc równ
, 1W, ale
tylko 0.5W zostaje dostarczone do anteny. Poniewa
SWR jest 1:1, to nie ma
adnych strat spowodowanych
niedopasowaniem. To bardzo prosta sytuacja i
adne wykresy s
tu niepotrzebne. Wszystko jest jasne.
Teraz, we
my anten
o oporno
ci 100
i z tym samym kablem. SWR jest równe 2:1 przy antenie, poniewa
100/50=2.0. Patrz
c na rysunek 1, widzimy,
e dodatkowe straty wynikaj
ce ze strat w kablu i z powodu
niedopasowania wynosz
0.35dB. W tym przypadku, całkowite straty wynios
3.35dB naszego sygnału a do anteny
zostanie dostarczone 0.46W. Przy SWR 1:1 dostarczone było 0.5W, teraz 0.46W – praktycznie
adna ró
nica.
Ale jak to b
dzie, je
li SWR b
dzie 3:1 z tym samym kablem? Znowu korzystaj
c z rysunki 1, widzimy,
e dodatkowe
straty wynios
0.9dB, a całkowite 3.9dB, i moc dostarczona do anteny wyniesie 0.41W. Dalej niewiele dodatkowych
strat przy SWR 3:1. W normalnych warunkach propagacyjnych strata o 0.9dB jest zupełnie niezauwa
alna.
Czy to ju
wszystko?
Przy długiej i bardzo stratnej linii transmisyjnej, nawet przy bardzo dobrym dopasowaniu, mo
e okaza
si
,
e do
anteny nie dochodzi
adna moc.
Wyobra
my sobie anten
na 2m, która zasilana jest kablem RG8X (odpowiednikiem jest RG213) o długo
ci 40m.
Producent okre
la,
e na 144MHz i na tej długo
ci starty wynios
4.5dB, co wydaje si
do zaakceptowania. Pomiary
SWR przy nadajniku wskazuj
2:1, co równie
jest do zaakceptowania, chocia
mogłoby by
lepiej. Co jest złe w tym
przypadku? Pami
tamy,
e fala odbita w
druje tam i z powrotem wzdłu
linii. Wcze
niej, powiedziane było,
e w
ko
cu i tak zostanie ona wypromieniowana, ale to było przy zało
eniu,
e linia jest bez strat. Teraz historia jest zupełnie
inna – mamy kabel ze startami. Ka
da fala odbita jest tłumiona o 4.5dB, lub o 9dB przy powrocie do anteny itd. Straty
w kablu spowoduj
,
e , fala odbita jest całkowicie stłumiona, a nie wypromieniowana. Ale có
w tym złego?
Popatrzmy na rysunek 2, z SWR’em przy nadajniku 2:1 i stratami w kablu 4.5dB, wykres pokazuje,
e SWR przy
antenie wynosi 20:1 !. To znacznie, znacznie wi
cej ni
przy nadajniku. Wracamy do rysunku 1 i widzimy,
e SWR
20:1 przy antenie dodaje dodatkowo 7dB start z powodu niedopasowania. Praktycznie, system antenowy, o którym
my
leli
my,
e ma tylko 4 dB strat, w rzeczywisto
ci ma 11dB strat. W konsekwencji mniej ni
1/10 mocy naszego
nadajnika zostanie wypromieniowana!.
Je
li ten sam kabel jest otwarty na ko
cu (antena nie jest podł
czona) i mierzy kilkaset metrów, to SWR mierzony przy
nadajniku poka
e SWR 1:1. Dlaczego? Poniewa
tworzy si
linia długa o charakterystycznej impedancji kabla, a starty
odbiciowe „zdychaj
” w odpowiednio długim kablu.
Wniosek z tego taki,
e pomiary SWR powinny by
robione przy antenie, szczególnie, je
li u
ywamy długiego kabla
koncentrycznego. Pomiar SWR’a przy nadajniku mo
e by
zawodny. A drugi wniosek to taki,
e dobrze jest zna
straty
w kablu, które podaje producent kabla, a które odnosz
si
do SWR’a 1:1 lub doskonałego dopasowania. Wszystko to,
co powoduje niedopasowanie, daje dodatkowe straty.
Na podstawie QST nov 06 K5DVW
SP8BAI Jacek
sp8bai@arrl.net
[ Pobierz całość w formacie PDF ]