Ο Κόσμος του Ηλεκτρονικού - ΡΑΔΙΟΕΡΑΣΙΤΕΧΝΙΚΗ ΑΚΑΔΗΜΙΑ - ΜΑΘΗΜΑ 5/100 - ΣΤΑΣΙΜΑ ΚΥΜΑΤΑ - Ο ΑΟΡΑΤΟΣ ΚΟΣΜΟΣ ΜΕΣΑ ΣΤΟ ΟΜΟΑΞΟΝΙΚΟ ΚΑΛΩΔΙΟ

 

Πηγή

Γνωρίζετε ότι ένας πομπός 100 Watt μπορεί να δημιουργήσει τάση κορυφής 200 Volt μέσα σε ένα ομοαξονικό καλώδιο 50 Ω;
Αγαπητοί φίλοι και συνάδελφοι,
Οι περισσότεροι ραδιοερασιτέχνες, όταν πατάμε το PTT, έχουμε μάθει να ρίχνουμε μια ματιά στο όργανο των στασίμων.
Αν δούμε 1:1, χαμογελάμε.
Αν δούμε 1,5:1, συνήθως δεν ανησυχούμε.
Αν δούμε 3:1, αρχίζουμε να ψάχνουμε τι συμβαίνει στην εγκατάστασή μας.
Πόσοι όμως έχουμε αναρωτηθεί τι πραγματικά συμβαίνει εκείνη τη στιγμή μέσα στο ομοαξονικό καλώδιο;
Πού εμφανίζεται η μεγαλύτερη τάση;
Πού εμφανίζεται το μεγαλύτερο ρεύμα;
Πού καταλήγει η ανακλώμενη ισχύς;
Και γιατί μια εγκατάσταση με εξαιρετικά χαμηλά στάσιμα μπορεί να έχει πολύ κακή απόδοση;
Σήμερα θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε σε όλα αυτά με τη βοήθεια της φυσικής και των μαθηματικών.

1. Η ΣΥΝΑΝΤΗΣΗ ΔΥΟ ΚΥΜΑΤΩΝΌταν ένας πομπός τροφοδοτεί μια γραμμή μεταφοράς, δημιουργείται ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που κατευθύνεται προς το φορτίο.
Αυτό ονομάζεται Incident Wave (προσπίπτον κύμα).
Όταν η σύνθετη αντίσταση του φορτίου δεν είναι ίση με τη χαρακτηριστική αντίσταση της γραμμής, ένα μέρος του κύματος ανακλάται.
Αυτό ονομάζεται Reflected Wave (ανακλώμενο κύμα).
Τα δύο κύματα διαδίδονται σε αντίθετες κατευθύνσεις και συνυπάρχουν μέσα στη γραμμή μεταφοράς.
Η υπέρθεσή τους δημιουργεί μια χωρική κατανομή μεγίστων και ελαχίστων τάσης και ρεύματος.
Αυτό είναι το φαινόμενο των Standing Waves (στάσιμων κυμάτων).
Οι θέσεις των μεγίστων και των ελαχίστων παραμένουν σταθερές για δεδομένη συχνότητα και σταθερό φορτίο.
2. ΓΙΑΤΙ ΟΝΟΜΑΖΟΝΤΑΙ ΣΤΑΣΙΜΑ;
Φανταστείτε δύο κύματα στην επιφάνεια μιας λίμνης, τα οποία κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις.
Σε ορισμένα σημεία συμβάλλουν ενισχυτικά και σε άλλα εξασθενητικά.
Αντίστοιχα, μέσα στη γραμμή μεταφοράς δημιουργούνται περιοχές όπου το πλάτος της τάσης είναι μεγαλύτερο και άλλες όπου είναι μικρότερο.
Η απόσταση μεταξύ δύο διαδοχικών μεγίστων τάσης, σε μια ιδανική γραμμή χωρίς απώλειες, είναι:
d = λg/2
Η απόσταση μεταξύ ενός μεγίστου και του πλησιέστερου ελαχίστου είναι:
d = λg/4
Όπου λg είναι το μήκος κύματος μέσα στη γραμμή μεταφοράς.
Προσοχή όμως: η ύπαρξη στάσιμων κυμάτων δεν σημαίνει απαραίτητα ότι σταματά η καθαρή μεταφορά ενέργειας προς το φορτίο.
3. ΤΙ ΜΕΤΡΑΕΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ ΤΟ SWR;
Το VSWR (Voltage Standing Wave Ratio – λόγος στάσιμων κυμάτων τάσης), που συνήθως αποκαλούμε SWR, ορίζεται ως:
SWR = Vmax / Vmin
Όπου:
Vmax = μέγιστο πλάτος τάσης.
Vmin = ελάχιστο πλάτος τάσης.
Συνδέεται επίσης με το μέτρο του συντελεστή ανάκλασης μέσω της σχέσης:
SWR = (1 + |Γ|) / (1 − |Γ|)
Αντίστροφα:
|Γ| = (SWR − 1) / (SWR + 1)
Το ποσοστό της προσπίπτουσας ισχύος που ανακλάται στο συγκεκριμένο επίπεδο αναφοράς είναι:
Pr / Pf = |Γ|²
Εδώ χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή. Ο συντελεστής ανάκλασης τάσης δεν είναι ίδιος με τον λόγο ανακλώμενης προς προσπίπτουσα ισχύ.
4. ΠΟΣΗ ΙΣΧΥΣ ΑΝΑΚΛΑΤΑΙ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ;
Ας δούμε έναν πίνακα που αξίζει να υπάρχει σε κάθε ραδιοερασιτεχνικό εργαστήριο.
SWR
Ανακλώμενη ισχύς
Ανά 100 W προσπίπτουσας ισχύος
1:1
0%
0 W
1,2:1
0,83%
0,83 W
1,5:1
4%
4 W
2:1
11,11%
11,11 W
3:1
25%
25 W
4:1
36%
36 W
5:1
44,44%
44,44 W
10:1
66,94%
66,94 W
∞:1
100%
100 W
Οι τιμές ισχύουν όταν η προσπίπτουσα και η ανακλώμενη ισχύς αναφέρονται στο ίδιο επίπεδο μέτρησης, σε γραμμή με πραγματική χαρακτηριστική αντίσταση.
Παρατηρήστε ότι SWR 2:1 δεν σημαίνει ότι ανακλάται το 50% της ισχύος, όπως λανθασμένα πιστεύουν ορισμένοι.
5. ΠΩΣ ΜΠΟΡΟΥΝ ΤΑ 100 WATT ΝΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΣΟΥΝ 200 VOLT;
Ας θεωρήσουμε μια ιδανική γραμμή μεταφοράς 50 Ω.
Η προσπίπτουσα ισχύς είναι 100 Watt και το σήμα είναι συνεχές ημιτονοειδές.
Η ενεργός τάση του προσπίπτοντος κύματος είναι:
V⁺ = √(P × Z₀)
V⁺ = √(100 × 50)
V⁺ ≈ 70,71 V RMS
Η αντίστοιχη τάση κορυφής είναι:
Vpeak⁺ = 100 V
Αν τώρα έχουμε SWR 3:1, τότε:
|Γ| = (3 − 1)/(3 + 1) = 0,5
Το ανακλώμενο κύμα έχει πλάτος τάσης ίσο με το 50% του προσπίπτοντος.
Στο σημείο όπου τα δύο κύματα τάσης συμβάλλουν ενισχυτικά έχουμε:
Vmax = 70,71 × (1 + 0,5)
Vmax ≈ 106,07 V RMS
Η αντίστοιχη τάση κορυφής είναι:
Vmax peak = 150 V
Αν τώρα έχουμε πλήρη ανάκλαση, όπως σε ένα ιδανικό ανοικτό κύκλωμα, η μέγιστη τάση κορυφής μπορεί να φτάσει:
Vmax peak = 200 V
Δηλαδή 400 Volt από κορυφή σε κορυφή!
Οι παραπάνω υπολογισμοί προϋποθέτουν ότι η προσπίπτουσα ισχύς διατηρείται στα 100 Watt. Στην πραγματικότητα, ένας σύγχρονος πομποδέκτης μπορεί να μειώσει την ισχύ του όταν ανιχνεύσει υψηλή ανάκλαση.
6. ΠΟΥ ΕΜΦΑΝΙΖΟΝΤΑΙ ΤΑ ΜΕΓΙΣΤΑ ΡΕΥΜΑΤΟΣ;
Σε μια ιδανική γραμμή μεταφοράς χωρίς απώλειες, τα μέγιστα τάσης συμπίπτουν χωρικά με τα ελάχιστα ρεύματος.
Αντίστοιχα, τα μέγιστα ρεύματος συμπίπτουν με τα ελάχιστα τάσης.
Αυτό έχει σημαντικές πρακτικές συνέπειες.
Στα σημεία υψηλής τάσης αυξάνεται ο κίνδυνος ηλεκτρικής διάσπασης του διηλεκτρικού ή δημιουργίας ηλεκτρικού τόξου.
Στα σημεία υψηλού ρεύματος αυξάνονται τοπικά οι ωμικές απώλειες και μπορεί να εμφανιστεί υπερθέρμανση, ιδιαίτερα σε προβληματικές συνδέσεις.
Όσο μεγαλώνει η ισχύς εκπομπής, τόσο σημαντικότερες γίνονται αυτές οι παράμετροι.
7. ΠΟΥ ΚΑΤΑΛΗΓΕΙ Η ΑΝΑΚΛΩΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ;
Εδώ συναντάμε έναν από τους μεγαλύτερους μύθους των ραδιοεπικοινωνιών.
Πολλοί πιστεύουν ότι όλη η ανακλώμενη ισχύς επιστρέφει στα τρανζίστορ του τελικού ενισχυτή και μετατρέπεται υποχρεωτικά σε θερμότητα.
Η πραγματικότητα είναι πιο σύνθετη.
Ανάλογα με την αρχιτεκτονική του συστήματος, η ανακλώμενη ενέργεια μπορεί:
Να απορροφηθεί εν μέρει από την πηγή ή από κατάλληλο κύκλωμα.
Να υποστεί απώλειες στη γραμμή μεταφοράς.
Να ανακλαστεί εκ νέου προς το φορτίο.
Να οδηγηθεί σε ειδικό φορτίο απορρόφησης μέσω ενός Circulator (κυκλοφορητή RF).
Η συμπεριφορά εξαρτάται από τις σύνθετες αντιστάσεις, τα κυκλώματα προσαρμογής και την αρχιτεκτονική του πομπού.
Υψηλό SWR μπορεί πράγματι να προκαλέσει βλάβη στον τελικό ενισχυτή, αλλά όχι με τον ίδιο μηχανισμό σε κάθε συσκευή.
8. ΤΟ ANTENNA TUNER ΕΞΑΦΑΝΙΖΕΙ ΤΑ ΣΤΑΣΙΜΑ;
Το Antenna Tuner (προσαρμοστής κεραίας) είναι ένα δίκτυο προσαρμογής σύνθετης αντίστασης.
Όταν είναι εγκατεστημένο δίπλα στον πομπό, μπορεί να παρουσιάσει στην έξοδο του πομπού μια κατάλληλη σύνθετη αντίσταση, συνήθως κοντά στα 50 Ω.
Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι εξαφανίζονται τα στάσιμα κύματα στο ομοαξονικό καλώδιο που βρίσκεται μετά τον προσαρμοστή.
Εκεί μπορεί να εξακολουθεί να υπάρχει υψηλό SWR.
Γι' αυτό, σε ορισμένες εγκαταστάσεις, η τοποθέτηση κατάλληλου προσαρμοστή κοντά στο σημείο τροφοδοσίας της κεραίας μπορεί να μειώσει τις πρόσθετες απώλειες στη γραμμή.
Άλλο η προσαρμογή του πομπού και άλλο η προσαρμογή της γραμμής στην κεραία.
9. ΓΙΑΤΙ ΟΙ ΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΠΟΜΠΟΔΕΚΤΕΣ ΜΕΙΩΝΟΥΝ ΤΗΝ ΙΣΧΥ;
Πολλοί σύγχρονοι πομποδέκτες διαθέτουν κύκλωμα προστασίας γνωστό ως Foldback (αυτόματη μείωση ισχύος).
Όταν ανιχνευθούν συνθήκες που μπορεί να καταπονήσουν τον τελικό ενισχυτή, το κύκλωμα ελέγχου μειώνει την ισχύ εκπομπής.
Έτσι, ένας πομποδέκτης ονομαστικής ισχύος 100 Watt μπορεί υπό συγκεκριμένες συνθήκες να αποδίδει πολύ λιγότερα Watt.
Αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι υπάρχει βλάβη στον πομποδέκτη.
Μπορεί απλώς να λειτουργεί το σύστημα προστασίας του.
10. ΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑ
Όσοι διαθέτετε VNA (διανυσματικό αναλυτή δικτύων), μπορείτε να εξετάσετε τη συμπεριφορά τριών διαφορετικών τερματισμών:
Φορτίο 50 Ω.
Ανοικτό κύκλωμα.
Βραχυκύκλωμα.
Χρησιμοποιήστε το ίδιο ομοαξονικό καλώδιο, με βαθμονόμηση του οργάνου στην είσοδο της γραμμής.
Παρατηρήστε τη μεταβολή του S11, του SWR και της φάσης του συντελεστή ανάκλασης καθώς αλλάζετε συχνότητα.
Συγκρίνετε τα αποτελέσματα στο διάγραμμα Smith.
Θα δείτε ότι ακόμη και ένα καλώδιο χωρίς κεραία μπορεί να παρουσιάζει εξαιρετικά ενδιαφέρουσα ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά.
Οι δοκιμές πραγματοποιούνται αποκλειστικά με τη χαμηλή ισχύ μέτρησης του VNA και με τον πομπό πλήρως αποσυνδεδεμένο.

 
11. Η ΣΗΜΕΡΙΝΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΡΟΚΛΗΣΗ
Έχουμε δύο ραδιοερασιτεχνικούς σταθμούς.
Και στους δύο η προσπίπτουσα ισχύς, στην είσοδο της γραμμής, είναι 100 Watt.
Ο πρώτος παρουσιάζει SWR 1:1.
Ο δεύτερος παρουσιάζει SWR 3:1.
Ο πρώτος χρησιμοποιεί καλώδιο μήκους 40 μέτρων, με σημαντικές απώλειες.
Ο δεύτερος χρησιμοποιεί καλώδιο μήκους 5 μέτρων, με πολύ μικρές απώλειες.
Και τώρα η ερώτηση:
Ποιος από τους δύο μπορεί να ακτινοβολεί περισσότερη ισχύ;
Μπορούμε να απαντήσουμε γνωρίζοντας μόνο το SWR;
Περιμένω τις απαντήσεις σας και κυρίως την τεχνική αιτιολόγηση.
ΚΛΕΙΝΟΝΤΑΣ ΤΟ ΠΕΜΠΤΟ ΜΑΣ ΜΑΘΗΜΑ
Ένα όργανο μέτρησης στασίμων μάς δίνει έναν αριθμό.
Η επιστήμη των ηλεκτρονικών μάς εξηγεί τι κρύβεται πίσω από αυτόν τον αριθμό.
Και εκεί βρίσκεται η διαφορά ανάμεσα στο να χρησιμοποιούμε απλώς ένα μηχάνημα και στο να κατανοούμε πραγματικά τη λειτουργία του.
Δεν κυνηγάμε απλώς το 1:1.
Κυνηγάμε τη μεγαλύτερη δυνατή απόδοση ολόκληρου του συστήματος εκπομπής.
Γιατί τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα υπακούουν στους νόμους της φυσικής, όχι στις ενδείξεις που θα θέλαμε να βλέπουμε στα όργανά μας.
Στο επόμενο μάθημα θα αποκαλύψουμε πώς μετριέται η πραγματική απόδοση μιας κεραίας και ποια είναι η διαφορά μεταξύ Gain (κέρδους), Directivity (κατευθυντικότητας), Efficiency (απόδοσης) και ERP/EIRP (ενεργού ακτινοβολούμενης ισχύος).
Ο Κόσμος του Ηλεκτρονικού
Ραδιοερασιτεχνική Ακαδημία — Μάθημα 5/100
Σημείωση ασφαλείας: Η ανάρτηση έχει εκπαιδευτικό χαρακτήρα. Οι υψηλές τάσεις RF μπορούν να προκαλέσουν εγκαύματα, ηλεκτρική διάσπαση και καταστροφή εξοπλισμού. Δεν αγγίζουμε αγωγούς, συνδέσμους ή κεραίες κατά την εκπομπή και δεν πραγματοποιούμε δοκιμές πλήρους ανάκλασης με ενεργό πομπό.