SWR i anteny VHF. = ( 1 ) = ( 2 )

SWR i anteny VHF.
Współczynnik fali stojącej - WFS ( z j. angielskiego Standing Wave Ratio, SWR )
jest to stosunek wartości amplitudy maksymalnej do amplitudy minimalnej napięcia elektrycznego
fali stojącej w linii zasilającej antenę i określa stopień dopasowania do linii ją zasilającej. Zależy
od stosunku impedancji obciążenia do impedancji falowej linii.
WFS można wyliczyć ze wzoru:
=
(1)
||
gdzie:
Wz — energia padająca np. z nadajnika radiotelefonu VHF;
Wo — energia odbita od kabla antenowego lub anteny nadawczej VHF.
Nasz wzór można przedstawić jeszcze w innej postaci :
=
− + gdzie:
Z0 – impedancja falowa źródła sygnału np. kabla antenowego
ZL – impedancja falowa obciążenia – np. anteny
φ=|Γ|
=
(2)
Może przyjmować wartość od 1 do ∞. WFS = 1 wówczas, gdy cała moc
z nadajnika zostanie dostarczona do anteny i wypromieniowana.
Przy idealnym dopasowaniu impedancja anteny = impedancji linii.
WFS > 1 gdy antena lub kabel antenowy są niedopasowane i powstaje
fala odbita, która powraca do nadajnika.
W skrajnych przypadkach duży WFS może spowodować uszkodzenie nadajnika.
Do pomiaru WFS stosuje się pasywne urządzenia zwane reflektometrem .
W skrótowej formie cały tor antenowy można przedstawić następująco :
Radiotelefon VHF
Z0 = 50 om
Tor antenowy
-------------------------------------------------->
Z0 = 50 om
Antena VHF
Z0 = 50 om
Jest to przypadek idealny . Należy zauważyć , że impedancja falowa anteny nadawczej zależy od
częstotliwości . Konstruując antenę dla jej prawidłowego działania stroi się ją w procesie produkcji
na środkową częstotliwość pasma ,
w naszym przypadku jest to częstotliwość ok. 156,725 MHz , czyli blisko
kanału 16 przeznaczonego do łączności w niebezpieczeństwie.
Z tego faktu wynika nasz pierwszy wniosek :
W instalacjach antenowych należy używać tylko i wyłącznie anten
przeznaczonych na pasmo morskie VHF , inne anteny nie będą pracowały
prawidłowo i mogą doprowadzić do uszkodzenia nadajnika naszego radiotelefonu.
Przy antenach prętowych ( kawałek stalowego , sztywnego drutu ) skracanie pręta anteny też
prowadzi do przesunięcia częstotliwości anteny w górę , powodując dużą zmianę impedancji
falowej w naszym paśmie , co powoduje , że SWR rośnie i maleje moc wypromieniowana przez
antenę.
Stąd drugi wniosek :
Antenę z ułamanym prętem nie naprawiamy poprzez skrócenie tego pręta.
Taka naprawa jest tylko możliwa poprzez wymianę pręta anteny na pręt
o identycznej długości jak pręt oryginalny.
Impedancja falowa kabla antenowego w zależności od częstotliwości zmienia się w bardzo
wąskim zakresie.
Możemy przyjąć , że jest stała i wynosi 50 om.
Tutaj uwaga – nie wolno stosować kabla antenowego do anten telewizyjnych !!!
Te kable posiadają impedancję 75 om i do naszych celów są zupełnie nie przydatne.
Co do grubości kabli , to obowiązuje zasada – im kabel grubszy , tym ma mniejsze straty , czyli
więcej energii jest dostarczanej do anteny nadawczej.
Dla naszego przykładu z kablem telewizyjnym Zz = 50 om , Zo=75 om ze wzoru (2 ) otrzymujemy
wynik : WFS = 5 , czyli moc doprowadzona do anteny to 13,9 W
( zamiast 25 W przy dopasowaniu ) ,identycznie dla połączenia pomiędzy kablem antenowym a
anteną , dla SWR = 5 strata sygnału wynosi 44,4 % z tym , że nie dysponujemy już pełną mocą
nadajnika 25 W, tylko zredukowaną do wartości
13,9 W, co w sumie daje nam wynik energii wypromieniowane na poziomie 7,7 W.
Moc tracona w kablu to ( 25 W – 7,7 W ) 17,3 W – w sumie tak , jak byśmy mieli radiotelefon o
mocy wyjściowej 8 W zamiast 25 W ). Dodatkowo tak duża moc odbita w kablu ( 17 W ) w stronę
nadajnika może już go uszkodzić.
Teraz czas na trzeci wniosek :
Stosujemy wyłącznie kable antenowe o impedancji 50 om
( takie samej jak dla CB radia – są tańsze , bo nie obarczone przydomkiem „
dla jachtów „ ) i jak najgrubsze ( tzn. o jak największej średnicy zewnętrznej ).
Stosowanie kabli od anten telewizyjnych jest zabronione – może doprowadzić
do uszkodzenia radiotelefonu.
Tabela przeliczeniowa SWR na energię odbitą.
WFS
energia
energia
moc
moc
(SWR) wypromieniowana odbita wypromieniowana tracona
(%)
(%)
(W)
(W)
1,0
100,0
0,0
25,0
0,0
1,1
99,8
0,2
25,0
0,1
1,2
99,2
0,8
24,8
0,2
1,3
98,3
1,7
24,6
0,4
1,4
97,2
2,8
24,3
0,7
1,5
96,0
4,0
24,0
1,0
2,0
88,9
11,1
22,2
2,8
2,5
81,6
18,4
20,4
4,6
3,0
75,0
25,0
18,8
6,3
4,0
64,0
36,0
16,0
9,0
5,0
55,6
44,4
13,9
11,1
10,0
33,1
66,9
8,3
16,7
Zupełnie odrębną sprawą jest wysokość montażu anteny nad lustrem wody.
Często spotykanym modelem jest antena na relingu rufowym na wysokości
około 1 m nad wodą.
Zależność zasięgu łączności od wysokości zamontowania anten jest wyrażona wzorem :
[] = , ∗ (√ + √)
(3)
gdzie :
S – zasięg w NM
H1 – wysokość anteny 1 wyrażona w m
H2 – wysokość anteny 2 wyrażona w m
Jak widać zasięg nie zależy od mocy nadajnika , tylko od wysokości montażu anten.
To założenie jest słuszne dla otwartego morza – bez przeszkód terenowych.
Dla naszego przykładu z relingiem otrzymujemy zasięg : 4,5 NM
Jeśli jedna z anten zamontowana jest na maszcie o wysokości 8 m , to wysokość montażu H=9 m
otrzymujemy zasięg S = 9 NM , natomiast dla jachtów z antenami zamontowanymi na maszcie
zasięg łączności wyniesie S = 13,5 NM.
Co w sumie oznacza tak duże zwiększenie zasięgu w praktyce nie muszę chyba tłumaczyć
dokładnie ? Zyskujemy ponad 11 mil łączności więcej.
Sprawa wygląda jeszcze gorzej na akwenach zamkniętych , gdzie należy dodatkowo uwzględnić
tłumienności przeszkód terenowych , energię wypromieniowaną przez anteny ( zależną od strat w
kablu , SWR , zysku energetycznego anteny ).
Tutaj musimy stosować wzór ( 4 ) zawierający współczynnik skrótu Kk.
Dla tego przypadku , gdzie występują liczne drzewa i anteny poszczególnych jachtów nie znajdują
się w zasięgu wzroku nasz wzór wygląda następująco :
[] = , ∗ ∗ !√ + √"(# + #)
(4)
gdzie :
Kk – współczynnik korygujący [ 1/W ]
P1 – moc nadajnika 1 [ W ]
P2 – moc nadajnika 2 [ W ]
Tym zagadnieniem zajmę się w następnym artykule związanym z telefonami
GSM na jachcie.
Możemy więc zdefiniować nasz czwarty wniosek :
Anteny radiotelefonu musimy montować jak najwyżej –
po to abyśmy byli słyszani i abyśmy mogli słyszeć innych.
Po tym długim wywodzie dotarliśmy do ostatecznego rozpatrzenia końcowej kwestii łączności
jachtowej przy użyciu radiotelefonu VHF , czyli do bilansu energetycznego łącza radiowego.
W tym miejscu , niestety , muszę odwołać się do określeń bardziej naukowych i wkroczyć w
obszar decybeli – czyli skali logarytmicznej. W skrócie rzecz ujmując poziomy sygnałów radiowych
w dBm jest to moc sygnału P w odniesieniu do mocy
1 mW na oporności obciążenia 50 om i jest określona wzorem :
#[]
#$[$%&] = ∗ '() (
)
(5)
)
(6)
#[]
lub
*$[$%&] = ∗ '() (
*[+]
*[+]
gdzie :
Pd – Moc sygnału w dbm
P - Moc sygnału wyrażona w W
P0 – Moc 1 mW na obciążeniu 50 om
Ud – Napięcie sygnału wyrażone w dbm
U - napięcie na wyjściu nadajnika w V
U0 – napięcie 1 uV na obciążeniu 50 om
Dla przeciętnego radiotelefonu mamy moc maksymalną P = 25 W ( P= 42 dBm ), minimalny
poziom sygnału odbieranego ( tzw. czułość ) Umin = 0,35 uV ,
co odpowiada minimalnej mocy dostarczonej do odbiornika Pmin = - 116 dBm
( nie będę wyprowadzał zależności , że 0 dBuV = - 107 dBm , po prostu możemy
tak przyjąć ) .
Dla kabla cienkiego ( RG 58 ) dla częstotliwości 160 MHz możemy przyjąć tłumienność równą
13dB/100 m , natomiast dla kabla grubego RG 213 odpowiednio 8 dB/100m .
Dla instalacji anteny na maszcie o wysokości 8 m możemy więc przyjąć całkowitą długość kabla
12 m , co daje tłumienność równą 1,7 dB dla kabla cienkiego i 1 dB dla kabla grubego.
W obliczeniach należy uwzględnić tłumienności wtyczek antenowych ( przy radiotelefonie , antenie
i maszcie ) 3 x 0,7 dB = 2,1 dB oraz zysk energetyczny anteny od 0 dB do 3 dB ( w zależności od
długości anteny ).
Warto zaznaczyć , że wzrost mocy o 3 dB oznacza dwukrotne zwiększenie mocy.
Tłumienność wolnej przestrzeni określona jest wzorem :
,[$%] = -, .. + '() + '() /
(7)
Dla przestrzeni z drzewami i przy intensywnym opadzie deszczu :
,[$%] = 0 + '() + '() /
(8)
Co dla naszego przypadku wynosi 82 dB/1 NM , natomiast w terenie zadrzewionym wzrasta do
100 dB/NM , przy opadach deszczu w terenie zadrzewionym 120 dB/NM.
Wracając do naszego uproszczonego schematu :
Tor anten. 1
Wolna prz.
Tor anten. 2
Rtlf VHF --------------------> Antena 1 ----------------------> Antena 2 ----------------------> Rtlf VHV
P1=42 dBm S1=3,8 dB K1=0 dB
Kw
K2=0 dB S2=3,8 dB
Pmin= - 119 dBm
Kw = P1 – S1 + K1 – Pmin + K2 – S2 = 42 – 3,8 + 0 – ( - 116 ) + 0 – 3,8 = 150,4 dB
Kw = P1 – S1 + K1 – Pmin + K2 – S2 = 42 – 3,8 + 3 – ( - 116 ) + 3 – 3,8 = 156,4 dB
Z wzoru ( 7 ) otrzymujemy
[12] =
,3.
,4
=
3.
,4
=
3.
,4
i opadu deszczu,
a dla wolnej przestrzeni na otwartym morzu L =
56
= 34 NM
7893::
;9
5,<=>
dla drzew
= 2400 NM
Tak więc dla anteny krótkiej o zysku 0 dB w terenie zadrzewionym i podczas intensywnych
opadów deszczu otrzymujemy zasięg 34 NM a podczas pięknej pogody na otwartej przestrzeni
odpowiednio 2400 NM.
W tym miejscu nie możemy zapomnieć o wzorze ( 3 ) , ponieważ bilans energetyczny łącza
podaje odległość maksymalną 2400 NM , natomiast tą odległość ogranicza krzywizna kuli
ziemskiej .
Z tych matematycznych dywagacji można wysnuć już ostatni , piąty wniosek :
Długość anteny , rodzaj i długość kabla antenowego nie wpływają na zwiększenie
zasięgu łączności w terenie otwartym bez opadów atmosferycznych. , mają natomiast
istotne znaczenie w trudnych warunkach propagacyjnych , szczególnie przy
antenach montowanych bardzo wysoko w celu zwiększenia odległości ze względu na
krzywiznę ziemi.
Na tym zakończę ten artykuł. Osoby bardziej zainteresowane tematem odsyłam do strony
http://www.egmdss.com/gmdss-courses/mod/resource/index.php?id=37 .
Materiały źródłowe :
1. http://www.egmdss.com/gmdss-courses/mod/resource/view.php?id=2050
2. GMDSS dla łączności bliskiego zasięgu - J.Czajkowski, K.Korcz
3. Łączność na morzu - Andrzej Pochodaj