Reflektometr [email protected]

+
R eflektometr
HF (WFS)
Do czego to służy?
Reflektometr jest miernikiem fali stojącej
(WFS) i należy do podstawowych przyrządów do pomiaru (badania) anten.
Współczynnik fali stojącej WFS (SWRang.) jest określeniem stopnia dopasowania
anteny do linii zasilającej (nadajnika).
Warto na wstępie przypomnieć, że w radiokomunikacji bardzo ważną rzeczą jest
dopasowanie wyjścia nadajnika do linii zasilającej antenę oraz dopasowanie samej linii
do anteny.
Impedancja wejściowa anteny ma duże
znaczenie przy dopasowaniu anteny do linii
zasilającej oraz nadajnika. W radiokomunikacji profesjonalnej oraz amatorskiej najczęściej używane są urządzenia radiowe z wyjściem 50-omowym.
Jak wiadomo, maksimum mocy wytworzonej przez stopień końcowy nadajnika będzie wypromieniowane, gdy linia antenowa
jest zamknięta impedancją znamionową linii
(najczęściej 50Ω). Z tego też powodu kabel
koncentryczny 50Ω powinien zasilać antenę
o impedancji 50Ω. W tym przypadku współczynnik fali stojącej w linii WFS definiowany
jako: Zant/Zlinii lub Zlinii/Zant, jest równy 1
(w praktyce może on przyjmować wartości
od 1 do nieskończoności). Gdy WFS =1,
wówczas cała moc dostarczona do anteny, zostaje wypromieniowana w przestrzeń. Kiedy
WFS > 1, ze względu na niedopasowanie (różna impedancja anteny) powstaje tzw. fala odbita, która powraca do nadajnika. Jest ona przyczyną zakłóceń, a w skrajnych przypadkach,
przy dużych jej wartościach, może spowodować zniszczenie stopnia mocy nadajnika.
Brak właściwego dopasowania powoduje
spadek wypromieniowanej mocy, wzrost poziomu częstotliwości niepożądanych mogących powodować zakłócenia w odbiorze radiowym i telewizyjnym, a może nawet być
przyczyną uszkodzenia tranzystorów w stopniu końcowym nadajnika. W najgorszym
przypadku, jeżeli linia będzie na końcu
otwarta lub zwarta, WFS będzie równy nieskończoności.
48
Radioamatorzy bardzo często przeceniają
wartość współczynnika fali stojącej, uważając, że tylko antena, posiadająca WFS = 1,
pracuje zadowalająco. Większości firm produkujących sprzęt radionadawczy i wielopasmowe anteny uznaje WFS do 3 za zadowalający. Warto jednak pamiętać, że wartość 3
jest jednak zbyt duża (20% mocy odbitej),
chociażby ze względu na TVI (zakłócenia).
Jednak WFS = 1,5 a nawet 2 jest dopuszczalny w warunkach amatorskich i wynosi odpowiednio 4 i 10% mocy odbitej.
Z drugiej strony trzeba pamiętać, że nawet
przy idealnie zestrojonej antenie WFS = 1 tylko dla częstotliwości rezonansowej. Odstrajając nadajnik (radiostację) od częstotliwości
rezonansowej, powodujemy, że WFS rośnie,
ze względu na „pagórkowatą” charakterystykę promieniowania anteny w funkcji częstotliwości.
Dzięki reflektometrom dopasowanie anten sprowadza się do uzyskania minimum fali odbitej (czyli do WFS=1). W praktyce antenowej przyjmuje się, że dobrze wykonana
i dopasowana do kabla antena to taka, gdzie
WFS w całym paśmie nie przekracza 1,5.
Przy WFS 1,5 uzyskamy 3% strat mocy, przy
WFS=2 - 11%, przy WFS=3 - 25%, a przy
WFS=5 -48%.
Warto zatem zaopatrzyć się choćby w prosty reflektometr, aby wiedzieć, jaką mamy
sprawność anteny czy linii zasilającej.
2684
szą częścią składową urządzenia jest transformator w.cz. (TR). Tworzy on odcinek linii przesyłowej łączącej gniazda G1 i G2
oraz linia pomiarowa, w których indukuje
się napięcie (w jednej części uzwojenia proporcjonalne do prądu płynącego do anteny;
w drugiej proporcjonalne do prądu odbitego
od anteny).
Linię główną tworzy odcinek przewodu
koncentrycznego łączący gniazda G1 i G2
(nadajnik z anteną). Pośrodku tego przewodu
znajduje się transformator w.cz. Przewód
koncentryczny przechodzący przez otwór toroidu tworzy uzwojenie pierwotne (L1), zaś
cewka L2 z odczepem pośrodku - uzwojenie
wtórne.
Prąd w.cz. przepływający do anteny (fala
padająca) i powracający (fala odbita) w TR
indukuje w uzwojeniu wtórnym napięcie,
które następnie podlega detekcji za pomocą
diod D1 i D2 oraz filtrowaniu dzięki kondensatorom C1 i C2. Wychylenie wskazówki
miernika dołączonego do katod wymienionych diod za pośrednictwem przełącznika
REF/FWD jest proporcjonalne do zaindukowanego napięcia fali padającej/odbitej.
Reflektometr mierzy w kierunku do anteny napięcie fali padającej, natomiast w kierunku odwrotnym napięcie fali odbitej.
Rys. 1 Schemat ideowy
Jak to działa?
W praktyce pomiar współczynnika WFS
przeprowadza się za pomocą specjalnych
mostków zrównoważonych włączanych w linię zasilającą, zwanych reflektometrami.
W literaturze można spotkać wiele schematów reflektometrów HF (na fale krótkie).
Reflektometry na UKF działają na identycznej zasadzie, jednak różnią się sposobem
wykonania układu pomiarowego (mniejsze
wymiary linii pomiarowej, która najczęściej
jest wytrawiona na laminacie).
Schemat ideowy reflektometru HF
przedstawiono na rysunku 1. Najważniej-
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
Fala padająca i fala odbita są falami bieżącymi, tzn. napięcie i prąd są w fazie.
Jeśli już jesteśmy przy temacie dopasowania, to warto odpowiedzieć na pytanie, jak
obniżyć współczynnik WFS.
Otóż różnego rodzaju „skrzynki antenowe” instalowane przy nadajniku pozwalają
na dopasowanie oporności wyjściowej nadajnika do oporności wejściowej kabla w celu
przekazania maksymalnej mocy z nadajnika
do linii zasilającej. Jak pamiętamy z podstaw
elektrotechniki, przy obciążeniu generatora
o oporności Zg=Rg+jXg opornością sprzężoną Z=R-jX nastąpi maksymalne przekazanie
mocy z generatora do obciążenia.
Wskazania miernika WFS możemy interpretować w sposób następujący: jeżeli WFS
wynosi np. 3, co określamy na podstawie wychylenia wskaźników reflektometru w kierunku do anteny 100%, w kierunku odwrotnym 50%, to moc „tracona” wynosi 25%.
WFS = 3 pomierzone przy nadajniku oznacza, że wykorzystujemy tylko 75% mocy maksymalnej nadajnika. Natomiast takie samo
SWR przy antenie oznacza, że nie przekazujemy mocy maksymalnej z linii do anteny.
Podobnie jak większość reflektometrów
fabrycznych również i ten miernik można
wyskalować w jednostkach mocy. Założenie
jest takie, że pomiar napięcia wykonywany
jest przy bardzo słabym sprzężeniu linii pomiarowej z linią główną, a diody detekcyjne
pracują na początku charakterystyki (odcinek
Rys. 2 Schemat montażowy
Rys. 3 Schemat reflektometru
HF/QRP ze wzmacniaczem
kwadratowy), przez co uzyskuje się wychylenie wskaźników w funkcji kwadratu napięcia.
Posługując się dobrze wykonanym reflektometrem wyskalowanym w jednostkach
mocy, można określić moc dostarczaną
z nadajnika do linii z zależności Pwyj = Pp Po, jeżeli miernik jest zainstalowany przy
nadajniku, natomiast moc przekazaną do anteny Pant = Pp - Po, jeżeli miernik jest zainstalowany przy antenie.
Montaż i uruchomienie
Linię główną należy wykonać z przewodu
koncentrycznego o impedancji 50Ω i długości około 100mm przylutowanego bezpośrednio do gniazd G1 i G2. Na środku tego przewodu należy przełożyć transformator w.cz.
w postaci ferrytowego rdzenia toroidalnego
o wymiarach 12x6x4,4mm z materiału F-81.
Przewód koncentryczny przechodzący przez
otwór toroidu tworzy uzwojenie pierwotne
(L1), zaś cewka L2 z odczepem po środku uzwojenie wtórne.
W układzie należy zastosować dwie identyczne diody prostownicze w.cz. najlepiej typu
DG507A. Aby zachować odpowiednią sztywność konstrukcji mechanicznej i symetrię,
uzwojenie wtórne 2x 6 zwojów należy nawinąć bifilarnie drutem 0,3mm w izolacji igelitowej (np. krosówką telefoniczną), a następnie
skleić razem z przewodem koncentrycznym za
pośrednictwem wodoodpornego kleju.
Rezystory oraz diody powinny mieć
skrócone doprowadzenia do niezbędnych
długości. Taka konstrukcja reflektometru
przy odpowiednim zestrojeniu charakteryzuje się impedancją zbliżoną do 50Ω i maksymalną częstotliwością pracy ponad 50MHz.
Choć układ modelowy był zmontowany
z wykorzystaniem kawałka płytki uniwersalnej, to można także skorzystać z rysunku 2 który pokazuje montaż na płytce uzyskanej przez wyskrobanie warstwy miedzi.
Układ po zestrojeniu powinien być zamontowany w obudowie metalowej lub wewnątrz transceivera. W każdym razie na
przedniej ściance należy umieścić mikroam-
peromierz (przeskalowany wskaźnik wychylenia od starego magnetofonu), przełącznik
Padająca/Odbita, potencjometr regulacji wychylenia.
Podczas sprawdzania można wykorzystać
następującą procedurę:
- gniazdo G1 reflektometru łączymy za pomocą krótkiego odcinka przewodu koncentrycznego 50Ω z gniazdem transceivera HF
lub radiotelefonu CB
- do gniazda G2 podłączamy rezystor
50Ω/2W z jak najkrótszymi końcówkami
- załączamy transceiver (radiotelefon) na
nadawanie
- po ustawieniu przełącznika w pozycji „Padająca” korygujemy wychylenie wskazówki
miernika na koniec skali
Po przełączeniu w pozycję „Odbita”
wskazówka powinna znajdować się na początku skali wskazując WFS=1. Następnie
wyłączamy nadawanie i zamieniamy miejscami gniazda dołączenia reflektometru (nie
zmieniając położenia potencjometru i przełącznika). Wskaźnik powinien również
wskazać koniec skali. Inne wskazania świadczą o niesymetrii układu i należy wówczas
skorygować ustawienie wskazówki poprzez
lekkie rozsunięcie lub ściśnięcie zwojów L2.
Chcąc wyskalować następne pozycje WFS,
musimy odłączyć rezystor 50Ω, a w jego
miejsce podłączyć kolejno: 75Ω (WFS=1,5),
100Ω (WFS=2), 150Ω (WFS=3), 250Ω
(WFS=5). Pamiętać należy, aby wszelkie
próby wykonywać przy jak najkrótszym czasie załączenia nadajnika.
Po takim wyskalowaniu nasz reflektometr
nadaje się do właściwych pomiarów i strojenia anteny.
W czasie montażu anteny najlepszym
miejscem pomiaru WFS jest podłączenie
miernika pomiędzy anteną a kablem zasilającym i dążenie do uzyskania dopasowania
oporności anteny do oporności falowej kabla
zasilającego (uzyskanie najmniejszej wartości WFS). Ewentualna kontrola WFS przy
nadajniku pozwala tylko na określenie, czy
instalacja antenowa nie uległa uszkodzeniu.
Ciąg dalszy na stronie 55.
Wykaz elementów
R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200Ω
R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10kΩ/A -potencjometr
C1, C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47nF
D1, D2 . . . . . . . . . . . . .DG507A (AAP153,1N34...)
TR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .wg opisu
M . . . . . . . . . . . . . . . . .300µA mikroamperomierz
P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .przełącznik hebelkowy
G1, G2 . . . . . . . . . . . . . . . . .UC1 lub gniazda BNC
Płytka drukowana jest dostępna
w sieci handlowej AVT
jako kit szkolny AVT-22684
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
49