Stovinčios bangos koeficientas

Kas yra stovinčios bangos koeficientas ir ką jis parodo?

Stovinčios bangos koeficientas (SBK) parodo aukšto dažnio (AD) galios perdavimo linijos (fiderio) suderinimą su jo apkrova, jo darbo režimą. Ir tik tiek. Jis tiesiogiai neparodo nei galios perdavimo nuostolių, nei apkrovos (antenos) varžos, nei antenos efektyvumo, nei siųstuvo išėjimo varžos suderinimo su fiderio įėjimo varža, nei kitų dažnai radijo mėgėjų jam priskiriamų parametrų. Linijoje be nuostolių jis nepriklauso nuo linijos ilgio. Realiame fideryje jam ilgėjant SBK mažėja dėl pastarojo nuostolių. Kad daugiau išsiaiškinti antenos - fiderio komplekso darbą, atskirai panagrinėsime jo komponentus - fiderį bei jo apkrovą. AD galios perdavimo linija (fideris)

Pagrindiniai fiderio tipai yra ašinis (koaksialinis) kabelis ir dvilaidė linija. Mėgėjai dažniausia naudoja ašinį kabelį. Ašinis kabelis sudarytas iš vidinio laidininko ir apvalaus jį gaubiančio ekrano. Tarpas tarp jų dažniausia būna užpildytas AD dielektriku, kuris skirtas mechaniniui vidinės gyslos fiksavimui ekrano atžvilgiu. Iš išorės kabelis dažniausia būna padengtas plastikiniu sluoksniu. Šis sluoksnis apsaugo kabelį nuo mechaninių pažeidimų bei drėgmės. Kabelio banginė varža priklauso nuo vidinio laidininko diametro, jo atstumo iki ekrano bei dielektrinio užpildo tarp jų dielektrinės skverbties. Dvilaidės linijos banginė varža priklauso nuo laidininkų diametrų, atstumo tarp jų bei dielektiko, esančio tarp jų, dielektrinės skverbties. Bet kokio fiderio banginę varžą galima apskaičiuoti šios formulės pagalba:

Tam paimame fiderio (kabelio) poros metrų ilgio gabalą ir LC matuokliu išmatuojame talpą tarp abiejų fiderio laidininkų. Po to jo galą užtrumpiname ir išmatuojame induktyvumą.

Dvilaidės linijos banginę varžą galima paskaičiuoti žinant jos laidininkų diametrą bei atstumą tarp jų: kur d - laidininkų diametras, D - atstumas tarp jų, e - dielektriko, esančio tarp jų, dielektrinė skverbtis (oro e =1, polietileno e =2,3).

Ašinio kabelio banginę varžą galima rasti iš formulės: , čia d - vidinio laidininko diametras, D - vidinis ekrano diametras. Šios formulės gali būti naudingos apskaičiuoti nežinomos banginės varžos kabelį.

Bangos greitis priklauso nuo aplinkos, kurioje ji sklinda, dielektrinės skverbties. Kadangi tarpas tarp laidininkų fideryje dažnai būna užpildytas dielektriku, banga fideryje sklinda lėčiau nei ore. Skaičiuojant fiderio ilgį bangos ilgiais įvedamas sutrumpinimo koeficientas o fizinis fiderio ilgis paskaičiuojamas iš L = Vl kur L - fiderio fizinis (realus) ilgis, l - fiderio elektrinis ilgis. Plačiai naudojamų ašinių kabelių su polietileno izoliacija V = 0,66.

Pvz. 3,6 MHz ketvirčio bangos ilgio ašinio kabelio su polietilenine izoliacija fizinis ilgis bus .

Nuostoliai

Perduodant fideriu AD galią jame atsiranda nuostoliai, t.y. ne visa galia pasiekia apkrovą. Šie nuostoliai priklauso nuo kabelio vidinio laidininko diametro, vidinio dielektriko nuostolių bei SBK. Nuostoliai didėja didėjant dažniui. Tai yra paviršinio (skin) efekto bei dielektrinių nuostolių paseka. Kaip žinia, AD srovė teka tik plonu laidininko išoriniu sluoksniu ir tas sluoksnis plonėja didėjant dažniui. AD srovė teka tiek vidiniu laidininku, tiek vidiniu ekrano sluoksniu. Esant normaliam kokybiško kabelio darbo režimui, srovė išoriniu ekrano sluoksniu neteka. Aukštos kokybės kabeliuose ekranas būna vamzdelis, o vidinis laidininkas viengyslis. Tačiau tokį kabelį sunku sulenkti, todėl plačiai naudojamuose kabeliuose naudojamas pintas ekranas ir daugiagyslis vidinis laidininkas. Kad kabelis gerai atliktų savo funkcijas, ekranas turi būti tankus, neapsioksidavęs. Retas, apsioksidavęs ekranas smarkiai padidina kabelio nuostolius ir padidina jo spinduliavimą. Kabelį jungiant prie antenos būtina ekraną kruopščiai hermetizuoti, pvz. klijais.

1 pav. Kabelių slopinimas 100 pėdų ilgiui

Fiderio slopinimas žinynuose duodamas decibelais į ilgio vienetą konkrečiame dažnyje. Skirtingų fiderių nuostolių priklausomybė nuo dažnio skiriasi, todėl bendros formulės jiems paskaičiuoti nėra. Dažniausia jie duodami grafiko pavidalu. Grafike (1 pav.), paimtu iš "ARRL antennabook", slopinimas duotas 100 pėdų (30,48 m.) kabelio ilgiui. Pvz., RG213 kabelio 30 MHz dažnyje slopinimas yra apie 1,3dB/100pėdų. Jei kabelio ilgis 20 metrų, jo slopinimas bus (1,3/30,48)x20=0,85dB. Jei TX galia 100W, tai galia, pasiekianti apkrovą bus . Didžioji dalis tos 18W kabelyje dingusios galios virs šiluma.

Apkrova ir SBK

Fideris yra skirtas perduoti AD energiją į apkrovą. Dabar pažiūrėsime, kokios gali būti apkrovos. Antenos rezonanso atveju jos įėjimo varža yra grynai aktyvinė. Šiuo atveju SBK skaičiuojamas labai paprastai SBK = Ra / Zk, arba SBK = Zk / Ra , priklausomai ar apkrovos varža yra didesnė už fiderio banginę varžą Zk, ar mažesnė (SBK ³ 1). Tačiau dažniausia taip nebūna. Reikalas tame, kad antena (išskyrus aperiodines antenas) rezonuoja tik viename dažnyje. Keičiant dažnį antenos įėjimo varža tampa kompleksinė. Apkrova vadinama kompleksine, kai nuosekliai aktyviai apkrovos varžai prijungiama dar ir reaktyvinė varža (talpa ar induktyvumas). Ji užrašoma Z=R+jX, kur R - aktyvinė, o X - reaktyvinė apkrovos dedamosios. Talpos ir induktyvumo reaktyvinės varžos (reaktansai) paskaičiuojamos kur f - dažnis, C - talpa, L - induktyvumas.

Esant kompleksinei apkrovai SBK skaičiuoti W2DU siūlo sekančias formules:

Pvz. 50 omų fideris apkrautas 40+j30 omų apkrova. SBK bus:

Reaktyvinė dedamoji, kaip matote, turi didelę įtaką SBK. Ją išmatuoti ne taip ir paprasta, kaip, beje, ir antenos įėjimo impedansą (varžą). Geriausias (2005 m.) man žinomas tam skirtas prietaisas yra amerikiečių firmos "Autek Research" gaminamas VA1.

Antenos įėjimo impedanso reaktyvinė dedamoji keičiant dažnį keičiasi žymiai greičiau negu aktyvinė dedamoji.

Keli pavyzdžiai:

1. 80m. diapazono dipolį, esantį laisvoje erdvėje ir turintį rezonansą apie 3,6 MHz, maitiname 75 W kabeliu. Rezonanso dažnyje impedansas yra lygus apie 72 W (SBK = 1,07. Tuo tarpu dažnyje 3,5 MHz impedansas Z = 65-j40 omų (SBK = 1,79), o 3,8 MHz Z = 84+j72 omų (SBK = 2,42). SBK skaičiuotas esant 75 W fideriui. Kaip matome, pasikeitus dažniui 300 kHz aktyvinė impedanso dalis pasikeitė 20 omų, o reaktyvinė 112 omų.
2. Jei paimsime kvadratą, kabantį laisvoje erdvėje ir rezonuojantį 3,6 MHz, jo impedansas šiame dažnyje bus Z = 123 omai (SBK = 1,23), 3,5 MHz Z = 115-j94 omai (SBK = 2,36), 3,8 MHz Z = 146+j196 omai (SBK = 4,54). Čia SBK skaičiuotas esant 100 omų fideriui.

Skaičiavimai daryti programos MMANA pagalba. Taigi, reaktyvinė dedamoji, žymiai daugiau kisdama nuo dažnio, keičia SWR daugiau nei aktyvinė.

Naudojant atspindžio koeficientą (S11), SBK paskaičiuojamas pagal formulę kur Г - atspindžio koeficientas (S11).

Apkrovos transformacija fideryje

Fideris turi savybę transformuoti apkrovą, t.y. įėjimo varža fiderio maitinimo taške nelygi nei fiderio banginei varžai, nei apkrovos varžai, prijungai fiderio gale. Transformacija nevyksta tik tada, kai apkrovos varža lygi fiderio banginei varžai arba fiderio elektrinis ilgis lygus l=n l/2, kur l - bangos ilgis, n- bet kuris sveikas skaičius. Net esant aktyviai apkrovos varžai transformuota varža tampa kompleksine. Pavyzdžiu, jei apkrovos (antenos įėjimo) varža bus 75 omai ir ją maitinsime 50 omų kabeliu, kurio ilgis 0,3l, jo įėjime gausime Z=35+j8,5 omų. Formulės apskaičiuoti apkrovos transformaciją bet kokiame fiderio ilgyje yra sudėtingos ir geriau naudotis kompiuterine programa APAK-EL ar NETCALC. Programa APAK-EL (MATCH) piešia komleksinio impedanso grafikus, ją efektingai galima naudoti praktiniams skaičiavimams bei mokymosi tikslais.

Siųstuvo suderinimas su apkrova

Kartais eteryje galime išgirsti, kad jei SBK=3, tai tik trys ketvirčiai galios patenka į apkrovą. Galia, pasiekianti apkrovą, skaičiuojama sekančiai: Kaip matote, šioje formulėje nėra nei fiderio ilgio, nei jo slopinimo prie SBK=1, nei panašių fiderio parametrus aprašančių duomenų. Tai nėra nuostoliai fideryje. Jie gaunami dėl to, kad TX išėjimo varža lygi fiderio banginei varžai, o ne transformuotai apkrovos varžai, t.y. turite "firminį" transiverį be anteninio tiunerio. Tokie siųstuvai yra "pririšti" prie 50 omų apkrovos. Siųstuvo išėjimo varža turi būti priderinta ne prie antenos įėjimo varžos, ne prie fiderio banginės varžos, o prie transformuotos varžos (varžos fiderio įėjime). Būtent ši varža yra siųstuvo apkrovos varža. Nors ši formulė iš principo yra teisinga, mano galva yra nelabai korektiška. Šioje formulėje SBK tik įneša painiavą ir neteisingą traktavimą, nes tai nėra fiderio SBK, o SBK transformuotos varžos TX išėjimo varžos atžvilgiu. Kadangi tarp siųstuvo išėjimo ir fiderio įėjimo stovinčių bangų kaip ir nebūna, siųstuvo suderinimas su apkrova paprastai aprašomas ne SBK, o atspindžio koeficiento moduliu kur Ro - TX išėjimo varža, R ir X atatinkamai aktyvinė ir reaktyvinė transformuotos varžos fiderio prijungimo prie TX vietoje. Anksčiau minėta formulė turėtų būti rašoma

TX atiduoda visą savo galią į apkrovą tik tuo atveju, jei jo išėjimo varža lygi apkrovos varžai. Jei apkrova 100 omų, TX išėjimą reikia suderinti 100 omų, jei apkrova 10 omų, reikia suderinti 10 omams. Šiuo atveju |r|=0 ir Papkr.=P. Lempiniuose siųstuvuose, kurių išėjimo varža yra kiloomų eilės, naudojami PI kontūrai, tranzistoriniuose, kurių išėjimo varža omų eilės, transformatoriai. PI kontūras turi varžos transformacijos galimybę ir jo derinimo elementų (kondensatorių) pagalba galima priderinti TX nedidelėse ribose ir prie kitokios, nei apskaičiuota, varžos. Jais taip pat dažnai galima sukompensuoti kompleksinės apkrovos reaktyvinę dedamają.

Tranzistorinuose TX transformatorius derinimo elementų neturi, o filtrai, einantys tarp transformatoriaus ir apkrovos, gali būti išderinti esant kitokiai, nei apskaičiuota, apkrovai. Tokiu atveju reikalingas antenininis tiuneris, dažniausia esantis šiuolaikiniuose transiveruose. Toks tiuneris suderina ne tik TX išėjimo varžą su apkrova, bet ir priderina RX įėjimo kontūrus. Reikalas tame, kad RX įėjimo kontūrai taip pat gali būti išderinti kompleksine apkrova. Žemų dažnių diapazoniuose eterio triukšmai bei signalai yra stiprūs, RX jautris gana didelis, todėl toks kontūrų išderinimas paprastai nejaučiamas. Dirbant aukštutiniuose TB diapazonuose, kur triukšmų lygis mažas ir signalai silpni, kontūrų išderinimas gali juntamai sumažinti RX jautrumą.

Mėgėjai dažnai naudoja galios stiprintuvus su įžemintų tinklelių schema. Šiuo atveju žadinimas paduodamas į lempos katodą. Tokiu atveju paskaičiuoti ar išmatuoti realų SBK kabelyje tarp TX ir PA yra problematiška. Reikalas tame, kad PA įėjimo varža yra nesimetrinė. Nesimetrinė ta prasme, kad tik esant neigiamam žadinimo įtampos pusperiodžiui lempa teka srovė. Esant teigiamam pusperiodžiui srovė neteka ir apkrovos varža tampa begalybė. Kaip tokiu atveju daryti skaičiavimus ar matavimus niekur literatūroje neradau. Galimas dalykas, kad net pakeitus SBK matuoklio diodų poliariškumą gausime skirtingą SBK.

Apie krentančią ir atsispindėjusią galią (Forward power, Reflected power)

Tokias skales galima pamatyti kai kuriuose SWR matuokliuose. Iš karto pasakysiu, kad tų skalių rodmenimis tikėti nereikia. Ir štai kodėl. Realiai nėra jokios krentančios ir atsispindėjusios galios. Jos įvestos tik teoriniams skaičiavimams. Be to, tai galioja tik tuo atveju, kai generatoriaus (galios stiprintuvo, transiverio) išėjimo varža lygi fiderio banginei varžai. Bet kokiu atveju fideris transformuoja apkrovos varžą. Fiderio įėjimo impedansas prie generatoriaus nebus lygus fiderio banginei varžai (jis lygus fiderio varžai tik jei SBK=1, ko realiai niekada nebūna). Galios stiprintuvai ir šiuolaikiniai transiveriai turi galimybę keisti išėjimo varžą PI kontūrų ar tiunerių pagalba ir taip suderinti generatoriaus išėjimo varžą su fiderio įėjimo varža (nepainioti su fiderio bangine varža). Jei generatorius suderintas su fiderio įėjimo varža, idealaus (be nuostolių) fiderio atveju visa galia, paduodama iš generatoriaus, pasiekia apkrovą. Realiai tai ir vyksta, išskyrus tai, kad realūs fideriai turi nuostolius ir padidėjęs SBK tuos nuostolius padidina.

Nuostoliai fideryje

Idealus bet kokio ilgio fideris, apkrautas apkrova, nelygia fiderio banginei varžai, tik transformuoja tą apkrovą ir jokių nuostolių neturi. Realiame kabelyje slopinimas dėl padidėjusio SBK priklauso nuo pačio kabelio slopinimo prie SBK=1. Kuo mažesni fiderio nuostoliai prie SBK=1, tuo mažesni ir papildomi nuostoliai dėl padidėjusio SBK. Todėl padidinto SBK atveju geriau naudoti kokybišką, storą kabelį arba dvilaidę liniją. Nuostolius fideryje galima paskaičiuoti: kur α - fiderio slopinimas prie gauto SBK decibelais, χ - fiderio slopinimas kai SBK = 1 decibelais.SBK reikia matuoti fiderio gale (prie apkrovos), nes dėl fiderio slopinimo SBK jo įėjime bus mažesnis nei realus. Jei fiderio nuostoliai dideli, tokių matavimų rezultatai gali žymiai skirtis. Galia, fideriu pasiekianti apkrovą: Pavyzdžiui, 10 metrų RG213 kabelio 30 MHz dažnyje turi slopinimą apie 0,42dB. Esant SBK=2 slopinimas kabelyje bus

Jei siųstuvo galia 100W, tai galia, pasiekianti apkrovą . Analogiškai galima paskaičiuoti, kad kai SBK=1 Papkr.=90,8W, kai SBK=3 Papkr.=85,8W, kai SBK=5 Papkr.= 79,6W. Kaip matote, tik prie SBK=5 nuostoliai kabelyje padvigubėja palyginus su SBK=1. UTB diapazonuose kabelio nuostoliai yra žymiai didesni nei TB, paprastai UTB siųstuvai neturi derinamo išėjimo kontūro, todėl šiuose dažniuose reikia stengtis pasiekti kaip galima geresnį SBK.

Fiderį patikrinti galima sekančiai. Apkrovus jo kitą galą neinduktyviniu (visiškai netinka vielinis) rezistoriumi, kurio varža lygi fiderio banginei varžai, paduoti TX signalą ir išmatuoti galią (įtampą) fiderio įėjime (prie TX) ir ant rezistoriaus. Šių galių skirtumas ir bus fiderio nuostoliai. Decibelais tai bus

Gautą rezultatą galima perskaičiuoti į grafike duotą ilgį ir palyginti su gamintojų deklaruojamu slopinimu.

Ar reikia simetrinti ašinį (koaksialinį) kabelį

Dauguma radijo mėgėjų skaito, kad trumpose bangose ašinį kabelį galima jungti prie simetrinės antenos be jokių neigiamų pasekmių. Bet ne visai taip yra. Daug kas susitiko su tokiais neigiamais reškiniais, kaip AD įtampos atsiradimas TX korpuse, mikrofono susižadinimas, kompiuterio, prijungto prie TX striginėjimas, QRM arti esantiems televizoriams, SBK kitimas priklausomai nuo kabelio ilgio ir pan. Visi tokie neigiami veiksniai dažniausia atsiranda dėl simetrinės antenos prijungimo prie ašinio kabelio. Kaip taisyklė, tuo kaltinamas blogas SBK, nors jis tam įtakos neturi. Reikalas tame, kad kabelis gali dirbti kaip antena. Pvz., turime dipolį, užmaitintą kabeliu, kurio fizinis ilgis lygus ketvirčiui bangos. Skaitykime, kad TX neturi radiotechninio įžeminimo. AD srovė, tekanti vidine šarvo dalimi į anteną, prie antenos pasidalins į dvi dalis. Viena dalis tekės į dipolio petį, kita į šarvo išorinę pusę. Juk srovė gerai nežino kur antena o kur kabelis ir vertikalų kabelį taip pat priskiria antenai. Srovė pradeda tekėti išorine kabelio šarvo dalimi ir AD įtampa prie TX gali pasiekti įspūdingų dydžių.Taigi, gauname kambaryje įrengtą antenos galą, prijungtą prie TX korpuso.

Realiai TX per talpą turi ryšį su 230V elektros tinklu. Taip antena gaunasi ir 230V tinklas, sudėtingai išvedžiotas po kambarius ir išeinantis į įvadą. Tokia "antena" turi neprognozuojamą impedansą kabelio prijungimo prie tikros antenos taške, kuris gali pakeisti ir sumarinį antenos bei parazitinės antenos impedansą. Keičiant kabelio ilgį keičiasi ir tos parazitinės antenos parametrai. Tokiu būdu keičiant kabelio (o tuo pačiu ir parazitinės antenos) ilgį gali kisti ir kabelio apkrova, o tuo pačiu ir SBK. Dėl šios priežasties ir atsirado idėjos, kad keičiant kabelio ilgį galima sumažinti SBK.

Kad toks dalykas neatsitiktų, reikia pastatyti srovei, tekančiai išorine šarvo dalimi, užtvarą. Tokią funkciją gali atlikti AD droselis arba simetrinimo įrenginys. Droselį galima suvynioti maitinimo kabeliu ant feritinio žiedo ar šiaip ant kokio nors dielektrinio karkaso. Tačiau tokia konstrukcija nėra lengvai išpildoma - kabelis gana storas, reikia didelių gabaritų feritinių žiedų. W2DU pasiūlė ant kabelio netoli antenos primauti feritinių žiedų. Tokių žiedų vidinis diametras turi būti tik truputį didesnis už kabelio išorinį diametrą. Žiedų dielektrinė skverbtis turi būti didelė, trumpų bangų diapazone gerai tinka nedeficitiniai žiedai su m =2000. Žiedų kiekis priklauso nuo diapazono ir pačių žiedų dydžio, 80m. diapazonui reiktų apie 30-50 vnt.(nekritiška). Droselis AD srovėms, tekančioms kabelio viduje, jokios įtakos neturi, kadangi jos yra vienodos ir priešingų krypčių. AD srovės išorinėje šarvo pusėje gali būti indukuotos ir nuo antenos spinduliuojamo elektomagnetinio lauko. Kuo arčiau antenos, tuo stipresnis šis laukas. Todėl naudinga už ketvirčio bangos ilgio nuo kabelio prijungimo prie antenos pastatyti dar vieną tokį droselį. Tokį droselį galima pastatyti ir prie TX. Tokie droseliai neturi įtakos naudingam signalui ir gali sumažinti trukdžius tiek perdavimo metu TV ar kitiems elektroniniams prietaisams, tiek priėmimo metu pačiam radijo mėgėjui.

Išvados

Žemesniuose dažniuose, o taip pat naudojant dvilaides linijas ar geros kokybės ašinius kabelius galimas didesnis SBK. SBK iki 3 tik nežymiai padidina nuostolius fideryje su sąlyga, jei TX išėjimas priderintas prie gaunamos apkrovos varžos. Tam, dirbant transiveriu be vidinio tiunerio, reiktų naudoti išorinį suderinimo įrenginį. Antenos charakteristikoms SBK įtakos praktiškai neturi. Antenos spinduliavimo charakteristikoms gali didelę įtaką turėti minėta parazitinė AD srovė ašinio kabelio šarvo išorinėje pusėje. Feritinius droselius naudinga pastatyti net GP tipo antenų maitinimo kabelyje.

Galios praradimų lentelė

Šioje lentelėje atvaizduotas SBK poveikis išspinduliuotai energijai, kai naudojamės siųstuvu, kurio galia yra 4W:

Formulė: Galia vatais x ((SWR-1) x (SWR-1)) Ã · ((SWR+1) x (SWR+1)) = Loss of Power in Watts

SWR reikšmė	% prarasta	ERP*	Kiek W išspinduliuota
1.0:1	0.0%	100.0%	4.00
1.1:1	0.2%	99.8%	3.99
1.2:1	0.8%	99.2%	3.97
1.3:1	1.7%	98.3%	3.93
1.4:1	2.8%	97.2%	3.89
1.5:1	4.0%	96.0%	3.84
1.6:1	5.3%	94.7%	3.79
1.7:1	6.7%	93.3%	3.73
1.8:1	8.2%	91.8%	3.67
1.9:1	9.6%	90.4%	3.61
2.0:1	11.1%	88.9%	3.56
2.1:1	12.6%	87.4%	3.50
2.2:1	14.1%	85.9%	3.44
2.3:1	15.5%	84.5%	3.38
2.4:1	17.0%	83.0%	3.32
2.5:1	18.4%	81.6%	3.27
2.6:1	19.8%	80.2%	3.21
2.7:1	21.1%	78.9%	3.16
2.8:1	22.4%	77.6%	3.10
2.9:1	23.7%	76.3%	3.05
3.0:1	25.0%	75.0%	3.00
4.0:1	36.0%	64.0%	2.56
5.0:1	44.4%	55.6%	2.22
6.0:1	51.0%	49.0%	1.96
7.0:1	56.3%	43.8%	1.75
8.0:1	60.5%	39.5%	1.58
9.0:1	64.0%	36.0%	1.44
10.0:1	66.9%	33.1%	1.32