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
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
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. 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, 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. Keletas žodžių apie AD
jungtis. Geriausios yra rusiškos jungtys. Paplitusios vakarietiškos jungtys
PL-259 ar UHF turi gana didelę perėjimo varžą ir visiškai nehermetiškos. Jų
negalima naudoti lauko sąlygomis. Senos rusiškos didelės jungtys CP75 ar CP50
pasidabruotos, todėl jų kontaktų varža žymiai mažesnė. Jokiu būdu negalima
išmesti jų viduje esančių gumyčių (ką labai rekomenduoja kai kurie
"specialistai"), nes tada jos tampa nehermetiškomis ir drėgmė gali greitai
sugadinti kabelio šarvą. Kabelio elektriniui kontaktui su jungtimi tos gumytės
netrukdo. Yra ir vakarietiškų gerų hermetizuotų jungčių, tačiau jos gana
brangios ir naudojamos retai.
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:
Čia paprasta skaičiuoklė, į kurią įvedę apkrovos aktyvinę ir reaktyvinę dedamasias bei fiderio banginę varžą, galime rasti SBK reikšmę.
Reaktyvinė dedamoji, kaip matote, turi didelę įtaką SBK. Ją išmatuoti
ne taip ir paprasta, kaip, beje, ir antenos įėjimo impedansą (varžą). Geriausias
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. Pvz. 80m. diapazono dipolio, esančio laisvoje erdvėje ir
turinčio rezonansą apie 3,6 MHz, 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). Čia SBK
skaičiuotas esant 75 omų fideriui. Kaip matome, pasikeitus dažniui 300 kHz
aktyvinė impedanso dalis pasikeitė 20 omų, o reaktyvinė 112 omų. 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.
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 jautrį. 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. Vienintelį mano galva
dėmesio vertą šios problemos sprendimo varijantą radau DL2KQ straipsnyje.
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.
Čia galima paskaičiuoti realiuos fiderio nuostolius bei galią, patenkančią į apkrovą kai fiderio SBK>1 su sąlyga, kad siųstuvo išėjimas įra suderintas su fiderio įėjimo varža (TNX LY2XW). Kabelio slopinimą esant SBK=1 galima apytiksliai rasti iš šio grafiko. Įvedę siųstuvo išėjimo galią, rasime galią apkrovoje prie SBK=1 ir 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 kondensatorius būna prijungtas prie 220V elektros tinklo. Tokiu atveju
antena gaunasi ir 220V 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. Jį 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. Feritinius žiedus
būtina hermetizuoti, nes jie traukia drėgmę. Nehermetizuotus žiedus žiemą
sušąlusi drėgmė gali suskaldyti. Plačiau šia tema galima paskaityti rusiškai arba angliškai.
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.
