Otázka:
Jak skutečně funguje měřič SWR?
Glenn W9IQ
2018-01-24 06:24:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Pro radioamatéry je měřič SWR všudypřítomným vybavením. Na trhu jsou desítky samostatných modelů a většina moderních transceiverů a anténních tunerů má tuto funkci zabudovanou.

Jakákoli šunka se zájmem o antény pravděpodobně měla ruce na měřiči SWR. Jejich provoz je relativně přímočarý, ale pochopení jejich fungování se jeví jako jiná věc.

Existuje spousta popisů v textech, časopisech a na internetu, které se pokoušejí popsat, jak měřič SWR (nebo jeho blízký bratranec směrový wattmetr) funguje. Některé z nich dokonce uvádějí, že měřič je schopen skutečně oddělit přední a zpětný výkon, napětí nebo proud. Po pohledu na schémata mnoha z těchto zařízení se to zdá pochybné. Zdá se, že další pokusy o popis jejích základních mechanismů, například Jak by měl fungovat směrový vazební člen měřiče SWR, nepřijdou ke konsensu.

Jak tyto nástroje skutečně fungují? Jaká je základní matematika?

Není pravda, že konečný stupeň (stupně) výkonového zesilovače vysílače navrženého / dimenzovaného pro napájení zátěže 50 Ω Z má obvykle zdroj Z několika ohmů (ne 50)? Pokud by to bylo 50, pak by se ve vysílači rozptýlila 1/2 vf výstupního výkonu vysílače při připojení k zátěži 50 Ω připojené podle příkladu 1. Víme jak z teorie, tak z přesného, ​​kalorimetrického měření výkonu těchto vysílačů při řízení zátěže 50 Ω může být jejich účinnost převodu stejnosměrného vstupu na rf výstupního výkonu> 80%. Pokud to platí pro * 100 * Ω, platí to také pro 0Ω a ∞Ω?
Experiment 1 @RichardFry uvádí, že „Rezistor rozptýlí veškerou energii, kterou může vysílač vyslat“. Možná by to mělo pokračovat "... do 100 ohmového rezistoru." aby to bylo jasnější. Podle toho upravím. Kolik se vysílač rozptýlí, nemá vliv na platnost tohoto experimentu.
Ve výše uvedených experimentech je několik nedostatků. V případě # 1 je výsledek pravdivý pouze v případě, že byl „měřič SWR“ kalibrován na hodnotu Zo 50Ω nebo 200Ω. Pokud by byl kalibrován na 100 Ω, četl by 1: 1. Stejný komentář platí pro # 2. Výstupní impedance vysílače může být cokoli. Ve elektronkovém vysílači s výstupní sítí Pi je efektivní výstupní impedance MÉNĚ než 50 Ω. Pokud by to bylo 50 Ω, nemohl by zesilovač nikdy dosáhnout účinnosti vyšší než 50%. V širokopásmovém polovodičovém zesilovači jsou výstupní transformátor a dolní propust navrženy tak, aby fungovaly na impedanci 50 Ω. Účinnost je obvykle
Dick - vítejte v amatérském rádiu na Stack Exchange. Vaše „odpověď“ měla být skutečně zadána jako komentář k mé odpovědi. Změnil jsem však svou odpověď, abych objasnil, že měřič SWR pro dva testovací případy je měřič SWR 50 ohmů.
@GlennW9IQ Dick ještě nemá dostatečnou reputaci, aby mohl komentovat. Moderátoři to mohli snadno převést na komentář; ale můžete se prosím podívat a zjistit, zda máte nějaké možnosti konkrétně označit atd. odpověď jako „měla by být převedena na komentář“? TIA. :-) (Musel bych zjistit, jak se odhlásit jako moderátor. (CRN nemoc. ;-)
@MikeWaters Už jsem to označil, ale myslel jsem, že dám Dickovi odpověď.
@DickFrey Pokud jde o výstupní impedanci vysílače, nebude to mít na SWR žádný vliv. Ovlivní to maximální napětí a proud, ale to je mimo rozsah této otázky.
@Glenn to není pravda - odrazy od neodpovídající antény se zase odrazí zpět od vysílače, pokud to není stejná impedance, a tyto sekundární odrazy také přidávají k původní dopředné vlně a mění SWR.
Jeden odpovědět:
Glenn W9IQ
2018-01-24 06:24:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Rozptylování mýtu

Za prvé, typický měřič HF SWR nemá schopnost samostatně vzorkovat dopředný a zpětný výkon, napětí nebo proud. Jakýkoli popis zařízení nebo jeho obvodů, který naznačuje tuto schopnost, je chybný. Můžeme to empiricky ukázat dvěma různými experimenty.

Experiment 1

Připojte 100 ohmový rezistor přímo na výstup 50 ohmového SWR metru (bez koaxiálního kabelu) a přímo připojte vstup měřiče SWR do vysílače (bez koaxiálního kabelu). Rezistor rozptýlí veškerý výkon, který může vysílač vyslat do zátěže 100 ohmů - žádné odrazy napětí, proudu nebo výkonu, protože neexistuje žádné přenosové vedení. Přesto bude měřič zobrazovat SWR 2: 1.

Experiment 2

Připojte vysílač přímo ke vstupu 50 ohmového SWR měřiče. Na výstup měřiče SWR připojte koaxiální kabel 75 ohmů a na jeho konec připojte zátěž 75 ohmů. Vzhledem k tomu, že zátěž odpovídá Z o (charakteristická impedance) koaxiálního kabelu, nedochází na koaxiálním kabelu k žádným odrazům napětí, proudu nebo výkonu. Měřič přesto bude mít SWR 1,5: 1.

Jak to funguje?

Typický vysokofrekvenční měřič SWR funguje na základě vzorkování komplexního napětí a proud v místě vložení, ze kterého vypočítává efektivní SWR v místě vložení na přenosovém vedení s charakteristickou impedancí 50 ohmů (nebo jakoukoli impedanci, pro kterou je měřič SWR navržen).

Zde se používá termín „efektivní“, protože výpočet se provádí bez ohledu na to, zda je či není přítomno přenosové vedení a bez ohledu na skutečnou charakteristickou impedanci jakéhokoli přítomného přenosového vedení.

Vzorkování napětí

Měřiče SWR používají ke vzorkování komplexního napětí v místě vložení jednu ze tří různých metod.

schematic

simulovat tento okruh - schéma vytvořené pomocí CircuitLab

V každém případě obvod vzorkování napětí sestupuje o vyšší napětí, které je na přenosovém vedení v místě vložení, na zvládnutelnější nižší napětí pro obvod měřiče SWR. V případě odporových a kapacitních děličových obvodů je horní prvek obvykle nastavitelný tak, aby umožňoval kalibraci měřiče SWR (více o tom později).

Napětí přítomné na přenosovém vedení v bodě vzorkování je komplexní součet všech dopředných napětí plus součet veškerých odražených napětí vyplývajících z neodpovídající zátěže a zdroje. Lze to vyjádřit takto:

$$ V_ \ text {line} = V_f + V_r \ tag 1 $$

kde V f je komplexní dopředné napětí a V r je komplexní odražené napětí v místě vzorkování.

Vzorkované napětí z kteréhokoli z výše uvedené okruhy lze potom vyjádřit jako:

$$ V_1 = (V_f + V_r) * k_1 \ tag 2 $$

kde k 1 je konstanta škálování určená designem obvodu pro vzorkování napětí.

Odběr proudu

Téměř každý měřič SWR používá stejnou techniku ​​ke vzorkování komplexního proudu, který je přítomen na přenosové lince v místě vložení. Tato technika zahrnuje obvod, který na první pohled vypadá jako zesilovač transformátoru napětí se zatěžovacím odporem na sekundárním obvodu, ale ve skutečnosti jde o speciální konfiguraci známou jako širokopásmový transformátor proudu.

Širokopásmový proudový transformátor převádí vysokofrekvenční proud, který prochází jeho primární stranou, na proporcionální vysokofrekvenční napětí na sekundární straně. Konverze probíhá umístěním zátěžového rezistoru (někdy nazývaného zátěž) na sekundární stranu. Zátěžový rezistor musí být mnohem menší než charakteristická impedance sekundární strany transformátoru, aby byl tento převod proudu na napětí proporcionální.

schematic

simulovat tento obvod

Transformátor je obvykle toroidní zařízení, jehož středový vodič přenosového vedení prochází otvorem toroidu a vytváří jednootáčkové primární vinutí se sekundárním vinutím několikrát ovinutým toroidní formou.

enter image description here

Složitý proud, který je přítomen na přenosovém vedení v bodě vzorkování, je rozdíl mezi dopředným proudem a odraženým proudem:

$$ I_ \ text {line} = I_f-I_r \ tag 3 $$

kde jsem f je komplexní dopředný proud a I r je komplexní odražený proud.

Složité napětí vyplývající ze vzorkovaného proudu pomocí širokopásmového transformátoru proudu lze poté vyjádřit jako:

$$ V_2 = (I_f -I_r) * k_2 \ tag 4 $$

kde k 2 je transformační faktor ve voltech / amp, jak je určeno širokopásmovým proudovým transformátorovým obvodem design.

Výpočet SWR a výkonu

Nyní potřebujeme způsob, jak použít vzorkované napětí a proud k výpočtu SWR, jakož i dopředného a odraženého Napájení. Většina rovnic pro výpočet těchto hodnot zahrnuje znalost dopředného napětí a odraženého napětí. Ale zatím máme pouze V 1 , které je úměrné součtu těchto komplexních napětí, jak je znázorněno v rovnici 2. Existuje však i jiný způsob vyjádření komplexního proudu, který je přítomen v místě vzorkování to nám může pomoci:

$$ I_ \ text {line} = \ frac {V_f-V_r} {Z_o} \ tag 5 $$

kde Z o je charakteristická impedance přenosového vedení, obvykle 50 ohmů v amatérských rádiových aplikacích.

Potom můžeme rovnici 5 dosadit do rovnice 4 :

$$ V_2 = (V_f-V_r) * \ frac {k_2} {Z_o} \ tag 6 $$

Nyní odečteme V 2 v rovnici 6 od V 1 v rovnici 2:

$$ V_1-V_2 = \ Bigl ((V_f + V_r) * k_1 \ Bigr) - \ Bigl ((V_f-V_r) * \ frac {k_2} {Z_o} \ Bigr) \ tag 7 $$

Se Z o 50 ohmů, pokud nastavíme k 2 na k 1 poměr k 50, rovnice 7 je velmi zjednodušená:

[Upravit: Vzorce 8 a 9 byly aktualizovány] sub>

$$ V_1-V_2 = ((V_f + V_r) - (V_f-V_r)) * k_1 = V_r * 2 * k_1 \ tag 8 $$

Zachování stejného poměru k 2 k 1 , ale přidání V 1 a V 2 :

$$ V_1 + V_2 = ((V_f + V_r) + (V_f-V_r)) * k_1 = V_f * 2 * k_1 \ tag 9 $$

Jelikož termín 2 * k 1 je konstanta známá návrháři, lze jej snadno započítat do následujících aplikace rovnic 8 a 9.

Toto sčítání a odečítání V 1 a V 2 bylo v minulosti provedeno přepínačem na SWR Metr. Nyní je častější, že se V 1 přivádí do středního odbočky sekundárního širokopásmového transformátoru proudu. S příslušnými hodnotami obvodu je jedna větev transformátoru pak V 1 + V 2 , zatímco druhá větev je V 1 -V 2 .

Protože síla je úměrná čtverci napětí, rovnice 8 nám dává napětí, které je úměrné odraženému výkonu, zatímco rovnice 9 nám dává napětí, které je úměrné síle dopředu. Každé z těchto napětí se přivádí do jejich příslušného pohybu měřiče, kde logaritmická stupnice nakreslená na ploše měřiče provádí převod lineárního vychýlení měřiče na základě napětí na výkon.

Dual Needle SWR Meter

Převod dopředného a odraženého výkonu na SWR je uveden jako:

$$ SWR = \ frac { 1+ \ sqrt {\ frac {P_r} {P_f}}} {1- \ sqrt {\ frac {P_r} {P_f}}} \ tag {10} $$

Nebo alternativně je převod V f a V r na SWR uveden jako:

$$ SWR = \ frac {1+ (V_r / V_f)} {1- (V_r / V_f)} \ tag {11} $$

Čelní plocha měřiče nahoře ukazuje průsečík dvou jehel na čáře SWR 2: 1, což odpovídá rovnici 10 pro zobrazené síly. Návrhář měřičů SWR jednoduše vynese na měřič několik hodnot SWR, které odpovídají průsečíku sil vpřed a odraženého.

Kalibrace měřiče SWR

Typickou kalibrační rutinou pro měřič SWR je připojení odporového zatížení, které se rovná Z o napájecího vedení, přímo na výstup měřiče. Vysílač vysílá příslušné množství energie na vstup měřiče SWR. Síť dělící napětí se poté upraví tak, že P r se rovná 0.

Protože P r je úměrný (V r ) 2 , z rovnice 7 vidíme, že tato úprava jednoduše zajišťuje, že k 2 / k 1 = 50 pro SWR měřič, který byl navržen pro napájecí vedení 50 ohmů.

V experimentu 1: Jak může 100 Ω (neinduktivní) odpor za stanovených podmínek rozptýlit „veškerý výkon, který může vysílač vyslat“? Pokud to platí pro 50 Ω, platí to také pro 0 Ω a ∞ Ω?
@richardfry V obou případech vysílá vysílač nulový výkon, takže zátěž 0 Ω a ∞ Ω nerozptyluje nic, ale rozptyluje vše ... Tyto polární případy však nelze použít jako testovací případ pro měřič SWR.
RE: „... vysílač vysílá nulový výkon, takže zátěž 0 Ω a ∞ Ω nic nerozptyluje“ ... Pokouší se však při první aktivaci dodávat vysokofrekvenční energii, dokud nebudou vypnuty ochranné obvody SWR vysílače vypne se nebo se vypne kvůli poruše součásti vysílače související s vysokým odraženým výkonem zpět do vysílače, pro tyto podmínky zatížení.
@RichardFry Myslím, že je to v minutách a neodpovídá odpovědi, ale přivést ji zpět k subjektu, vysílač se nevypne kvůli odraženému výkonu, ale pouze kvůli neodpovídajícím podmínkám (soustředěné síti). Stejně jako můstek SWR vysílač „neměřuje“ odraženou energii. V nejlepším případě vypočítá předpokládaný odraz na základě výstupního proudu a napětí. Bez přenosového vedení však nedochází k žádnému odrazu. Zátěž jednoduše neodpovídá zadané impedanci zátěže vysílače.
RE: „Bez přenosového vedení neexistuje žádný odraz ....“ Odraz je vytvářen impedanční diskontinuitou - která může nastat buď s přenosovým vedením v obvodu, nebo bez něj.
@RichardFry Chcete-li mít impedanční diskontinuitu, musíte mít impedanční kontinuitu. Je tedy dobře přijímáno, že to platí pro přenosová média v obecné fyzice a přenosová vedení konkrétně v elektrotechnice. Samozřejmě můžete analyzovat přenosová vedení jako soustředěné obvody a naopak, ale udělat to není vhled do tohoto tématu. Pokud byste chtěli v této diskusi pokračovat, ráda tak učiním v chatu.
[** Chat Ham Shack **] (https://chat.stackexchange.com/rooms/11162/ham-shack) může být dobrý, pánové. Také bych chtěl zjistit, zda můžete odpovědět na otázku ohledně antény. (Nebo mohu všechny tyto komentáře přesunout sem na vlastní chat.) Diskuse mezi vámi dvěma mi připadá zajímavá, ale zde by to opravdu nemělo pokračovat. * A jakmile bude toto vyřešeno, mohlo by být dobré začít s novou otázkou. *
To je pro mě zajímavé a [přesunul jsem to do vlastního chatu] (http://chat.stackexchange.com/rooms/72309/discussion-on-answer-by-glenn-w9iq-how-does-an-swr -meter-really-work). Glenn se mi zdá být v pořádku a Richard se zdá v pořádku. Můžeme o tom diskutovat [tam] (http://chat.stackexchange.com/rooms/72309/discussion-on-answer-by-glenn-w9iq-how-does-an-swr-meter-really-work)?
Říci, že měřič SWR neměří odražený výkon, je jako říkat ohmmetr neměří odpor, ale spíše měří proud při aplikaci známého napětí. Ale podle definice je právě to odpor. Jen proto, že v metru není víla, která drží odpory až po nějaký druh pravítka označeného v Ohmech, neznamená, že je to méně platné. Odpor a odražená síla jsou pojmy v rovnici, která je podle definice pravdivá, a vždy ji lze změnit a tvrdit, že některý z pojmů ve skutečnosti neexistuje. Nemyslím si, že je to zvlášť nápadné.
@Philfrost-w8ii Vidím to úplně jinak. Pokud v tomto případě jednoduše změříte napětí a proud pro výpočet wattů (jako je váš příklad jednoduchého rezistoru), bude to výstupní výkon vysílače bez vedlejších ztrát. To nemá nic přímo společného s dopředným nebo odraženým výkonem ani SWR.
Dobrá práce, díky. Často jsem přemýšlel, jak funguje jednoduchý měřič SWR založený na transformátoru, na rozdíl od zařízení založeného na můstku. Myslím, že vaše dva příklady jsou nevhodné. Zkrácení přenosového vedení nezmění koeficient odrazu vypočítaný při impedanci systému. I nekonečně krátká. A co samotné vstupní a výstupní konektory? K měření stojatých vln přímo voltmetrem samozřejmě potřebujete dlouhou (štěrbinovou) přímku, ale rovnice fungují na libovolné přímce.
@tomnexus Děkujeme za zpětnou vazbu. Ale zvažte, že pokud vyměníte proudový převodník založený na transformátoru za snímač proudu s halovým efektem stejnosměrného proudu tak, aby pracoval při velmi nízkých frekvencích a poté budil měřič stejnosměrným proudem, testovací případy stále fungují jako důkaz. Stále žádné odrazy, ale hlášené SWR v DC. QED.
@tomnexus A mohu vás ujistit, že pokud jste aktualizovali každý konektor a přenosové vedení v měřiči SWR tak, aby odpovídaly charakteristické imanenci zátěže nebo napájecího vedení ve dvou testovacích případech, výsledek by byl stejný - chybné čtení SWR. Nebo se na to podívejte jiným způsobem - pokud měřič skutečně snímá vpřed a odražený výkon, proč záleží na úrovni impedance? A pokud na impedanci záleží, proč nejde o pouhou druhou stupnici na měřiči?
@tomnexus Jeden poslední bod - měření štěrbinovou čárou obecně nesouhlasí s měřičem SWR. Jelikož technika štěrbinové čáry vyžaduje, aby byly umístěny minimální a maximální sousední uzly, výsledné SWR má za následek funkci případu schodiště ve srovnání s lineární funkcí směrového měřiče SWR. To je dobrý důvod, proč by měl být termín „VSWR“ zastaralý ve prospěch jednoduše SWR.
@GlennW9IQ Myslím, že jste to nepochopili. Kdybych vám řekl, že „ohmmetry nemohou přímo měřit odpor“, protože jsem se rozhodl napsat Ohmův zákon jako $ R = E / I $ a tvrdit, že odpor je spíše odvozená než „skutečná“ věc, řekli byste, že jsem looney. _ Samozřejmě_ směrový wattmetr může oddělit „vpřed“ a „vzad“: je to právě tam v rovnicích 8 a 9. To, že je založeno na matematickém závěru, ho neztrácí na realitě: tak fungují všechna měřicí zařízení. Jistě, můžete umístit 75 ohmovou linku na 50 ohmový SWR metr, ale pak můžete také dát diodu na ohmmetr.
Pokud jde o to, že spíše než honit filozofické duchy, bylo by lepší říci, že měřič SWR nebo směrový wattmetr je měřicí zařízení, které stejně jako všechna měřicí zařízení vytváří matematické závěry založené na některých předpokladech prostředí. V případě ohmmetru se předpokládá, že na svorkách je rezistor. V měřiči SWR se předpokládá, že existuje (obvykle) 50 ohmové přenosové vedení.
@PhilFrost-W8II Analogií ohmmetru by bylo tvrzení, že „funguje měřením rozptýleného výkonu při aplikaci konstantního proudu“. Ano, to by fungovalo a dalo by se to spočítat, ale tak to nefunguje, když tvrdíme, že by to bylo špatné.
@GlennW9IQ Myslím, že je to naprosto skvělé vysvětlení toho, jak to funguje, a bylo by těžké navrhnout jakýkoli experiment dokazující opak. Můžete se držet svého konkrétního vysvětlení toho, jak si myslíte, že to funguje, a tvrdit, že všichni ostatní se „mýlí“, ale realita je taková, že fyzice je to jedno a vysvětlení jsou stejně platná.
@PhilFrost-W8II No, když už nic jiného, ​​demonstroval jsem, že matematický závěr má své chyby ...


ⓘ
Tyto otázky a odpovědi byly automaticky přeloženy z anglického jazyka.Původní obsah je k dispozici na webu stackexchange, za který děkujeme za licenci cc by-sa 3.0, pod kterou je distribuován.
Loading...