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.
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.
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.
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.
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.