Pierderi in drumul spre antena

Pierderi in drumul spre antena (1)

Teorie si practica

In urma articolului lui YO9FZS (Din nou despre putere in radioamatorism) as vrea sa completez cele scrise cu o continuare si anume, intrebarea de baza este ce se intimpla cu aceasta putere (mai mare sau mai mica) intre iesirea din etajul final si antena si cit din aceasta putere se radiaza real. In acest sens a aparut un articol scris de Dr. Ing. Walter Schau DL3LH, articol pe care l-am folosit drept baza pentru ceea ce veti citi in continuare.

Pentru intelegerea fenomenului, fac in prima parte a materialului, citeva consideratii teoretice pe aceasta tema.

Puterea de radiofrecventa creata trebuie sa treaca prin diferite componente inainte de a ajunge la antena (Balun, Fider, Tunere de antena). Problema este ca fiecare din aceste componente introduce atenuari respectiv pierderi care sint variabile functie de instalatia pe care am construit-o. Problema care ocupa pe multi amatori este cum sa faca ca energia de RF creata sa fie complect radiata de antena (visevise). Prin necunoastere, putem foarte usor pierde 10 dB din putere. Aud destul de des sloganul 6 dB reprezinta numai 1 pct S deci in majoritatea cazurilor nici nu se simte'. Just dar la o attenuare de 6 dB 75% din puterea scump creata se trasforma in caldura, care poate ca duce la o clima mai calda dar nu stiu daca asta a fost scopul urmarit, respectiv sensibilitatea de granita a receptorului se inrautateste sensibil.

Intii citava notiuni ca reimprospatare a memoriei pentru cei care nu se ocupa zilnic cu tehnica de HF. De pe o sursa de tensiune sinusoidala si cu o rezistenta interna Ri , puterea maximala care poate fi scoasa numai atunci cind rezistenta de sarcina Ra este egala cu rezistenta interna Ri. Aceasta stare se numeste stare adaptata. 50% din putere se pierde trasformindu-se in caldura pe Ri ceace reduce randamentul instalatiei la 50%. Puterea maximala a unei surse este Pmax=Uo² 4tRi). In cazul unei dezadaptari, aceasta putere ajunge numai partial pe rezistenta de sarcina Ra. La impedante complexe rezulta Za=Zi* deci Ra=Ri si rezonanta.

Adaptarea de putere nu este intotdeauna dorita

Adaptarea de putere nu este intotdeauna starea dorita atunci cind dorim un randament >50%, de ex. la un PA cu tuburi la care dorim o trasformare a cit mai multa energie continua in energie de HF sau la un cuplaj rezonant cu un cuplaj supraoptimal.

Factorul complex de reflexie r descrie raportul pe o linie dintre U respectiv I intre unda care urca spre antena si cea care este reflectata.La un fider real, cu pierderi, factorul de reflectie spre Tx se micsoreaza iar la atenuari mari pe fider sau fider foarte lung, acest factor tinde spre 0. Deci marimea lui r ia valori intre 0 si 1. 0 reprezinta adaptare iar 1 dezadaptare totala. Ultimul caz (1) reprezinta o dezadaptare totala ceace duce la o reflexie totala deci nu exista transport de energie. Functie de defazare, rezistenta de sarcina este reala sau complexa. Unghiul de defazare a lui r pe un fider este fie capacitiv fie real fie inductiv.

Relatiile din punctul de vedere al transportului de putere

Marimea Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) 's' descrie relatiile pe fider din punct de vedere al transportului de putere si este o masura a raportului undelor stationare pe fider. S poate lua valori intre 1 si ∞.In cazul in care VSWR =1 pe linie nu exista unde stationare iar VSWR =∞ pe linie apar numai unde stationare. Deoarece marimea lui s se poate usor determina cu o punte de masura de unde stationare (SWR-metru), radiomatorii folosesc in locul factorului de reflectie, cu precadere VSWR. Este posibila determinarea lui s din marimea lui r , din care se determina si raportul rezistentelor in puncte reale de pe fider.

VSWR se refera intotdeauna la o anumita rezistenta, (deobicei impedanta cablului de antena.) Aparatele de masura uzuale pt VSWR sint normate pe cabluri coaxiale asimetrice de 50Ω si arata VSWR-ul pentru acest tip de cablu.

Un VSWR marit, micsoreaza puterea maxima posibila de transmis pe cablu deoarece tensiunea pe cablu creste prin cresterea lui s. Relatia de calcul este: Pmax=Ub²/s*Zo) unde Ub este valoarea efectiva a tensiunii de strapungere. La VSWR=2 scade puterea transmisibila la jumatate din valoarea maxima a puterii transmisibile pe fider. In general un VSWR >1 mareste pierderile pe cablul de antena.

Ce se intampla pe un fider real cu pierderi

Fig.1: Unde directe pe o linie

Undele purtatoare (Fig.1) pe o linie omogenea de HF sint reflectate la capatul liniei, total sau partial daca impedanta de sarcina care inchide linia nu este egala cu impedanta liniei. Emitatorul livreaza pe linie, la inceputul acesteia puterea Pa, atenuarea liniei micsoreaza aceasta putere in drum spre capatul liniei. Aceste pierderi sint similare cu crearea de caldura pe linie. La sfarsitul liniei apare o putere mai mica Pe, micsorata cu puterea pierduta pe linie. La inchiderea liniei pe o impedanta oarecare, apare o reflexie partiala a puteri Pe. Deci apare o reintoarcere de putere de la capat spre inceputul liniei. Marimea acesteia se determina prin r² la punctul de cuplaj intre antena si linie. Aceasta putere reflectata de la capat spre inceputul liniei este din nou supusa unei atenuari pe linie. La intrare, aceasta putere reflectata va fi, functie de adaptarea de la intrare, din nou reflectata si trimisa spre antena sau la o adaptare buna la intrare (conditie pentru transmitere maximala de putere), aceasta putere reflectata se absoarbe si se trasforma in caldura.

Puterea reflectata poate atinge marimi respectabile si duce la incalzirea puternica a elementelor dintre linie si emitator (elemente de cuplaj, tuner de antena, balun). Din bilantul de putere de la inceputul respectiv sfarsitul liniei se poate determina pierderea totala de putere, indiferent de valoarea factorului de reflectie de la intrare. Energia de HF de la intrarea in antena este dependenta numai de atenuarea liniei si de factorul de reflexie la sfarsitul liniei.

Fig.2: Unde stationare pe o linie

In timpul functionarii, pe linie, se suprapun unde directe (de la emitator spre antena) si unde reflectate si produc pe langa unde care avanseaza si unde stationare (Fig.2) Raportul acestor doua componente este descris de VSWR.

Puncte constante de trecere prin nul

In cazul lui s=∞ pe antena nu ajunge energie desi punctele de nul pe linie ramin constante. Maximele respectiv minimele variaza in tactul frecventei de lucru. La s<∞, diferenta dintre puterea inainte respectiv puterea reflectata este similara cu puterea care sta la dispozitia antenei caracterizata prin rezistenta de radiatie respectiv rezistenta de pierderi. Numai puterea de pe reactanta fictiva de radiatie a antenei se radiaza in spatiu.

La o rezistenta la capatul liniei reala, tensiunea si curentul sint in faza asa ca si tensiunea inainte respectiv tensiunea reflectata vor fi in faza. La o reactanta de inchidere oarecare la capatul fiderului, intre tensiunea inainte si tensiunea reflectata apare un unghi corespunzator. Tensiunea insumata rezulta din insumarea vectoriala a tensiunilor. Functie de rezistenta de sarcina, la capatul liniei va apare un maxim, un minim sau o valoare intermediara. Unda de curent respectiv de tensiune spre antena ramane intotdeauna in faza. Numai in cazul in care impedanta de sarcina de la capatul liniei este egala cu impedanta liniei, dispare puterea reflectata si Pe trece pe impedanta de sarcina Aceasta stare se numeste adaptare la capatul liniei. Daca consideram ca intre emitator si linia fider exista un element de adaptare (cuplor sau tuner de antena), puterea maximala este transmisibila daca pe punctul cuplor- fider este o adaptare de impedante. Numai in cazul in care exista o adaptare atit la intrarea cit si la iesirea din fider devine posibila transmiterea unei puteri maximale pe rezistenta de sarcina. Unda pe directia inainte nu este identica cu cea care intra in realitate in fider si ajunge la antena deoarece atit ATU (tunerul de antena) cat si linia de transmisie creaza pierderi. La un ATU dimensionat eronat, se poate intampla ca o mare parte a puterii sa se transforme in caldura mai ales la utilizarea ATU in varianta CLC (filtru trece sus).

Descrierea detailata a pierderilor

Sa incercam sa descriem pe un caz real ce se intampla pe o linie de transmitere. Consideram o linie de transmitere rela cu pierderi avind o impedanta de 600 Factorul de atenuare a liniei este a= r=0.9 la capatul fiderului respectiv puterea de intrare 1000 W. Conditionat de atenuarile in drum spre antena, la intrarea acesteia mai exista o putere de Pe=1000W*0.8=800W. Din acestea vor fi reflectate in directia emitatorului r²*Pe = 0.81*800=648W care sint din nou atenuate cu a=0.8. Deci la intrarea fiderului vom avea o putere venita de la antena de 518.5 W.

Pe conectiunea dintre fider si ATU avem adaptare (prin ATU) deci energia intoarsa se trasforma in caldura atit in ATU cit si in eventualul balun de la iesirea ATU. Energia reala injectata in fider este de 1000W-518,4W =481.6 W si energia reala care este primita de antena este de 800W-648W=152W.

Pierderea totala Vg se calculeaza pe unda directa (TX-Ant) respectiv unda reflectata (Ant-Tx) Vg 1000W-800W)+(648W-518.4W)=329.6W. Raportul dintre energia injectata in fider si cea injectata in antena este 481.6W/152W=3.168 respectiv pierderea totala este in acest caz de 5 dB respectiv randamentul fiderului este de 31 %.

Matched Line Loss reprezinta pierderile la adaptare

La adaptarea intre fider si antena dispare reflectarea de energie deci nu mai avem energie reflectata. Pierderea de energie directa (vezi mai sus) este 1000W-800W=200W. Aceasta piedere se numeste Mached Line Loss (ML) sau pierdere la adaptare. Diferenta dintre 329.6W si 200W apare la iesirea din fider din cauza VSWR si apare ca o attenuare suplimentara. In acest caz ea are o valoare de 129.6 W si este numita Additional Loss (AL) si este data in dB. Suma dintre ML si AL reprezinta pierderea totala (TL) pe fider fiind data tot in dB. ML si AL sint dependente de frecventa. Sa calculam rapoartele de adaptare de la sfarsitul respectiv inceputul fiderului. Cu r =0.9 WSVR-ul de la partea de antena s=19. Factorul de reflexie la intrarea in fider se calculeaza din radicalul puterilor la r1=0.72 siVSVR ul la intrare va fi s=6.14 deci mai bun ca la capatul spre antena. Aceste calcule sint valabile numai in lucrul PA in contratimp deoarece raporturile de impedante pentru PA in contratimp respectiv simplu sint diferite. Valoarea lui a se poate determina si prin masurarea VSWR la un fider scurtcircuitat la capat sau poate fi luat din tabele unde este dat in general functie de frecventa , atenuarea fiind data in dB/100m.

Puterea activa (Pw), reactiva (Pb) si aparenta (Ps)

Intre doua puncte reale ale liniei apare puterea aparenta maximala (Ps).

Dintr-un alt punct de vedere aceasta se calculeaza pe fiderul de antena. Ea are de exemplu valoarea de 2157 VA la intrarea pe linie si creaza pe linie caldura. O alta marime este puterea activa (Pw). Ea este valoarea medie al produsului diferit de zero dintre curent si tensiune. Numai puterea activa este identica cu transport de energie.

Puterea aparenta este produsul dintre curent si tensiune pe un punct bine determinat pe linie. Ps si Pw se diferentiaza prin marimea cos? unde ? este unghiul de defazare intre curent si tensiune. La cos 1 puterea aparenta = puterea activa.

Importanta este si puterea reactiva Pb care, desi nu contribuie la transportul de energie, deoarece valoarea medie in timp a ei este nula. Legatura dintre cele 3 componente ale puterii sint descrise de relatia: Ps²=Pw²+Pb².

Puterea aparenta (Ps) ca criteriu pentru alegerea liniei de HF

Puterea aparenta este marimea de care depinde dimensionarea liniilor. Pe linga asta mai trebuie tinut cont de efectul Skin. Curentul de HF curge in linie numai la suprafata acesteia intr-un cilindru sub suprafata. Functie de frecventa, miezul liniei este practic fara curent. Deoarece in loc de resistente reale, apar in general impedante complexe, apare intrebarea asupra randamentului activ de ex. la o impedanta a antenei Za=Ra¹j*Xa . Partea reala este Ra iar partea imaginara a impedantei este j*Xa.

La masurarea curentului de antena pe fiderul bifilar, creat de reactanta activa de capat care creaza un curent total respectiv un curent masurat respectiv, apare o energie similara. Energia de HF pentru antena se calculeaza din relatia Pant=I²*(partea reala din Z) si nu I²*Z. De exemplu la 3.6 MHz consideram curentul masurat pe un fider bifilar 5A si impedanta antenei Za 35+j*102) ?. Puterea activa Pw=875 W, puterea reactiva Pb=2550Ω iar puterea aparenta Ps=2695 VA. De aici rezulta Pw=U*I*cos? cu cos?=0.3245. Tensiunea pe rezistenta ohmica este Uw=175 V, pe inductivitate Ui=510 V iar tensiunea totala Ug=539.18V Cu un randament presupus de 70%, din 875 W ajung pe antena numai 612.5 W pentru radiatie

Determinarea unor parametri ai liniei

Exista mai multe metode de determinarea parametrilor unei linii. Valoarea atenuarii liniei 'a' respectiv 1/a a unui fider necunoscut de 50Ω se poate determina prin masurarea VSWR la intrarea unui fider scurtcircuitat la capat. Puntea de masura RF1 de la Vectronics este suficienta pentru aceasta. Din rezultatul masuratorii se pot determina pierderile din tabela de mai jos sau din relatia ML=10*log((s+1)/(s-1)) rezulta aceasta pierdere.

Se observa: cu cat e mai mica valoarea s cu atit sint mai mari pierderile la adaptare.

Masuratoarea se face pe un fider cu o lungime de cca 10 m. Pierderile sint proportionale cu lungimea cablului. Cu aparatul de masura indicat mai sus se mascara cabluri de 50Ω. De aceia la masurarea unor cabluri cu alta impedanta. VSWR-ul trebuie recalculat pe impedanta reala a cablului. De exemplu un cablu coaxial de 50Ω este scurtcircuitat la capat cu o rezistenta de 50Ω VSWR=1. Un cablu de este scurtcircuitat la capat tot cu o rezistenta de 50Ω. In acest caz VSWR-ul este de 600/50=12. Impedanta este o marime complexa. Pentru aceasta marime masurata, precizia este suficienta daca se ia in considerare numai partea reala din marimea completa, marimea lui a poate fi determinata prim masurarea puterii reflectate (Pr) fata de puterea directa Ph pe un fider scurtcircuitat la capat a²=Pr/Ph.

Determinarea impedantei unui fider

Cu acelasi aparat de masura, se poate determina capacitatea fiderului deschis la capat respectiv impedanta lui in stare scurtcircuitata.Prin calculul radicalului raportului dintre inductanta si capacitate se poate determina cu o aproximatie destul de buna, impedanta cautata.

O alta metoda aplicabila pentru fidere scurte consta in masurarea impedantei la entrare cu diferite valori de rezistente reale care scurtcircuiteaza iesirea cablului si aceiasi masurare a impedantei la diferite frecventa. Daca impedanta la diferite conditii de masurare se micsoreaza rezulta ca rezistanta de iesire nu este egala cu rezistenta cablului. Aceasta incercare , la o frecventa si schimbind rezistentele de inchidere se repeta pina la obtinerea unui WSVR=1. In aceasta pozitie, impedanta cablului este egala cu valoarea rezistentei de scurtcircuitare.

Formule din literatura ca baza pentru calculul impedantei fiderului

Deoarece la cable coaxiale in general valoarea Ωr nu e cunoscuta, aceasta se determina fie din factorul de scurtare (v²=1/?r) daca acesta se cunoaste sau se mascara capacitatea cablului din care se poate determina valoarea Ωr. De asemenea factorul de scurtare v se poate determina prin masurarea impedantei minimale la un cablu cu lungimea de ?/2. Cu frecventa si cu lungimea fizica a fiderului se determina valoarea lui v. Acesta se afla intre 0.60�0.95.

Partea a doua a articolulul se va ocupa de scheme de adaptare adecvate.

Nikolaus Kintsch DL5MHR