{"id":1696,"date":"2017-02-03T20:56:38","date_gmt":"2017-02-03T19:56:38","guid":{"rendered":"http:\/\/www.crowave.com\/blog\/?p=1696"},"modified":"2017-02-04T22:52:39","modified_gmt":"2017-02-04T21:52:39","slug":"mjerenja-na-antenama-swr-pwr-fs-modulation","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.crowave.com\/blog\/2017\/02\/03\/mjerenja-na-antenama-swr-pwr-fs-modulation\/","title":{"rendered":"MJERENJA NA ANTENAMA – SWR, PWR, FS, MODULATION"},"content":{"rendered":"

Danas je nabavljeno nekoliko mjernih instrumenata koji se koriste za indikaciju pode\u0161enosti antene na izlazni krug radio predajnika. Ovi instrumenti se popularno zovu SWR metri jer mjere omjer stojnih valova (eng.\u00a0 Standing Wave Ratio<\/em>) naspram direktnih valova koje generira predajnik u antenskom vodu. Stojni valovi (ili reflektirani valovi)<\/span> nastaju u antenskom vodu uslijed neprilago\u0111enosti impedancije antene na impedanciju izvora. Nabavljena su tri karakteristi\u010dna primjerka SWR metra koji osim mjerenja SWR-a imaju jo\u0161 mogu\u0107nost mjerenja VF snage koju generira predajnik (POW, POWER), zatim mjerenja ja\u010dine elektromagnetskog polja oko antene (FS od eng. Field<\/em> Strength<\/em><\/span>), a jedan od instrumenata ima i mogu\u0107nost mjerenja modulacije AM signala te sadr\u017ei promjenjivi antenski filtar za prilago\u0111avanje impedancije antene. U ovu grupu instrumenata dodali smo i jedan mjera\u010d ja\u010dine prijemnog signala iz antene, te dva primjerka usmjernih spre\u017enika (eng. Directional Coupler<\/em>) koji su temeljni senzori za mjerenja na antenama i antenskim sistemima.<\/p>\n

\"swr_pwr_fs_modulation_meter_04\"<\/a><\/p>\n

KAKO NASTAJU STOJNI VALOVI<\/p>\n

Ako impedancija antene nije u potpunosti prilago\u0111ena na impedanciju izvora VF snage, tada \u0107e se dio snage koju predajnik \u0161alje prema anteni, umjesto da bude izra\u010dena u prostor, reflektirati od antene i antenskim vodom natrag vra\u0107ati prema izvoru, odnosno prema predajniku. Taj reflektirani val \u0107e u antenskom vodu biti fazno pomaknut od direktnog vala koji ide prema anteni. Na taj na\u010din u antenskom vodu imamo dva fazno pomaknuta vala iste frekvencije, od kojih jedan putuje od predajnika prema anteni, a drugi reflektirani putuje u suprotnom smjeru od antene prema predajniku.\u00a0 U takvom okru\u017eenju u antenskom vodu se stvara tre\u0107i val koji predstavlja (vektorski) zbroj opisana dva vala. Taj tre\u0107i val u vremenskoj domeni ne mijenja svoju fazu, ve\u0107 samo amplitudu, \u010dime \u0107e se u antenskom vodu po\u010deci i krajevi tog vala uvijek nalaziti na istom mjestu. Otuda naziv stojni valovi.\u00a0 Naravno, valovi se sastoje od strujne i naponske komponente pa \u0107e njihovi fazni pomaci rezultirati pojavom vi\u0161e stojnih valova \u010dije \u0107e amplitude biti to ve\u0107e \u0161to je ve\u0107a i refleksija. Fazni pomaci uzrokuju nejednoli\u010dnu raspodjelu jakosti VF struje i napona \u0161to stvara gubitke u prijenosnom vodu.<\/p>\n

 <\/p>\n

SWR – DEFINICIJA POJMOVA<\/strong><\/p>\n

Omjer reflektiranog napona (Ur)\u00a0 i direktnog napona (Ud)\u00a0 predstavlja faktor refleksije:<\/p>\n

\"swr_pwr_fs_modulation_meter_01\"<\/a>VSWR pak se definira kao omjer stojnih valova, odnosno omjer zbroja i razlike susjednih maksimuma napona (Ud+Ur) i minimuma napona (Ud-Ur) direktnog i reflektiranog vala za jednu odre\u0111enu frekvenciju.<\/p>\n

\"swr_pwr_fs_modulation_meter_02\"<\/a>Ovisno i mjerenju mo\u017ee se uspore\u0111ivati i omjer struja \u0161to se onda ozna\u010dava kao ISWR. SWR pak se u praksi naj\u010de\u0161\u0107e prikazuje kao omjer snaga (P) reflektiranog i ulaznog signala.<\/p>\n

\"swr_pwr_fs_modulation_meter_03\"<\/a>\u0160to se ti\u010de odnosa snage i napona znamo da je snaga je izravno proporcionalna kvadratu napona (P=U2\/R). To u kona\u010dnom izra\u010dunu zna\u010di da ako imamo omjer snaga ili SWR=1,5 tada to ozna\u010dava da je reflektirano 4% ulaznog signala, me\u0111utim ako je SWR=3 tada to ve\u0107 zna\u010di da je reflektirano 25% ulaznog signala.<\/p>\n

S obzirom da ovdje \u010ditavo vrijeme govorimo o omjeru, onda se kona\u010dna vrijednost SWR-a mo\u017ee izraziti nekom brojkom. Tako se npr. za omjer stojnih valova 3:1 mo\u017ee na\u0107i podatak da je SWR=3:1 ili je ista vrijednost prikazana kao SWR=1:3, odnosno mo\u017ee jednostavno pisati da je SWR=3. Ukoliko je SWR=1, to onda zna\u010di da nema reflektirane snage ve\u0107 je sva snaga predana anteni.<\/p>\n

 <\/p>\n

\u0160TO ZAPRAVO MJERIMO MJERENJEM SWR-a<\/strong><\/p>\n

\u010cesto se nailazi na podatke o tome koliki je najve\u0107i dopu\u0161teni SWR kako bi snaga predajnika bila u\u010dinkovito iskori\u0161tena i kako ne bi do\u0161lo do uni\u0161tenja izlaznih krugova predajnika. Naime, smatra se kako se reflektirana snaga iz antene vra\u0107a u predajnik gdje se ista apsorbira, odnosno pretvara u toplinu.\u00a0 Na taj na\u010din bi sva reflektirana snaga bila nekorisna, dakle ne bi se izra\u010dila preko antene kao korisna snaga ve\u0107 bi se vratila u predajnik gdje bi bila utro\u0161ena na zagrijavanje izlaznog stupnja predajnika i u krajnjem slu\u010daju uzrokovala njegovo uni\u0161tenje. To obja\u0161njenje je vrlo prakti\u010dno i jednostavno za shvatiti, me\u0111utim, u praksi stvari treba sagledati malo druga\u010dije.<\/p>\n

Naime, reflektirani val iz antene, kada dospije do predajnika, zapravo se ponovno reflektira prema anteni, pri \u010demu se dio tog ponovno reflektiranog vala izra\u010di preko antene, dio se apsorbira zbog gubitaka u prijenosnom vodu, a dio se ponovno vrati na ulaz predajnika. Refleksija vala se tako stalno ponavlja od predajnika preko antenskog voda do antene i obrnuto, sve dok se sva energija vala ne potro\u0161i na anteni ili u prijenosnom vodu. Stoga SWR (eng. Standing Wave Ratio – omjer stojnih valova) jest pokazatelj prilago\u0111enosti impedancije antene na izvor VF signala, me\u0111utim, nije pokazatelj korisne iskori\u0161tenosti snage jer i dio reflektiranih valova u ponovnoj refleksiji bude izra\u010den iz antene kao korisna snaga pribrojena snazi direktnog vala.<\/p>\n

Da bismo shvatili za\u0161to dolazi do efekta ponovnog odbijanja reflektirane energije moramo usvojiti pojam konjugiranog prilago\u0111enja. Kod konjugiranog prilago\u0111enja gledaju\u0107i od to\u010dke prilago\u0111enja prema izvoru vidimo jednu impedanciju, a gledaju\u0107i prema tro\u0161ilu vidimo njenu konjugiranu impedanciju, dakle impedanciju s istim realnim ali suprotnim imaginarnim dijelom. Upravo zbog pojave tih konjugirano kompleksnih impedancija u suprotnim smjerovima dolazi do efekta ponovnog odbijanja jednom reflektirane energije i njezinog tro\u0161enja dijelom u vodu i dijelom u neprilago\u0111enoj anteni. U praksi su izlazne impedancije izvora (izlaznog kruga predajnika) kao\u00a0 i antenskih vodova tvorni\u010dki standardizirane (uobi\u010dajeno na 50 \u2126) ili ih je mogu\u0107e jednostavno prilagoditi (obi\u010dno PI-filtrom na izlazu iz predajnika), te ako je ta rezonancija postignuta onda je i ispunjen uvjet konjugirano kompleksnog prilago\u0111enja. U tim uvjetima sva energija koja se reflektira od neprolago\u0111ene antene, u izlaznom filtru predajnika ponovno se reflektira prema anteni.<\/p>\n

Dakle prilagodni sklop (antenski tuner) na izlazu iz predajnika u koliko je u rezonanciji sa impedancijom antenskog voda (a \u0161to gotovo uvijek i jest slu\u010daj) \u0161titi aktivne izlazne stupnjeve predajnika. Ukoliko prilagodnog sklopa ne bi bilo moglo bi do\u0107i do uni\u0161tenja izlaznih komponenti predajnika zbog pojave prevelike struje ili prevelikog napona, ovisno o tome koliko bi se postigla strujna ili naponska rezonancija sa stojnim valovima. U praksi je dakle idealno posti\u0107i 50\u2126 optere\u0107enja na kraju antenskog voda, najgori slu\u010dajevi su kratki spoj ili beskona\u010dni otpor (otvoren vod bez optere\u0107enja). U slu\u010daju kratkog spoja na krajevima antenskog voda javit \u0107e se maksimalne struje, a u slu\u010daju otvorenog voda na krajevima \u0107emo imati maksimalni napon. Stoga je najgori slu\u010daj u praksi uklju\u010denje predajnika u rad bez antene, odnosno bez bilo kakvog optere\u0107enja, ili pak sa kratko spojenim izlazom na masu gdje se u najgorem slu\u010daju zbrajaju naponske ili strujne komponente valova u vodu na najve\u0107u mogu\u0107u vrijednost pa mo\u017ee do\u0107i do proboja izlaznih komponenti ovisno o tome za koje struje i napone su dizajnirane.<\/p>\n

Kad antenski vod ne bi imao gubitaka, u slu\u010daju izlaznog stupnja koji je u rezonanciji sa antenskim vodom, dakle u okolnostima stalnog reflektiranja energije izme\u0111u izvora i tro\u0161ila, zbrojevi svih tih odbijenih energija sa direktnom energijom izvora u kona\u010dnici bi pokazali da antena tro\u0161i svu energiju izvora bez obzira na neprilago\u0111enje voda na antenu i postojanje stojnih valova i SWR-a. No, s obzirom da svaki antenski vod ima gubitke zbog svojih elektri\u010dnih karakteristika (omski i dielektri\u010dni gubici) na koje se ne mo\u017ee utjecati, dio direktne kao i reflektirane snage \u0107e svaki puta u odre\u0111enoj mjeri biti potro\u0161en u vodu zbog tih gubitaka, no nikako ne u potpunosti. Time \u0107e dakle i samo dio reflektirane (SWR) snage biti izgubljen u gubicima voda, dok \u0107e ostatak biti potro\u0161en na anateni (u obliku zra\u010denja ili gubitaka antene), \u0161to zna\u010di da vrijednost izmjerenog SWR-a ne predstavlja vrijednost gubitka snage u prijenosu. Stvarni gubici su manji od izmjerene reflektirane snage pomo\u0107u SWR-a. Tu tako\u0111er treba primijetiti da u direktnom smjeru SWR ne mjeri samo snagu izvora ve\u0107 snagu izvora zbrojenu sa ponovno odbijenom reflektiranom snagom. Stoga kod predajnika ve\u0107e snage treba ra\u010dunati da se reflektirana snaga zbraja sa direktnom, pa time i dodatno optere\u0107uje antenski vod koji onda mora biti dizajniran da izdr\u017ei i tu dodatnu snagu.<\/p>\n

Ovdje ne\u0107emo ulaziti u detaljna obja\u0161njenja, no da bi se shvatile pojave koje nastaju u antenskom prijenosnom vodu treba prvo razumjeti nastajanje naponskih i strujnih faznih pomaka izme\u0111u direktnih i reflektiranih valova te impedanciju kao njihov omjer u svakoj to\u010dki prijenosnog voda. Ta impedancija ima svoj realni i imaginarni dio. Te\u017ei se tome da impedancija ima samo realni dio (radni, iskoristivi dio, \u010disti omski otpor), a da se imaginarni dio poni\u0161ti (reaktivni ili prividni otpor, kapacitivna ili induktivna komponenta). Imaginarni dio impedancije se poni\u0161tava spajanjem u seriju \u010diste imaginarne impedancije suprotnog predznaka. Stoga se prilagodni antenski elementi i filtri uglavnom sastoje od kapaciteta i induktiviteta, odnosno od kondenzatora i zavojnica. Poni\u0161tavanjem imaginarnih impedancija posti\u017ee se rezonancija.<\/p>\n

Impedanciju antene je te\u0161ko prilagoditi najvi\u0161e zato jer je njena impedancija ovisna o frekvenciji i okru\u017eju u kojem se nalazi. Stoga, iako tvorni\u010dke antene mogu imati deklaraciju da im je impedancija npr. 50 \u2126, to vrijedi samo za jednu odre\u0111enu frekvenciju i samo u odre\u0111enim uvjetima postavljanja te antene (na impedanciju antene utje\u010de i okolni prostor, tako da nije isto na kojoj je antena visini od zemlje i kojem je razmaku od drugih objekata u prostoru). Antenu moramo promatrati kao cjelinu koja uklju\u010duje sam antenski sustav, zatim prijelazni otpor iz antene u prostor, kao i sam prostor oko antene jer svi ovi \u010dimbenici utje\u010du na njenu impedanciju.<\/p>\n

U kona\u010dnici, a ono \u0161to je prakti\u010dno jako zanimljivo, izmjereni SWR mo\u017ee biti i vi\u0161estruko ve\u0107i od 3 (kao neke preporu\u010dene dopu\u0161tene granice), a da gubici u prijenosu snage budu mali, no tako\u0111er s druge strane izmjereni SWR mo\u017ee biti i mali, a da gubici pri tome budu svejedno veliki. Dakle bez obzira koliki je SWR kod realnog voda sa gubicima gotovo sva energija koju daje izvor utro\u0161it \u0107e se na anteni, ako se izlaznim filtrom predajnika postigne rezonancija. Kad ka\u017eemo da \u0107e se energija utro\u0161iti na anteni, to ne zna\u010di da \u0107e sva energija biti izra\u010dena iz nje. Dio energije \u0107e se pretvoriti u neki drugi oblik na anteni (toplinu) zbog samih gubitaka antene. Ako npr. na SWR metar umjesto antene spojimo la\u017enu antenu (\u010disti omski otpor) tada \u0107e izmjereni SWR biti 1, dakle idealan, a zapravo energija uop\u0107e ne\u0107e biti izra\u010dena u prostor nego \u0107e biti pretvorena u toplinu na otporniku la\u017ene antene. Dakle, SWR nije pokazatelj koliko je energije korisno izra\u010deno iz antene u obliku EM vala.<\/p>\n

Kad sagledamo sve navedeno postavlja se pitanje \u010demu nam onda uop\u0107e slu\u017ei SWR metar. Najve\u0107a vrijednost SWR metra spojenog u serijski krug predajnika i antene je zapravo indikacija stabilnosti toga sustava na na\u010din da se kontrolira stabilnost stojnih valova u antenskom vodu. Na primjer, ako smo utvrdili da nam neki sustav na nekoj frekvenciji odli\u010dno radi sa SWR=2, tada bi u radu uvijek trebali imati tu vrijednost. Ukoliko bi se ona zna\u010dajno promijenila, to bi bio siguran pokazatelj da je negdje do\u0161lo do poreme\u0107aja u sustavu (obi\u010dno o\u0161te\u0107enja ili prodor vlage na spojeve i konektore antena i antenskih vodova) zbog \u010dega se i promijenilo prvobitno stanje SWR-a.<\/p>\n

 <\/p>\n

GDJE MJERITI SWR<\/strong><\/p>\n

Kad bi imali vod bez gubitaka, tada bi SWR bio isti bez obzira gdje je mjeren i bez obzira koliko je vod neprilago\u0111en na antenu. No, zbog gubitaka koje unosi sam antenski vod prijenosu VF energije nije svejedno na kojem dijelu antenskog voda vr\u0161imo mjerenje SWR-a. U praksi gubici u antenskom vodu uvijek postoje i poznati su za svaki tip kabla (proizvo\u0111a\u010d ih daje u specifikacijama kao podatak o slabljenju u dB\/m), a ovise o karakteristici i du\u017eini kabla kao i frekvenciji vala koji se tim vodom prenosi. Dakle, kod antenskog voda sa gubicima, u slu\u010daju neprilago\u0111enja SWR je ni\u017ei na dijelu bli\u017ee predajniku, a vi\u0161i na dijelu bli\u017ee anteni. Ovo se doga\u0111a iz jednostavnog razloga jer je snaga reflektiranog vala oslabljenja tijekom putovanja kablom od antene natrag prema predajniku, pa \u0107e SWR na dijelu bli\u017ee predajniku i prikazati manju snagu od stvarno reflektirane na anteni.\u00a0 Stoga je za to\u010dno mjerenje SWR metar potrebno spojiti \u0161to bli\u017ee anteni. Ovo \u010desto nije prakti\u010dno jer se antene nalaze na stupovima i uglavnom nepristupa\u010dnim mjestima. Zato se SWR obi\u010dno mjeri odmah iza predajnika, no u tom slu\u010daju je potrebno uz pomo\u0107 podataka o antenskom vodu (du\u017eina, slabljenje) i radnoj frekvenciji izra\u010dunati slabljenje reflektiranog vala, odnosno stvarni SWR na anteni (postoje i gotovi dijagrami za ove izra\u010dune). Danas ve\u0107 postoje SWR metri sa ugra\u0111enim be\u017ei\u010dnim modulima za prijenos izmjerenih veli\u010dina, pa se takav SWR mo\u017ee prakti\u010dno i trajno montirani odmah do antene, \u010dime je izbjegnuta gre\u0161ka u o\u010ditanju zbog slabljenja antenskog voda. No zaklju\u010dno re\u010deno, mjerenje SWR-a bli\u017ee predajniku u praksi \u0107e uvijek dati manje (bolje) rezultate od stvarnih koji su prisutni u vodu.<\/p>\n

Osim zbog slabljenja antenskog voda pogre\u0161an prikaz vrijednosti SWR-a mo\u017ee nastati i zbog drugih efekata i pojava koje pod odre\u0111enim okolnostima nastaju u antenskom vodu kao \u0161to su promjena impedancije stojnog vala ili transformacijski efekt napojnog antenskog voda, no, unato\u010d mogu\u0107im pogre\u0161kama SWR metar je vrlo ra\u0161iren indikator stanja i prilago\u0111enosti antenskog sustava na predajnik, posebice jer je jednostavan i jeftin za izradu.<\/p>\n

 <\/p>\n

PRINCIP MJERENJA SWR-a<\/strong><\/p>\n

Pri prijenosu VF energije govorimo o naponskim i strujnim komponentama, odnosno o snazi, a te veli\u010dine su me\u0111usobno u poznatim odnosima u zatvorenom strujnom krugu. U praksi je najlak\u0161e direktno izmjeriti napon, pa je tipi\u010dni SWR metar zapravo naj\u010de\u0161\u0107e VSWR metar sa skalom ba\u017edarenom u vatima. Indirektno mjerenje napona ima najmanji utjecaj na antenski vod pa takav (V)SWR mo\u017ee biti trajno spojen serijski u krug predajnika i antene.\u00a0 Iz navedenih razloga u praksi se oznake VSWR i SWR \u010desto mije\u0161aju.<\/p>\n

Postoji nekoliko razli\u010ditih izvedbi SWR metra. Osnovna podjela je prema na\u010dinu uzimanja dijela VF energije iz antenskog voda u svrhu mjerenja, pa tako imamo SWR metre koji se baziraju na usmjernom spre\u017eniku (eng. Directional coupler) i SWR metre koji se baziraju na strujnom transformatoru. Kod SWR metra sa usmjerenim spre\u017enikom prenesena snaga na mjerne \u017eice jako ovisi o frekvenciji pa se za svako mjerenje na razli\u010ditoj frekvenciji instrument mora ponovno kalibrirati. Kod SWR metra sa strujnim transformatorom pokazivanje ne ovisi o frekvenciji ali su ovi instrumenti donekle slo\u017eeniji za izradu. Koriste se VF transformatori sa feritnom (obi\u010dno prstenastom) jezgrom.<\/p>\n

Druga podjela SWR metra je prema na\u010dinu prikaza izmjerenih veli\u010dina, pa tako imamo SWR metre sa jednim instrumentom, sa dva instrumenta, sa jednim dvostrukim instrumentom sa ukri\u017eenim kazaljkama ili sa digitalnim, odnosno ra\u010dunalnim prikazom vrijednosti. Ovisno o na\u010dinu prikaza donekle se razlikuju i postupci mjerenja tim instrumentima:<\/p>\n