Lloyd Butler VK5BR

Traducerea: Valerică Costin, YO7AYH
Acest articol se găseşte la: http://www.qsl.net/vk5br/MeasBalLine.htm

Introducere

Am fost adesea întrebat cum pot fi utilizate instrumentele comune din atelierul unui radioamator pentru măsurarea performanţelor liniilor de transmisie simetrice. Aceasta este o întrebare bună ţinând cont că instrumente ca puntea de zgomot sau reflectometrul, în forma lor uzuală, sunt făcute pentru linii de transmisie asimetrice, având un conductor de pământ comun. Mai mult, un reflectometru uzual este făcut pentru linii asimetrice cu impedanţa caracteristică de 50 ohmi sau uneori pentru 75 ohmi, în timp ce liniile simetrice, cum ar fi panglica TV sau scăriţa, au o impedanţă caracteristică mai mare, de exemplu 300 ohmi. Se pare că în literatura pentru radioamatori acest subiect nu a fost tratat şi de aceea m-am decis să experimentez câteva idei utilizând aceste instrumente pe liniile simetrice şi care operează în benzile HF.

Mai întâi voi descrie modul de utilizare a circuitelor de simetrizare, care se conectează la puntea uzuală de zgomot folosită de radioamatori. Am în vedere, deasemenea, şi reflectometrul. În procesul de experimentare eu am construit un reflectometru special pentru linii simetrice, instrument care va fi descris, dar mai întâi voi descrie un reflectometru pentru liniile asimetrice, considerând cunoscut principiul de funcţionare al acestuia. Majoritatea radioamatorilor utilizează aceste instrumente dar, mă întreb cât de mulţi dintre ei înţeleg semnificaţia măsurătorilor efectuate.

Folosirea transformatoarelor de tip balun pentru măsurători

Într-o linie simetrică se pot efectua măsurători utilizându-se un transformator de RF cu raportul 1:1 şi care are un cuplaj foarte strâns între primar şi secundar. Cuplajul foarte strâns se obţine bobinând bifilar (un conductor pentru primar şi celălalt pentru secundar) pe un tor corespunzător din ferită sau din pudră de fier. Modul de conectare prezentat în figura 1A nu este satisfăcător pentru scopuri de măsurare, pentru că există o capacitatea parazită neechilibrată (necompensată) între primarul alimentat nesimetric şi secundar. O ecranare electrostatică între primar şi secundar ar rezolva această problemă dar ar fi foarte dificil să fie aplicată menţinând în acelaşi timp un cuplaj foarte strâns.

O conexiune mult mai satisfăcătoare este arătată în figura 1B în care fiecare căpăt al liniei este trecut prin una din cele două înfăşurări. Pentru o sarcină simetrică curentul IB din fiecare înfăşurare este egal dar în opoziţie de fază unul cu altul, câmpul magnetic al fiecărui curent anulându-se reciproc, rezultând astfel o inductanţă nulă. Pentru orice semnal de mod comun transformatorul acţionează ca un şoc inductiv, curenţii IC1 şi IC2 din ambele înfăşurări fiind în fază.

Fig. 1. Două forme ale unui transformator 1:1 utilizat pentru a conecta un circuit simetric cu un circuit asimetric (balanced to unbalanced, adică balun)

Interwinding capacitance = capacitatea dintre înfăşurări;

Unbalanced source = sursă asimetrică (neechilibrată, un capăt al sursei este conectat la masă);

Balanced load = sarcină simetrică.

Mai mult, dacă între curenţii de sarcină IB1 şi IB2, care trec prin cele două înfăşurări, există un dezechilibru, cauzat de o impedanţă asimetrică între sarcină şi pământ, transformatorul acţionează ca un şoc pentru diferenţa de curenţi (IB1-IB2) sau (IB2-IB1). În acest caz transformatorul acţionează ca un şoc inductiv pentru toţi curenţii, cu excepţia curentului de sarcină.

Puntea de zgomot

Puntea de zgomot este un dispozitiv pentru măsurarea reactanţei şi a rezistenţei unei sarcini RF care are un capăt conectat la pământ. Rotorul condensatorului de acord este conectat la pământ (vezi figura 2), iar ieşirea pentru receptor are un capăt, deasemenea, conectat la pământ. La un moment dat am luat în considerare posibilitatea unui nou circuit, cu toată puntea flotând deasupra pământului, dar această situaţie ar fi prezentat anumite probleme reale de proiectare. Totuşi, am constatat că s-au obţinut rezultate rezonabile prin conectarea liniei simetrice testate, prin intermediul circuitului şoc ca cel din figura 1B şi prezentat în figura 2.

Fig. 2. Punte de zgomot utilizată pentru măsurarea impedanţei liniei simetrice prin intermediul balunului şoc

Pentru frecvenţe sub 10 MHz am utilizat 12 spire bifilare pe un miez toroidal din ferită de la Amidon de tipul FT50-72. Metoda de bobinaj introduce totuşi o capacitate care şuntează circuitul. Pentru frecvenţe peste 10 MHz am constatat că sunt suficiente 5 spire, ceea ce conduce şi la micşorarea erorii cauzată de capacitatea de şuntare.

O problemă a configuraţiei uzuale a punţii de zgomot este că rezistenţa maximă măsurabilă este de numai 250 ohmi sau chiar mai puţin, în timp ce impedanţa liniei simetrice de tip panglică este de 300 ohmi, iar impedanţa caracteristică a scăriţei este mult mai mare de 300 ohmi. Puntea de zgomot pe care am construit-o eu poate măsura rezistenţe până la 800 ohmi.

O metodă de măsurare alternativă constă în conectarea liniei simetrice prin intermediul unui balun de tip candelabru, ca cel prezentat în figura 3.

Fig. 3. Conexiunea de tip candelabru oferă o transformare de impedanţe de 4:1

Pentru acest balun s-au folosit două transformatoare similare celui prezentat în figura 1B, conectate ca în figura 3, conexiune care realizează o transformare de impedanţe de 4:1. Circuitul din figura 3, care este o extensie a circuitului din figura 1B are intrările celor două transformatoare în paralel şi ieşirile în serie (se consideră intrarea pe partea 4Z₀ şi ieşirea pe la Z₀). Măsurătorile de rezistenţe şi reactanţe sunt indicate de punte ca un sfert din valoarea reală. De exemplu, rezistenţa de 300 ohmi va fi interpretată ca fiind de 75 ohmi.

Am constatat că cele două metode metode de măsurare sunt satisfăcătoare pe o line de transmisie cu condiţia ca linia să fie bine echilibrată, ca în cazul în care linia se termină într-o antenă alimentată la centru. Dacă există un anumit grad de dezechilibru, ca în cazul în care linia este utilizată pentru alimentarea la un capăt al unei antene, atunci măsurătorile efectuate sunt discutabile. În acest caz, inversarea conductoarelor de alimentare către linie conduc la o indicaţie diferită a impedanţei. Eu suspectez că impedanţa reală a liniei, în cazul în care aceasta este conectată la o sarcină simetrică, este o anumită medie matematică între cele două citiri, dar nu sunt sigur.

Am constatat că componenta neechilibrată (necompensată) ar putea fi esenţial eliminată prin utilizarea unui circuit de tip candelabru care divizează cu 4 dar, pentru a izola şi mai mult intrarea sa faţă de circuitul punţii de zgomot se utilizează în plus un balun şoc ca cel din figura 1B. Sistemul complet este arătat în figura 4.

Fig. 4. Aranjament îmbunătăţit al punţii de zgomot pentru măsurarea liniilor, utilizând un balun şoc 1:1 conectat cu un circuit candelabru cu raporul 1:4

Utilizând acest circuit, conductoarele liniei de alimentare pot fi inversate fără ca indicaţia să se schimbe, chiar dacă linia a fost puţin dezechilibrată. Eu recomand această schemă de circuit ca fiind sistemul de măsurare preferat.

Referitor la proiectarea transformatorului toroidal, reactanţa inductivă a unei înfăşurări ar fi suficientă ca să acţioneze ca un şoc pentru impedanţa care urmează să fie măsurată (să zicem de 10 ori impedanţa). Pe de altă parte, dacă s-ar utiliza un număr de spire cât mai mic, atunci s-ar reduce capacitatea dintre înfăşurări. Pentru a obţine inductanţe de valori ridicate cu un număr mic de spire este necesar un miez de ferită cu o permeabilitate ridicată. Miezurile Amidon FT50-72, pe care eu le-am folosit, au permeabilitatea iniţială 2000.

Înainte de a efectua orice măsurătoare pe o linie de transmisie, circuitul poate fi verificat utilizând un rezistor cu valoarea egală cu impedanţa caracteristică a liniei. Această verificare ne va da o indicaţie a preciziei sistemului şi ne va indica dacă va fi introdusă vreo reactanţă apreciabilă de către reţeaua de echilibrare. Acest aspect devine important la frecvenţe apropiate de 30 MHz unde rezultatul poate fi în principal afectat de o mică capacitate de şuntare şi o inductanţă a conductoarelor.

SWR-metrul (reflectometrul)

Înainte de introducerea măsurării raportului de undă staţionară pe liniile simetrice consider că este util să discutăm mai întâi despre principiul de funcţionare al unei punţi pentru măsurarea raportului de undă staţionară. Majoritatea radioamatorilor ar putea explica că instrumentul măsoară cumva puterea directă şi puterea reflectată şi că acesta face raportul dintre maximum şi minimum undei de tensiune sau de curent de pe linia de transmisie. Să examinăm mai îndeaproape modul de funcţionare a acestui aparat.

Instrumentul functionează pe baza comparării a două tensiuni. Una dintre tensiuni se obţine din tensiunea dintre conductoarele liniei de transmisie şi este proporţională şi în fază cu tensiunea liniei de transmisie. Cealaltă tensiune este obţinută din curentul prin linie şi este proporţională şi în fază cu curentul prin line. Unele tipuri de reflectometre utilizează "bare" (linii) paralele cu un conductor prin care trece curentul din linia de transmisie. La aceste instrumente tensiunea proporţională cu curentul din linie se obţine prin cuplaj inductiv între conductorul central şi cele două bare paralele, iar tensiunea proporţională cu tensiunea dintre conductoarele liniei de transmisie se obţine prin cuplaj capacitiv între conductorul central şi cele două bare paralele. Majoritatea reflectometrelor, cel mai adesea utilizate în VHF/UHF, sunt etalonate şi în putere, indicaţia puterii variind cu frecvenţa. De aceea aceste instrumente necesită o diagramă de calibrare în funcţie de frecvenţă.

Un reflectometru, care poate fi construit aproape de orice radioamator, utilizează un transformator toroidal de curent, cu care se obţine componenta de tensiune proporţională cu curentul din linia de transmisie, şi un divizor rezistiv de tensiune, cu care se obţine componenta de tensiune proporţională cu tensiunea dintre conductoarele liniei de transmisie. Un circuit tipic, luat din Amateur Radio, noiembrie 1969, este arătat în figura 5. Metodele utilizate pentru obţinerea celor două componente de tensiune fac ca acestea să fie constante şi să nu depindă de frecvenţă, şi prin urmare nu mai este necesară diagrama de calibrare în funcţie de frecvenţă. Tipul de circuit prezentat în figura 5 poate funcţiona până la 70 MHz. Pentru o explicaţie mai în detaliu vom utiliza circuitul din figura 5.

Fig. 5. Un SWR-metru / powermetru tipic pentru HF (după Amateur Radio, Noiembrie 1969). Sensibilităţi de 0.5; 5; 50 şi 500 waţi pentru linii de 50 ohmi, cu valoarea rezistenţei R2 (în paralel cu VR1, dacă acesta este introdus în circuit) = 220 ohmi. (Notă: pe poziţiile comutatoarelor S1a şi S1b sunt menţionate domenii de sensibilitate duble fată de cele reale). Pentru linii de 75 ohmi R2=150 ohmi (n.t. probabil R2 în paralel cu VR1 = 150 ohmi), iar calibrarea este diferită. Cablul coaxial actionează ca un ecran electrostatic între conductorul central şi bobinajul din secundarul transformatorului toroidal de curent. Lungimea cablului nu este importantă. Secţiunile S1a şi S1b ale comutatorului pentru sensibilitate sunt acţionate simultan.

Short length of coaxial cable = lungime scurtă de cablu coaxial;

12 turns, 24 SWG wire on Mullard FX 1596 core = 12 spire, 0.5 mm diametru, pe un miez Mullard FX 1596;

D1, D2, matched OA91 = diode sortate (împerecheate) de tipul OA91;

FSD 50  = capul de scală al instrumentului este de 50 .

Componenta tensiunii derivată (obţinută) din curentul din linie şi proporţională cu curentul din linie, notată cu  (indicele  vine de la curent), se găseşte pe oricare dintre cele două rezistoare de 27 ohmi, marcate cu R. Componenta  se calculează astfel:

unde  este curentul din linie şi  reprezintă numărul de spire din secundarul transformatorului de curent; este evident că în primar există o singură spiră.

Componenta  a tensiunii, derivată din tensiunea dintre conductoarele liniei de transmisiei (indicele  vine de la tensiune), şi care este proporţională şi în fază cu aceasta, este egală cu raportul divizorului de tensiune format din "VR1 în paralel cu R2" şi conectat în serie cu R1. Valorile T, R, R1 şi "R2 în paralel cu RV1" sunt alese cu atenţie astfel încât să se obţină , atunci când rezistenţa de sarcină este egală cu impedanţa caracteristică a liniei (50 sau 75 ohmi).

Fig. 6. Diagrame vectoriale pentru explicarea funcţionării SWR-metrului (vezi textul)

În schema electrică din figura 5 distingem două circuite detectoare cu care se realizează suma dintre cele două tensiuni,  şi . Un circuit, pe care îl vom numi "direct" (vezi figura 5), adună aceste tensiuni. Celălalt circuit, pe care îl vom numi "invers" (vezi figura 5), adună şi el aceste tensiuni, dar în acest circuit componenta tensiunii proporţională cu curentul din linie, , este opusă tensiunii  din circuitul "direct", vezi diagramele vectoriale din figura 6. Dacă sarcina este rezistivă şi egală cu impedanţa caracteristică a liniei, Z₀, atunci în circuitul "direct" cele două componente  şi  sunt în fază şi egale, şi tensiunea rezultantă este  (vezi figura 6).  Pentru circuitul "invers" rezultanta este zero (vezi figura 6B), şi prin urmare raportul , dintre valoarea tensiunii  din circuitul "invers" şi valoarea tensiunii  din circuitul "direct" este zero.

Dacă rezistenţa de sarcină nu este egală cu impedanţa caracteristică Z₀ a liniei (dar sarcina nu are reactanţă), aşa cum este prezentat în figura 6C şi 6D, atunci în circuitul "invers" va rezulta o valoare finită diferită de zero pentru tensiunea rezultantă , iar raportul  dintre valoarea tensiunii  din circuitul "invers" şi valoarea tensiunii  din circuitul "direct" este, de data aceasta, finit (diferit de zero).

Al treilea caz (figurile 6E şi 6F) arată o impedanţă de sarcină egală cu Z₀, dar reactivă (sarcina are şi reactanţă), şi prin urmare curentul prin linie nu mai este în fază cu tensiunea pe sarcină. Din nou în circuitul "invers" tensiunea rezultantă  este finită (diferită de zero), iar raporul  dintre valoarea tensiunii  din circuitul "invers" şi valoarea tensiunii  din circuitul "direct" este, şi de data aceasta, finit (diferit de zero).

Se poate vedea că instrumentul este un circuit punte care ne indică ("cântăreşte") când există o sarcină rezistivă egală cu Z₀ şi măsoară, prin raportul , gradul în care sarcina deviază în impedanţă de la această valoare rezistivă Z₀. Când acest circuit (cel din figura 5) este conectat la o linie de transmisie, raportul  devine, deasemenea, egal şi cu raportul dintre valoarea tensiunii de pe linia de transmisie a undei reflectate şi valoarea tensiunii de pe linia de transmisie a undei directe (incidente).

Nota traducătorului: În alte publicaţii raportul  mai este notat cu ,  sau . El este denumit "coeficientul de reflexie". , unde , ,  şi  sunt valorile efective ale tensiunii reflectate şi directe din linia de transmisie, şi respectiv puterea (valoarea medie pe o perioadă) din unda reflectată şi din cea directă.

În timpul operării, sensibilitatea instrumentului se alege astfel încât instrumentul din circuitul "direct" să indice capătul de scală, care reprezintă tensiunea din unda directă de pe linia de transmisie. În acest caz, instrumentul din circuitul "invers", destinat pentru măsurarea tensiunii din unda reflectată, va indica raportul  dintre valoarea tensiunii  din circuitul "invers" şi valoarea tensiunii  din circuitul "direct", care de fapt reprezintă raportul dintre tensiunea din unda reflectată si tensiunea din unda directă. Relaţia dintre SWR (raportul de undă staţionară) şi coeficientul de reflexie  este următoarea:

Practica curentă este ca scala instrumentului din circuitul "invers" să fie calibrată în SWR (în raport de undă staţionară), aşa cum este definit de formula menţionată mai sus. Instrumentul din circuitul "direct" este calibrat în putere, bazat pe formula , unde  este tensiunea din linia de transmisie pentru cazul în care .

Majoritatea radioamatorilor din zilele noastre utilizează un SWR-metru (reflectometru), dar îndrăznesc să spun că ei îl folosesc mai mult pentru a se asigura că sarcina transmiterului lor este de 50 ohmi, în loc să verifice SWR-ul pe linia de transmisie. Dacă între SWR-metru şi linia de transmisie este conectat un dispozitiv de adaptare (sau de acord), atunci radioamatorul nu are nici-o indicaţie referitoare la undele staţionare existente pe linia de transmisie (care este amplasată între circuitul de adaptare şi antenă), nu există nici-o relaţie între ceea ce se citeşte pe instrument şi undele sţionare care sunt pe linie.

Cât de des auzim în bandă pe cineva spunând că are un SWR=1:1 pentru a explica cât de bine este reglat sistemul său de antenă, când de fapt el ne spune cât de bine este încărcat emiţătorul lui cu impedanţa de sarcină corectă. După ce-şi trage respiraţia, ne spune în continuare că el utilizează un "Z match", sau "transmatch", sau cine ştie ce, şi în realitate el nu are nici-o idee despre proporţia de unde staţionare existente pe linia de transmisie către antenă, sau despre pierderea de putere pe care undele staţionare ar putea să o cauzeze.

Putem folosi SWR-metrul ca să verificăm performanţa unei sarcini artificiale de RF. Adesea constatăm o anumită valoare a raportului de undă staţionară la verificarea unei sarcini artificiale, pentru o anumită frecvenţă. Această afirmaţie este anormală, deoarece lungimea conexiunii până la rezistenţa sarcinii artificiale este foarte scurtă, practic o fracţiune din lungimea de undă, şi nu putem vorbi de unde staţionare. Utilizând, deci, o punte SWR pentru verificarea unei sarcini artificiale, verificăm de fapt deviaţia în impedanţă de la valoarea nominală R a rezistenţei artificiale de sarcină. Dacă există o anumită deviaţie, atunci se va înregistra o valoare a SWR-ului similară cu a unei linii de transmisie pentru care Z₀=R. În timpul operării staţiei această valoare a SWR-ului se va păstra.

Prin urmare, un SWR-metru nu este un dispozitiv special care printr-o "magie" oarecare separă unda directă de unda reflectată şi apoi calculează SWR-ul (raportul de undă staţionară). El este un circuit punte care detectează deviaţia de impedanţă de la o anumită rezistenţă nominală dată şi este calibrat în valori ale SWR-ului pe linia de transmisie (raport de undă staţionară pe linia de transmisie).

În concluzie, ca să măsurăm raportul de undă staţionară pe linie trebuie să amplasăm un SWR-metru (reflectometru) la intrarea în linie. Dacă linia este simetrică, sau dacă are un Z₀ diferit de valoarea pentru care a fost proiectat, atunci este nevoie de un anumit transformator. Acest transformator va produce chiar el o anumită indicaţie pe instrument.

Din cauza pierderilor în linia de transmisie, valoarea SWR-ului va fi totdeauna mai mare la sfârşitul liniei (lângă antenă) decât la începutul liniei. O astfel de amplasare este însă dificil de realizat. Dacă linia este simetrică atunci ar trebui utilizat un SWR-metru pentru linii simetrice. În continuare veţi vedea că am făcut un efort să proiectez un astfel de instrument. Recunosc că l-am amplasat la intrarea în linie, nu am făcut nici-o încercare să-l instalez la sfârşitul liniei.

Referitor la figura 5, eu am construit un astfel de circuit cu câţiva ani în urmă. Trebuie reţinut că am adăugat un mic condensator în paralel cu R2 astfel încât instrumentul să bine echilibrat la capătul superior al benzii HF. Se pare că acest condensator este necesar pentru corectarea capacităţii parazite (de câţiva picofarazi) în paralel cu R1. Această informaţie poate fi de folos celor care doresc să construiască un astfel de dispozitiv.

Un SWR-metru pentru linii simetrice

Ca un exerciţiu, am construit un SWR-metru pentru linii simetrice. Principiul de funcţionare se bazează pe circuitul din figura 5. A fost nevoie de câte un transformator de curent toroidal pe fiecare conductor al liniei de transmisie simetrice şi de un circuit de sesizare a echilibrului de tensiune (a egalităţii dintre două tensiuni). De pe un cablu coaxial s-a îndepărtat învelişul exterior, cât şi împletitura (ecranul). În felul acesta conductorul central este izolat de dielectricul coaxialului. O astfel de lungime de coax s-a trecut prin fiecare miez toroidal formând astfel cele două ramuri ale liniei de transmisie supuse măsurării. În final am reintrodus o lungime de împletitură pe dielectricul fiecărui conductor, provenit din cablul coaxial, în porţiunea care trece prin toruri, cu scopul formării unui ecran electrostatic. Am constatat că acest ecran este necesar ca să corecteze o anumită eroare de nesimetrie cauzată de cuplajul capacitiv cu înfăşurările secundare ale transformatoarelor de curent. (în versiunea de SWR-metru pentru linii asimetrice din figura 5, unde conductorul care trece prin torul transformatorului de curent este ecranat, această capacitate parazită nu era sesizabilă).

Circuitul SWR-metrului pentru linii simetrice este arătat în figura 7. Constantele circuitului au fost stabilite pentru o linie simetrică de 300 ohmi, impedanţă care se potriveşte cu impedanţa caracteristică a liniilor simetrice pentru TV sau a unor linii de tip scăriţă. Cele două transformatoare de curent (T2, T3) au un raport al numărului de spire de 10:1. Înfăşurările secundare ale acestor transformatoare sunt conectate în serie. (Ele lucrează destul de bine şi dacă sunt conectate în paralel). Circuitul conţine un divizor de tensiune format din R10 în serie cu "R6 în paralel cu R7" şi cu "R8 în paralel cu R9". Divizorul de tensiune este cuplat cu circuitul de combinare şi detectare a semnalului de măsură prin intermediul transformatorului T4.

Fig. 7. SWR-metru / power-metru construit de VK5BR pentru linii simetrice cu impedanţa caracteristică egală cu 300 ohmi;

T1 = 6 spire bobinate bifilar pe un miez toroidal Philips TDK2609 cu un diametru de 30 mm şi cu permitivitatea iniţială ;

T2, T3 = 10 spire fiecare, pe miezuri toroidale Amidon FT50-72, ;

T4 = 10 spire bobinate bifilar pe un miez toroidal FT50-72

Se părea că totul este simplu, dar am întâmpinat o serie de probleme legate de simetrizarea circuitului şi de curenţii de mod comun. Am constatat că este necesar să izolez emiţătorul (care este sursa) cu balunul şoc T1 pentru a îmbunătăţi simetria la intrarea în instrument. Trebuie să menţionez că emiţătorul fusese deja conectat printr-un balun de emisie standard cu raportul 4:1. Pentru T1 am utilizat un tor de ferită de la Philips, cu un diametru de 30 mm, cu o permeabilitate ridicată, tor pe care l-am avut la îndemână.

Anumite linii de transmisie, care au avut probleme de simetrie, au arătat valori diferite ale SWR-ului atunci când se inversau conductoarele liniei conectate la reflectometru. Aceste probleme au fost similare cu cele apărute la folosirea punţii de zgomot. Problema a constat din asimetria circuitului sursă (ieşirea asimetrică din emiţător) şi din acest motiv a fost nevoie de şocul de intrare în SWR-metru.

Transformatorul de izolare T4 joacă un rol important în minimalizarea efectelor discutate. Pentru acest transformator se pare că conexiunea convenţională, ca cea din figura 1A, este mult mai eficientă pentru acest circuit decât şocul din figura 1B.

Am încercat toate felurile de aranjamente pentru simetrizare, dar am finalizat cu circuitul prezentat. În timpul măsurilor luate nu am eliminat complet răspunsul la un semnal nesimetric, dar am decis că nivelul acestui răspuns a fost redus destul de mult încât l-am tolerat.

Linii simetrice cu impedanţa caracteristică diferită de 300 ohmi

SWR-metrul din figura 7 a fost proiectat pentru o linie simetrică cu impedanţa caracteristică de 300 ohmi, dar instrumentul se poate folosi şi pentru linii care au o altă valoare a impedanţei caracteristice. În acest scop se poate modifica doar valoarea rezistorului R10. Valoarea rezistorului R10 este invers proporţională cu Z₀. De exemplu, pentru Z₀ = 600 ohmi, înjumătăţiţi valoarea rezistorului R10. Nu am încercat instrumentul pentru niciuna din celelalte impedanţe, dar aşa trebuie procedat. Pentru o calibrare de putere corectă trebuie, deasemenea, schimbate şi rezistoarele instrumentului. Acestea sunt schimbate în proporţie inversă cu rădăcina pătrată a schimbării de impedanţă. Pentru Z₀=600 ohmi, divizaţi valoarea rezistoarelor instrumentului prin rădăcina pătrată a lui 2 (n.t. fiecare dintre rezistoarele R3, R4, R5 se micşorează de aproximativ  ori).

Verificarea echilibrării (a simetriei instrumentului)

Este dificil de obţinut sarcini de putere ridicată cu impedanţa de 300 ohmi şi neinductive, dar echilibrarea (simetrizarea) este uşor verificată prin utilizarea transmiterului la putere redusă şi încărcând SWR-metrul cu rezistoare de 1 W sau 2 W conectate în aşa fel încât să se obţină 300 ohmi. Cu comutatorul SW1 pe poziţia "direct" (în figura 7 pe poziţia "F") şi cu comutatorul SW3 pe poziţia de putere cea mai scăzută (poziţia de 5 W), se aplică putere prin SWR-metru către sarcina de 300 ohmi astfel încât instrumentul să devieze la capătul de scală. Puterea se aplică atât timp cât este necesar pentru efectuarea testului fără să se distrugă rezistenţa de sarcină. Când comutarorul SW1 se pune pe poziţia "invers" sau reflectat (în figura 7 pe poziţia "R") sarcina de 300 ohmi ar trebui să conducă la o indicaţie scăzută a instrumentului (în jurul valorii 1:1) pe toate frecvenţele HF.

Calibrarea instrumentului

Pentru calibrarea scalei instrumentului se foloseşte tabelul de mai jos:

SWR-metru pentru 75 ohmi cu balun tip candelabru

Deşi majoritatea SWR-metrelor sunt construite pentru impedanţa de 50 ohmi, multe dintre ele au un comutator pentru a selecta 50 ohmi sau 75 ohmi. SWR-metrele care utilizează divizoare de tensiune (ca cel din figura 5) pot fi uşor convertite pentru 75 ohmi prin modificarea valorii rezistenţei R2 în paralel cu VR1 (în figura 5 s-a menţionat că valoarea acestui grup de rezistenţe în paralel trebuie să fie 150 ohmi).

O altă metodă pe care am folosit-o pentru verificarea SWR-ului la o linie cu impedanţa caracteristică de 300 ohmi a fost cuplarea unui SWR-metru pentru 75 ohmi la linia de 300 ohmi prin intermediul unui balun candelabru, aşa cum se arată în figura 8.

Fig.8. Măsurarea SWR-ului pe o linie simetrică, cu impedanţa caracteristica de  300 ohmi, cu ajutorul unui SWR-metru pentru 75 ohmi şi a unui circuit candelabru. T1 şi T2 sunt bobinaţi bifilar cu 19 spire pe miezuri de ferită de la Amidon, cu .

Miezurile toroidale ale transformatoarelor T1 şi T2 trebuie să fie destul de mari pentru a putea transfera toată puterea de RF care trece prin înfăşurările lor. Eu am folosit miezuri de ferită de la AMIDON de tipul FT114, care au diametrul interior de 29 mm. Înfăsurările sunt bobinate bifilar cu câte 19 spire fiecare, care conduc la o inductanţă calculată de 29 microhenry. Acest număr de spire pare să fie un compromis bun între o reactanţă inductivă suficientă şi o capacitate între spire cât mai mică, pentru majoritatea benzilor HF.

Am fost încântat de modul în care a lucrat acest sistem de măsurare. Nu am întâmpinat niciuna din problemele care au apărut la SWR-metrul pentru linii simetrice (figura 7). Dacă acest instrument se amplasează la capătul dinspre  transiver al liniei de transmisie, atunci acest sistem de măsurare se pare a fi cel mai bun. Pentru măsurători la capătul dinspre antenă al liniei de transmisie atunci ar trebui utilizat instrumentul pentru linii simetrice, cel descris în figura 7.

Am încercat să adaug încă un balun şoc 1:1 la intrarea în candelabru, aşa cum am găsit că a fost necesar la utilizarea punţii de zgomot. Cu toate acestea performanţele nu s-au îmbunătăţit, ba mai mult a avut tendinţa să modifice impedanţa reflectată la frecvenţele cele mai ridicate.

Ne-am putea întreba cum este posibil ca o conexiune de tip balun, cu raportul de impedanţe 4:1 (figura 9), să performeze la fel ca un circuit de tip candelabru. Această conexiune este una de tip autotransformator şi probabil că nu rejectează suficient semnalele de mod comun. Când am utilizat acest tip de transformator am întâmpinat probleme la inversarea conductoarelor liniei.

Figura 9. Circuitul balun uzual 1:4 realizează o slabă rejecţie a semnalului de mod comun

R_L 200 bal = rezistenţă de sarcină simetrică de 200 ohmi;

R_L 200 HI-Z = reaistenţă de sarcină de 200 ohmi, impedanţă ridicată;

R_M 50 LO-Z = 50 ohmi impedanţă joasă, asimetrică (cu R_M s-a notat probabil impedanţa "modificată" a sarcinii, adică 200:4=50 ohmi);

Indicates phasing = punctul negru indică fazarea înfăşurărilor (începutul înfăşurărilor dacă s-a bobinat bifilar, deci în acelaşi sens).

Transformatorul balun din figura 9 a fost unul dintre cele care se pot cumpăra ca şi kit de 1kW, cu miez de pudră de fier T200 de la Amidon. Pe miez au fost bobinate 14 spire. Când acest balun a avut ca sarcină o rezistenţă de 300 ohmi el a reflectat o considrabilă componentă reactivă la frecvenţele HF cele mai joase (n.t. probabil că în primar a apărut o considerabilă componentă reactivă, s-a "reflectat" în primar).  Această comportare a fost verificată cu puntea de zgomot. Utilizând SWR-metrul pentru 75 ohmi am obţinut următoarele valori: pe 21 MHz şi 28 MHz SWR-ul a fost 1.2:1, pe 7MHz a crescut la 1.8:1 şi pe 3.5 MHz a crescut la la 2.8:1.

Acest rezultat este interesant. Să presupunem că utilizaţi acest balun tipic de bandă largă la 3.5 MHz ca să cuplaţi o linie de transmisie şi apoi reglaţi adaptarea la capătul dinspre antenă cu ajutorul unui ştub sau cu altceva. Veţi regla pentru un raport 1:1 indicat pe instrument, dar de fapt veţi obţine o neadaptare şi unde staţionare pe linie. Cauza constă în numărul prea mic de spire pentru frecvenţele joase. Cu câtva timp în urmă am făcut câteva teste cu acest miez utilizând o conexiune a înfăşurărilor de 1:1 şi o rezistenţă de sarcină de 50 ohmi. Am tras concluzia că pentru a obţine performanţe mai bune, numărul de spire trabuie crescut până în jur de 20 pentru frecvenţe mai mici de 5 MHz şi trebuie redus până în jur de 6 spire pentru frecvenţe mai mari de 10 MHz. Oricum, aici există un mesaj. Nu luaţi de bun transformatorul balun pe care îl aveţi. Verificaţi-l la frecvenţa de operare (utilizând un SWR-metru) având secundarul terminat într-o sarcină artificială egală cu impedanţa de sarcină la care lucrează. Din fericire, chiar dacă este neadaptet, pierderile pe linie sunt mici la frecvenţele cele mai joase şi prin urmare de obicei vom tolera efectul pe care l-am descris, fără să fie necesar să rebobinăm transformatorul.

Rezumat

Bazat în principal pe experienţa mea, am descris cum pot fi utilizate instrumentele comune din atelierul unui radioamator pentru măsurarea impedanţelor liniilor de transmisie simetrice sau, pentru măsurarea SWR-ului pe linii de transmisie simetrice. Metodele de măsurare implică utilizrea unor tipuri particulare de circuite de simetrizare care lucrează împreună cu puntea de zgomot şi cu SWR-metrul. A fost, deasemenea, descris un SWR-metru pentru linii simetrice cu impedanţa caracteristică de 300 ohmi. A fost inclusă şi descrierea modului de funcţionare a unui SWR-metru cât şi unele comentarii referitoare la felul în care el este utilizat în general în atelierul radioamatorului.

Eu cred că materialul prezentat în acest articol poate invita la discuţii viitoare referitoare la măsurătorile pe liniile simetrice şi la instrumentele folosite. Este posibil ca o parte din cititori să aibă alte idei, pe care sper ca ei să le poată verifica înainte de a le prezenta. Prezentarea teoretică a acestei probleme a fost logică şi simplă, dar punerea în practică a întâmpinat o serie de dificultăţi ascunse.

Referinţe

1. PG Martin G3PDM Frequency Independent Directional Wattmeter and SWR Meter - Amateur Radio, November 1969 - "Watmetru direcţional independent de frecvenţă".

2. Lloyd Butler VK5BR - The Merits of Open Wire Lines Amateur Radio, Sept 1991 - "Avantajele liniilor de transmisie de tip scăriţă utilizate de radioamatori".

3. Lloyd Butler VK5BR - Transmission Lines Measurements of their Characteristics -Amateur Radio, October 1989 - " Măsurătorile liniilor de transmisie şi caracteristicile lor".

Lloyd Butler VK5BR

Articol aparut la 16-8-2009

14405