SWR a rezonans.

SWR a rezonans.

Na kursie krótkofalarskim w 2006 roku wykłady dotyczące budowy i właściwości anten były perfekcyjnie wbijane do naszych głów. To, co mówił wykładowca (SP9BWJ) było jasne i zrozumiałe, ale dla większości z nas były to rzeczy nowe, nieznane albo zapomniane. Budując niedługo potem pierwsze anteny borykaliśmy się raczej z problemami konstrukcyjnymi, a kwestia dopasowania sprowadzała się do precyzyjnego docięcia ramion dipola i skorygowania skrzynką współczynnika WFS (SWR). Wiedza teoretyczna z kursu nieco się zakurzyła, nie byliśmy jeszcze w stanie w pełni z niej korzystać.
W następnym etapie naszych działań konstruktorskich pojawiły się pierwsze samodzielnie wykonane baluny, ale rola WFS, jako jedynego parametru, jaki nas interesował jeszcze się umocniła. Były co prawda osoby, które od początku miały inne zdanie, ale za to miały małą siłę przebicia (pozdrowienia dla SP9IVD). Z czasem zaczęliśmy dostrzegać różnicę między balunem prądowym a napięciowym oraz budować coraz ambitniejsze konstrukcje antenowe. Pojawiły się też przyrządy do pomiaru anten, które potrafiły pokazać coś więcej niż SWR. Uczyliśmy się z nich korzystać, prowadząc jednocześnie nieśmiertelną dyskusję: ważny ten SWR, czy nie bardzo. Na tym etapie ja osobiście nieco pobłądziłem, za co jednakże nie do końca czują się winny. Otóż w wielu publikacjach jest podawana informacja (otwartym tekstem lub domyślnie), że minimalny SWR wskazuje częstotliwość, dla której antena jest w rezonansie. Ale przecież niski SWR to dopasowanie impedancji, więc o co chodzi? No i przyszedł czas odkurzyć teorię…

IMPEDANCJA ZESPOLONA

Impedancja, Z – wielkość charakteryzująca zależność między natężeniem prądu i napięciem w obwodach prądu zmiennego. Impedancja jest uogólnieniem oporu elektrycznego, charakteryzującego tę zależność w obwodach prądu stałego. Impedancja jest wielkością zespoloną. Część rzeczywista impedancji opisuje opór związany z prądem płynącym w fazie zgodnej z przyłożonym napięciem, część urojona – z prądem przesuniętym w fazie, który wyprzedza przyłożone napięcie lub jest opóźniony względem niego.
Tyle encyklopedia. Teraz tą zawile brzmiącą teorię trzeba przełożyć na język naszych potrzeb i zastosowań konstrukcyjnych.

Na impedancję zespoloną Z składają się R – rezystancja oraz X – reaktancja. Wzajemna zależność wygląda następująco:

Dlaczego mówimy o wartości zespolonej? Gdyż R oznacza opór czynny i jest częścią rzeczywistą impedancji, natomiast X to wartość urojona. Reaktancja (X) pojawia się przy braku rezonansu anteny i może mieć charakter pojemnościowy (Xc – znak „-”) lub indukcyjny (Xl – znak „+”). Gdy antena jest za krótka, pojawia się Xc a gdy za długa – Xl. Antena jest w rezonansie wtedy, gdy impedancja jest równa rezystancji. W naszych warunkach należy po prostu dążyć do tego, by wartość X była jak najmniejsza. Mój miernik (MFJ-259B) nie pokazuje znaku części urojonej. Metoda jest prosta: po zmierzeniu reaktancji na częstotliwości rezonansowej zwiększamy nieco częstotliwość miernika. Jeżeli reaktancja spada, to znaczy że ma charakter pojemnościowy a antena jest za krótka. Jeśli rośnie, reaktancja jest indukcyjna a antena za długa.

REZONANS ANTENY
O rezonansie anteny decyduje jej długość elektryczna. Upraszczając nieco można powiedzieć, że w przypadku anteny drutowej długość elektryczna to długość fizyczna pomnożona przez współczynnik skrócenia k:

d oznacza średnicę przewodu, z którego jest zrobiona antena.

Antenę można elektrycznie wydłużyć stosując cewki lub skrócić przy pomocy pojemności. Praktycznie częściej wykorzystujemy rozwiązanie pierwsze. Pozwala ono zbudować dipol, który ma właściwą dla danej częstotliwości długość elektryczną, natomiast jego fizyczne wymiary są mniejsze. Link poniżej to strona, która pozwala wyliczyć parametry interesującej nas anteny wydłużonej cewkami:

http://www.k7mem.com/Electronic_Notebook/antennas/shortant.html

Tak więc możemy podsumować: antena jest w rezonansie wtedy, gdy reaktancja (X) zmierza do zera. I to jedyny związek impedancji (Z) z rezonansem. Z składa się wtedy wyłącznie, albo przynajmniej głównie, z wartości rzeczywistej rezystancji. Ale wartość impedancji może być bardzo daleka od interesujących nas 50 Ohm!

DOPASOWANIE ANTENY
Skrzynką antenową dostrajamy do TRX-a nie antenę, ale układ antena + fider. Nie stosując baluna (w przypadku anten symetrycznych, np. dipol) jak gdyby z góry akceptujemy fakt, że promieniuje zarówno antena, jak i oplot kabla zasilającego. Impedancję anteny można zmierzyć tuż przy zaciskach, lub poprzez fider długości L/2 (gdzie L – długość fali), który nie będzie transformatorem impedancji i na jego końcu wynik pomiaru będzie taki sam, jak przy zaciskach anteny. Jeżeli przy długości rezonansowej impedancja anteny jest istotnie różna niż 50 Ohm, możemy antenę dopasować. W tym celu w przypadku dipola stosuje się balun napięciowy o odpowiednim przełożeniu. W przypadku innych anten może to być na przykład zmiana punktu zasilania (ponieważ rozkład prądu i napięcia w antenie jest przesunięty w fazie o 90 stopni, a R=U/I). W przypadku anteny GP L/4 pochylenie przeciwwag z 90 stopni do 135 stopni w stosunku do promiennika zmienia impedancję c 36,6 Ohm do 50 Ohm etc. Gdy antena jest dobrze dopasowana pod względem impedancji, długość linii zasilającej nie powinna mieć znaczenia, ale pozostał jeszcze jeden problem:

SYMETRIA / ASYMETRIA
Dążąc do ideału na koniec musimy zająć się prądem asymetrii. Dipol jest anteną symetryczną. Kabel koncentryczny, używany przez nas na fider symetryczny nie jest. Pojawia się kolejny problem, gdyż połączenie jednego z drugim „przekieruje” nam część prądu na oplot nawet przy doskonale dostrojonej antenie. Eliminując ten efekt skrzynką, psujemy cały układ i wbrew naszym wcześniejszym wysiłkom znów dostrajamy do TRX-a układ antena + fider. Zastosowanie w celu dopasowania anteny baluna napięciowego o dowolnym przełożeniu eliminuje ten efekt, gdyż taki balun załatwia nam przy okazji dopasowania impedancji także problem symetrii. Jeżeli jednak transformacja impedancji nie jest dla danej anteny potrzebna, można w celu dopasowania symetrii/niesymetrii użyć baluna prądowego o przełożeniu 1:1, czyli dławika. Jest to konstrukcja prostsza i łatwiejsza w wykonaniu, niż balun napięciowy.

Cdn…
SP9ORH
Kraków 26.04.2014