A ktualizováno v lednu 2020
Impedanční přizpůsobení, impedance, admitance, Reflection Coefficient, VSWR (česky poměr napětí stojatých vln) a Return Loss (česky útlum odrazu)
Úvod Abych se posunul od měření úrovní signálů a měření vf výkonů k impedančnímu přizpůsobení, neobejdu se bez několika důležitých pojmů, které si zde zopakujeme: 1. Impedance je fyzikální veličina vyjádřená komplexním číslem, která popisuje zdánlivý odpor součástky a fázový posuv napětí vůči proudu při průchodu střídavého proudu sinusového průběhu a konkrétní frekvence. Označuje se Z. Hezky a podrobněji je popsána např. na Wikipedii - zde. 2. Admitance je převrácenou hodnotou impedance. Y = 1/Z. Wikipedie - viz zde. 3. SWR, anlicky standing wave ratio, česky poměr stojatých vln (PSV) vyjadřuje poměr výkonu elektromagnetické vlny postupující po vedení od zdroje k zátěži vůči výkonu odraženého od nepřizpůsobení na impedančním skoku vedení nebo mezi vedením a zátěže. Dopředná i odražená elektromagnetická vlna má stejný kmitočet a vytvoří na vedení stojaté vlnění. Na konkrétních místech vedení se pak střídají maxima a minima vf napětí (také minima a maxima vf proudu). SWR na Wikipedii - zde. Poměr napětí stojatých vln - viz další bod. 4. VSWR, anglicky Voltage of Standing Wave Ratio (poměr napětí stojatých vln) nám udává poměr amplitud napětí stojaté vlny na vedení. Pojmy SWR a VSWR hezky vysvětlil, popsal a do souvislosti uvedl OK1VPZ v tomto článku - zde, doporučuji přečíst, udělat si jasno a nepoužívat termíny nesmyslné. |  |
5. Vztahy mezi impedancí, admitancí a koeficientem odrazu lze vyjádřit takto: |  |
6. Vztahy mezi impedancí (admitancí) a VSWR lze vyjádřit takto: |  |
7. Vztahy mezi Return Loss (útlumem odrazu), koeficientem odrazu, VSWR nebo impedančním skokem lze podobně vyjádřit vztahem vpravo: |  |
8. Impedanční přizpůsobení snadno řešeíme pomocí Smithova diagramu. Jednoduše se pracuje s Windows programem od prof. Fritze Dellspergera. Ilustrační obrázek je dole, okno Cursor je zvýrazněné. Hodnoty RL, VSWR, Gamma, Y, Z, Zo a f se zobrazují při výpočtech v okně Cursor (obrázek vpravo). Příklady, jak se se Smith Chartem dělá jsem uvedl před mnoha léty zde. Dokument se stručným, ale velice srozumitelným vysvětlením pojmů a s příklady napasal prof. Dellsperger a je ke stažení např. zde. |  |
Měření V teoretickém úvodu jsme si zopakovali základy. Víme, že pro účinný přenos signálu se vyžaduje, aby vedení bylo homogenní, co nejlépe přizpůsobené a ukazatelem stavu vedení je koeficient odrazu. Přizpůsobení zátěže k vedení se dobře měří reflektometry se směrovými odbočnicemi. Obvykle se používají dvě směrové odbočnice, jedna pro snímání postupné vlny a druhá pro snímání odražené vlny. Základní požadavky kladené na směrové odbočnice 1. Směrovost. Za typickou hodnotu považujme 40 dB. 2. Odbočný útlum. U tohoto parametru se setkáme s rozdílnými požadavky. Požadujeme-li měřit s maličkými výkony, hodí se nám nepříliš velký odbočný útlum, např. jen 10 dB. Požadujeme-li měřit vysoké výkony a disponujeme citlivými miliwattmetry nebo mikrowattmetry, hodí se nám odbočný útlum vyšších hodnot, např. 30 dB. 3. Šířka pásma. Příklad měření na směrové odbočnici pomocí VNA jsem popsal tady. O směrových odbočnicích je hezký článek na Wikipedii - zde. Příklad použití směrové odbočnice a dvou wattmetrů Příklad použití směrových odbočnic v průchozím dálkově řízeném wattmetru jsem popsal na závěr tohoto článku. Z článku je zřejmá použitá metoda měření. Měří se vysokofrekvenční výkony na výstupech každé ze směrových odbočnic, tj. výkon postupné a odražené vlny. Výkony se měří pomocí jednočipových logaritmických zesilovačů s detektory, na jejich výstupech je napětí Vout. Naměřené hodnoty se bezprostředně u čipů zpracovávají ADC (analogově digitálním převodníkem) na číslo (data). Z obou čísel se vypočítávají hodnoty výkonů, hodnoty RL a hodnoty VSWR pro konkrétní kmitočet generátoru nebo vysílače. Další metody měření přizpůsobení 1. Reflektometry se směrovými odbočnicemi slouží dobře k měření činitele odrazu. Neumožňují nám však zjistit, kde na vedení k odrazu dochází. K lokalizaci místa odrazu se hodí impulsové reflektometry. Metoda však bude předmětem dalšího článku. 2. Často používanou metodou měření přizpůsobení je můstková metoda. Ve vztazích, které jsem uvedl v úvodu (zejména body č. 5 až č. 7) vidíme, že koeficient odrazu, resp. RL se vyskytuje ve vztazích pro impedance (nebo admitance). Běžně používané měřiče umožňují měřenou součástku (vedení, anténu) připojit k vysokofrekvenčnímu můstku a potřebné hodnoty, např. VSWR, RL vypočítat nebo zobrazit průběh ve Smithově diagramu nebo v jiných grafech. Viz příklady uvedené v třetí části této minipublikace, zaměřené na nanoVNA metody. |
TU 73, Mira, ok1ufc