Skrzynka antenowa i straty
Każdy system antenowy będzie miał pewne straty i część z nich jest rzeczywiście związana z VSWR. Wiele czynników decyduje o tym jak są rozłożone. Skrzynka antenowa jest jednym z wielu czynników.
VSWR nigdy nie było specjalnie żadnym problemem do czasu rozpowszechnienia się:
1. kabla koncentrycznego
Kilka dziesiątek lat temu najpopularniejszym feederem byla linia drabinkowa. Nikt wtedy nawet nie wspomniał o stratach feedera jako, że jest to najmniej stratna linia transmisyjna znana ludzkości (hi).
Nie musiała ona być dopasowana do anteny a typowy w tych czasach indukcyjnie sprzężony tuner świetnie sobie z jej przypadkową impedancją radził*. Rzeczywiste straty w feederze były naprawdę znikome nawet z ogromnym VSWR.
Kabel koncentryczny jest wygodny ale ma znacznie większe straty, a szczególnie kiedy pracuje z większym VSWR. Od czasu jego rozpowszechnienia pojawiła się tendencja do używania anten w jakimś stopniu dopasowanych do feedera (aby zmniejszyć VSWR). Jako, że idealne dopasowanie w szerszym zakresie częstotliwości, a szczególnie w wielu zakresach częstotliwości jest na ogół nierealne, pojawiła się konieczność używania powszechnych obecnie niesymetrycznych skrzynek antenowych.
2. tranzystorowych wzmacniaczy mocy
Tranzystorowe wzmacniacze mocy są na ogół zaprojektowane dla obciążenia 50W i nie tolerują podwyższonego VSWR. Głównymi problemami z tym związanymi są:
- spadek liniowości
- możliwość zniszczenia tranzystorów stopnia końcowego co spowodowane może być spadkiem sprawności i wzrostem mocy straconej w tranzystorach jak i przekroczeniem maksymalnego napięcia spowodowanego odbiciem. Wartość tego napięcia przy 100% odbiciu może dojść do dwukrotnej jego wartości ("fala stojąca" w feederze).
- zmniejszone tłumienie harmonicznych przez wyjściowy filtr dolnoprzepustowy typowo używany ze wzmacniaczami tranzystorowymi. Jest on zaprojektowany do obciążenia 50Ohm (po obu stronach) i jego parametry się pogarszają, kiedy tego 50 Ohm nie widzi.
Wzmacniacze lampowe nie były aż w takim stopniu na to wrażliwe z jednej strony, a z drugiej strony prawie zawsze miały (i mają) one wyjściowy obwód strojony najczęściej typu pi (dolnoprzepustowy), który jest w rzeczywistości też "skrzynką antenową".
Wszyscy oczywiście wiedzą, że najlepsze dopasowanie mocy (bez odbić) zachodzi kiedy impedancje wejściowa i wyjściowa są sobie równe. Co się jednak dzieje kiedy nie są.
Oczywiście część mocy się odbije, a w przypadku całkowicie otwartego albo całkowicie zwartego wyjścia będzie to cale 100% mocy.
Konsekwencją tego jest, że moc odbita gdzieś się będzie musiała podziać - wraca oczywiście do wzmacniacza w stopniu zależnym od jego konstrukcji.
Inną konsekwencją jest to, że pojawia się w feederze tzw. "fala stojąca", która jest w istocie rezultatem nakładania się wzajemnie mocy podróżującej w obie strony. W skrajnym przypadku, tzn. przy 100% odbiciu, amplituda tej "fali stojącej" będzie 2 razy większa niż w przypadku pełnego dopasowania co oczywiście (w przypadku większych mocy) może być niebezpieczne dla wielu podzespołów włączając w to tranzystory stopnia końcowego a nawet i feedera.
W praktyce wszystkie współczesne wzmacniacze mocy, czy to będące częścią transceivera czy osobne, wyposażone są w układ, który mierzy moc odbitą i kiedy jest ona za duża (wysokie VSWR) stopniowo zmniejsza moc wyjściową albo po prostu całkowicie wyłącza wzmacniacz.
To jest generalnie najważniejszym (często jedynym) powodem używania skrzynek antenowych, poza oczywiście skrzynkami które mają za zadanie dopasowanie niesymetrycznego wyjścia do symetrycznej anteny*.
Oczywiste jest, że złe dopasowanie spowoduje jakąś stratę mocy, ale jest w tym generalnie bardzo dużo przesady. Poziom VSWR przy którym typowy tranzystorowy wzmacniacz mocy przestanie istnieć (chyba, że ma zabezpieczenie) spowoduje na ogół zupełnie na ucho niezauważalną stratę sygnału. Wiele skrzynek antenowych i tak już nie będzie w stanie sobie poradzić z VSWR na tyle wysokim, że spowoduje istotny spadek poziomu odbieranego sygnału. Zależność pomiędzy VSWR i stratą mocy przedstawiona jest na poniższych wykresach.
używając procentów
i używając dB
Dołączyłem wykres straty mocy w procentach, ale nie jest on specjalnie miarodajny, bo pokazuje wszystko w bardzo wyolbrzymiony sposób. Skala logarytmiczna (w dB) znacznie lepiej to przedstawia. Pamiętać należy, że każde 6dB oznacza 1S na S-metrze.
Wyraźnie z tego wynika, że potrzeba naprawdę "astronomicznego" VSWR, aby zauważyć można było różnice.
Używając tunera antenowego można to bardzo łatwo stwierdzić. Wystarczy porównać siłę odbieranego sygnału (na S-meter) przed dostrojeniem anteny i po dostrojeniu w przypadku kiedy VSWR przed dostrojeniem było bardzo wysokie. Naprawdę trudno jest zauważyć jakąkolwiek różnicę.
VSWR jest na wykresie przedstawione aż do zupełnie nierealnej wartości 100 : 1, a i nawet wtedy spadek sygnału jest niewiele większy niż 2S.
Zupełnie inną sprawą są straty w skrzynce antenowej.
Każda skrzynka antenowa będzie oczywiście miała jakieś straty, w zależności od jej jakości (głównie użytej cewki). Straty te będą się bardzo silnie zmieniały w ramach danej skrzynki antenowej w zależności od częstotliwości i kombinacji dopasowywanych impedancji. Największe straty będą wtedy, kiedy strojenie jest najostrzejsze, co najczęściej zdarza się przy końcach zakresu strojenia i gdzie feeder już pracuje z bardzo wysokim VSWR.
Ostre strojenie występuje, kiedy współczynnik dobroci QO jest wysoki. W takim przypadku prądy krążące w obwodzie rezonansowym skrzynki są bardzo wysokie i wysokie są też straty na wszelkich wewnętrznych rezystancjach skrzynki, a głównie użytej cewki.
Generalnie jednak są to na ogół straty dość małe, a wspomniane 2-5% (0.1 - 0.2dB) jest w praktyce trudne do zmierzenia (a tym bardziej zauważenia), tym bardziej, że wyjście nie jest obciążone żadną standardową impedancją znacznie utrudniając jakiekolwiek pomiary.
Niektóre skrzynki antenowe wyposażone są w balun w postaci szerokopasmowego transformatora na ferrytowym rdzeniu toroidalnym dużego rozmiaru z zadaniem dopasowania do feederów symetrycznych ("drabinek").
Jeżeli dopasowywany feeder ma znaczną reaktancję na wejściu, co jest typowe kiedy zasila nie rezonansową antenę, wtedy wystąpią dość znaczne straty również i w jego rdzeniu.
Bardzo dobrej jakości cewki będą miały Q ponad 200, a może nawet i ponad 300. W przypadku np. variometru (strojonej cewki) wartość Q będzie się jednak zmieniała w trakcie jego strojenia.
Jedna uwaga na temat współczynnika dobroci Q.
Dla wszystkich użytych podzespołów powinien być on jak najwyższy (aby zmniejszyć straty), jeśli chodzi jednak o samą skrzynkę antenową to tutaj mowa jest o współczynniku dobroci pod obciążeniem QO, który nie powinien przekraczać 10-15 aby nie powodować nadmiernych strat.
Niezależnie od strat, nadmierna wartość QO powoduje wzrost napięć i prądów wielkiej częstotliwości, które mogą czasem powodować iskrzenia czy inne uszkodzenia podzespołów.
Jedyną zaletą podwyższonego QO może być poprawa tłumienia harmonicznych (o ile to jest potrzebne).
* O tunerach ze sprzężeniem indukcyjnym w innym artykule
Janusz, VE3ABX