Time Domain Reflection meting (TDR)

Time domain reflectie meting is een erg handig en makkelijk principe. Grof gezegd, je zet een puls op een transmissielijn. De scoop hangt via een T stuk samen met de pulsgenerator aan dat stuk coax. Er gaat een puls uit welke bij een open of kortgesloten lijn reflectereert. De tijd die er tussen de puls en de reflectie zit is af te lezen op de X as van de scoop. Deze puls heeft een hoogte die een verband heeft met de impedantie. Je kunt dus ook uitrekenen wat die impedantie is of gewoon aflezen mbv een potmetertje aan het uiteinde van de kabel. Als de kabel impedantie gelijk is aan het potmetertje kun je dat zien aan de hoogte van de reflectie, die is er namelijk niet meer. Maar je ziet ook of er ergens problemen in je antennekabel, connectors enz zitten.
Er zijn nog veel meer toepassingen. Zo kun je bv ook een stuk “open” coax maken. Dus een buis met geleider zonder dielectrium. (of voor eenmalig experiment aircom+ wat al luchtkanalen heeft) Dan doop je die buis in vloeistof en dan kun je bv meten wat de dikte is van twee op elkaar drijvende vloeistoffen of gewoon het vloeistof nivo.

Je kan het met een pulsgenerator, blokgolfgenerator of stepper-generator. Dat laatste is het allermooiste. Ik gebruik meestal een pulsgenerator of mijn VNA die een TDR functie heeft. Mijn eerste kennismaking met TDR was echter met een schakeling uit de electron. Ik wilde die bouwen maar kwam in contact met een amateur die er nog een gebouwd had liggen. Die heb ik toen overgenomen. De foto’s zijn van een meting met dat apparaatje.

Dit is het veron artikel en nog wat meer info:

TDR_Electron

TDRinfo

Dit is een open stuk coax van ongeveer 10 meter:

TDR reflectie van een Open

Dit is een short:

TDR reflectie van een short

En natuurlijk een keurige afsluiting dmv 50 ohm:

TDR reflectie van een match

TDR reflectie van 75 ohm dummyload

En op deze hierboven zit een 75 ohm dummy.

Bij 75 ohm is de gereflecteerde puls keurig bijna 0,8 hokje hoog, wat precies twee tiende gedeelte is van de uitgaande puls van bijna vier hokjes.
En als de reflectie 0,2 is, dan is bij sinus-aansturing de maximale spanning gedeeld door de minimale spanning dusĀ (1 + 0,2)/(1 – 0,2) ofwel 1,5.

En dat is dan de staandegolfverhouding.
Wat dan weer klopt met de dummyweerstand, want 75/50 = 1,5. Wat kan techniek toch mooi zijn.

Nog een stukje rekenwerk van Ruud, PF1F, mijn leermeesterĀ :wink:

Je kunt zelfs voorrekenen waarom die reflectie MOET zijn zoals hij is.
Daar gaan we. Je zet een niets vermoedende puls van 100V op de lijn.
De lijn is 50 ohm, dus de stroom in de puls moet wel 2A zijn. En die verhouding is constant voor alle golven/pulsen die over de lijn gaan!

Nu komt de puls, in alle onschuld, bij de belasting van 75 ohm.
Wat nu! Die verhouding klopt niet. Bij 100V zou er 1,33A in de belasting moeten lopen – maar in de lijn loopt er 2A, dat is te veel.
Of, bij 2A zou er over de belasting 150V moeten staan – maar op de lijn staat maar 100V en dat is te weinig.

De enige redding is: dan maar een gedeelte van het vermogen terug te sturen naar de bron. De teruglopende puls heeft spanning U en stroom U/50, want ook nu is de verhouding tussen spanning en stroom in de leiding weer 50.

De spanning van de reflectie is in fase met de originele puls, dus ter hoogte van de belasting heb je een somspanning van 100+U volt.
De stroom van de reflectie loopt de andere kant op, dus bij de belasting heb je een verschilstroom van 2-U/50 A.

De verhouding van de spanning en stroom op en in de belasting moet natuurlijk 75 zijn. Er komt dus:
(100 + U)= 75 (2 – U/50) , waaruit 100 + U = 150 – 1,5U , dus U = 20 volt. Dat is de spanning van de gereflecteerde puls; hij is 20% van de voorwaarte puls, zoals op de scope te zien is.
De stroom van die puls is 0,4A. De verhouding op de lijn is keurig 50.

Op de belasting vinden we de somspanning van 120V, en de verschilstroom van 1,6A. De verhouding is natuurlijk 75.

Nu nog de vermogens. Uitgaand was het vermogen 100×2 = 200W.
De reflectie is 20×0,4 = 8W. En in de belasting is het vermogen 120×1,6 = 192W.

Je ziet dat ook de wet van behoud van energie opgaat. Ook valt op dat een SWR van 1,5 wel een spanningsreflectie van 20% veroorzaakt, maar maar een vermogensreflectie van 4%.

Daar past dit plaatje uit het Electrical and Transmission Distribution Reference Book van Central Station Engineers
of the Westinghouse Electric Corporation 1964 mooi bij.

Pulsverloop

Mijn VNA kan ook TDR metingen doen. Deze plaatjes zijn nog uit het begin. Ondertussen heeft de TDR functie enorm veel meer mogelijkheden gekregen zoals meerdere traces, aflezen impedantie, negatieve frequenties, diverse windows en de keus tussen puls en step respons.

Een bnc T stuk op het eind met een dummy van 50 ohm. Niet echt geweldig zo’n T-stukje:

Een T-stuk met open einde in een coax kabel

een Short

Een open

afgesloten met 50 ohm dummyload

Even voor de zekerheid. Het gaat om de rode trace. De witte is niet van belang hier.

Erg handig om bv bij een stuk coax met een breuk de breuk plaatst of het vocht te vinden of bv vochtinwerking. Ook 75 ohm kabel pik je er zo uit.

Het kan dus ook met een gewone pulsgenerator. Als deze maar een zo snel mogelijke RiseTime heeft. Hoe stijler deze is des te hogere frequentie componenten deze bevat. Ik heb niet alle scopen geprobeerd maar met een 100MHz gaat het in ieder geval. Een digitale scoop is hier erg handig.

This entry was posted in Experimental measurements, Theory about measurements. Bookmark the permalink.

Comments are closed.