To reflect or not to reflect, that’s the quest.
Dit is een diepgaander stukje over reflecties. Een andere manier om er naar te kijken. We hebben allemaal geleerd dat wanneer R-in niet gelijk is aan R-uit er in een transmissielijn reflecties optreden. Maar gebeurd dat ook ? We hebben meters die zeggen dat dat wel gebeurd en verhalen over stroom en spanningsbuiken, reflectie coöficienten enz. maar is dat ook wat er werkelijk gebeurd ? Dat vroeg ik me in het begin af, die info verzandt al snel in heel veel wiskunde. Hier probeer ik dat zonder toch uit te leggen.
Nu schijnen electronen zich volgens de ene helft van de wetenschap zich niet te verplaatsen maar geven energie door, de andere helft ziet ze wel verplaatsen. 😕 Toch lopen er stromen op en neer en tegen elkaar in. Wat er eigenlijk gebeurd is dat je er een bepaalde hoeveelheid energie in stopt. Niet alle energie wordt omgezet in arbeid. De arbeid is bij een dummy load het omzetten van die energie in warmte. De energie die hij daarvoor nodig heeft is het vermogen dat hij verbruikt. De rest van de energie moet toch ergens heen. Het kan alleen terug.
Verwarring ontstaat doordat er over reflecties van radio golven of EM golven gesproken. Maar eigenlijk kunnen EM golven pas buiten een geleider ontstaan dacht ik. Licht is ook een radiogolf en licht reflecteert, geluid ook maar dat is buiten “iets”, buiten de zon, buiten de luidspeaker, buiten de antenne… Wat reflecteert er dan. (nb, ook gewoon 230VAC reflecteert)
Als we een Time domain reflectie meter aansluiten dan zien we de reflecties zo op ons scherm verschijnen. Zie ook hier
We gaan uit van die TDR meting en een stuk 50 ohm coax. We sluiten het keurig af met 50 ohm en aan op een 50 ohm meetzender. Deze levert een positieve spanningspuls. We zetten dus even wat DC op de lijn. Coax bestaat uit een inductief en capacitief element. Doordat hij is afgesloten met 50 ohm ontstaat na de puls een spanning op de lijn tot de load. Door de vertragingsfactor van het coax (de verkortingsfactor) duurt dat eventjes, de lijn moet zich opladen. Daar de load een spanningsdeler vormt met de inwendige weerstand van de generator is dit de halve spanning. Er is maximale vermogensoverdracht dus er gaat de daarbij behorende stroom lopen. Stroom gaat altijd “rond” dus na de load loopt het via de mantel van de coax weer terug. Wat er terug loopt is in tegenfase met wat er heen loopt. Er zijn geen reflecties. Je ziet dus ook niets op je scherm verschijnen.
Dan de tweede situatie. Die van een misaanpassing. We gaan uit van een kortgesloten lijn. De puls wordt er op gezet en de lijn begint zich op te laden. Er kan echter geen spanning onstaan aan het eind want er is geen load, er gaat wel stroom lopen via de kern aan het eind via de mantel terug naar de scoop. Er loopt nu wel stroom door mantel en kern maar die is nu niet in tegenfase. Er is feitelijk geen begin en eind meer. De mantel zal flink gaan stralen als een antenne omdat de stromen elkaar niet opheffen. We noemen dat mantelstroom. Als de puls weg is dan stort het magnetisch veld in. Dat veld bevat energie en dat instorten veroorzaakt een inductie spanning op de lijn. Maar we zeiden net dat er geen spanning opstond. De situatie is nu echter anders. Er is een stuk lijn wat aan de generator kant is afgesloten. Er kan dus spanning ontstaan over de ingang. Omdat die spanning tegengesteld is aan de puls zie je een negatieve puls op de scoop verschijnen. Dat deze later komt is weer de “schuld”van de eigenschappen van de coax (vertraging in opladen en vast willen houden van energie) maar je zou het ook als een reflectie kunnen benoemen. Aangezien (bijna) alles wat heen ging ook weer terug kwam en niets in de 0 ohm load verbruikt werd. Het enige verlies is het kabelverlies, De kabeldemping. Dit wordt opgegeven als een x aantal dB/100m. Maar dat geldt alleen bij een kabel die is afgesloten met zijn karakteristieke impedantie. Je raakt dus een stukje signaal kwijt op de heenweg maar ook een stukje van de reflectie op de terugweg. Die reflectie kan niet terug de generator in zoals water niet terug de kraan in kan dus die gaat weer richting antenne en verliest daarbij weer een stukje. Als de swr hoog is gaat dat signaal heel vaak op en neer en is het verlies dus ook heel veel groter.
De laatste situatie. Ook een misaanpassing maar nu een open stuk coax. Als er reflecties waren zouden die het nu moeilijk krijgen want waar moeten ze tegen reflecteren. Er is niets. Of toch wel. Er is een oneindige weerstand aan het einde maar echt oneindig is het niet. Er zit tenslotte een transmissielijn tussen die capacitief en inductief is. Een soort lc kring. We zetten de puls er op en de lijn laadt zich weer op. Er gaat een puls energie de lijn in welke zich verplaatst door dat samenspel van capaciteitjes en inducties. Als hij achter het open einde bereikt ontstaat daar maximale spanning zoals een watergolf die tegen de kade oploopt. Er loopt ook stroom tot de lijn “verzadigd” is. Die puls zit vol energie en dat moet ergens heen. Dat kan alleen terug. Tegen de tijd dat dat gebeurd is zie je een puls op het scherm verschijnen die weer bijna net zo hoog is als de oorspronkelijke alleen nu met een zelfde polariteit. De spanning reflecteert namelijk in fase waardoor. Aangezien Ohm altijd gelijk heeft wordt de stroom als het ware negatief. Een vergelijking die niet helemaal correct is maar het wel visueel maakt. Het water stroomt pulsgewijs door een kanaaltje en komt aan het einde tegen de kade. Die golf kruipt als het ware tegen de kade omhoog, breekt en stroomt terug. Er is echter al weer een nieuwe golf op komst dus de golven worden hoger want het water zal er beide door moeten. Qua stroom gaat de vergelijking mank maar om het te visualiseren kun je het zien als een onderstroom. Er ontstaan twee stromen tegen elkaar in. Dat kan niet “door elkaar” maar je krijgt een boven en onderstroom.
Met een slotted line, zeg maar een stuk coax met een gleuf zodat je er in kan meten, kun je dit zichtbaar maken. Dat heb ik elders op de site bij meet experimenten staan. Bij een correcte afsluiting staat over de hele lijn een constante spanning. Zodra je een misaanpassing hebt en je gaat met je detector langs de lijn dan zie je de spanning stijgen en dalen. De afstand tussen twee toppen is precies een halve golflengte. Op de lijn staat nog steeds een basisspanning die hoort bij het vermogen door de belasting ( niet bij open/short situaties) Die wordt plaatselijk verhoogd door reflecties in fase en verlaagd door reflecties in tegen fase. Her verschil tussen de hoogste en laagste waarde van die “golf” is de VSWR bij spanning of ISWR als we naar de stroom kijken.
Hoe zit het bij een zender. Een zender is geen constante vermogensbron die, wat er ook gebeurd, X watt levert. Het is een precair samenspel van stromen en spanningen die bepaald worden door de belasting op de uitgang maar ook bij bv een lineair door de aanpassing van de ingang. In en uitgang beïnvloeden elkaar. Als we niets aansluiten hebben we 100 procent reflectie zegt men maar waar dan ? Een eindtrap is niet eens 50 ohm. Wat gebeurd er nu wel in zo’n eindtrap. We gaan van een simpele 1 tor (met ideale tor) versterker uit. De uitgangsimpedantie wordt meestal hoog in theorie, voor RF is hij meestal laag. Het pi filter transformeert dat vanaf de collector naar de uitgang. De uitgang is oneindig hoog en als je oneindig omlaag getransformeerd blijft dat oneindig. De collector ziet dus geen 50 ohm maar een hele hoge impedantie. Dit beinvloedt de instelling van de versterker, impedanties veranderen, er moet stroom gaan lopen want er is drive en voeding. Er ontstaat signaal spanning, over zo’n hoge load loopt dat lekker op en zonder bescherming sneuvelt de tor. Bij een te lage of te hoge load speelt zich het zelfde af. Het is niet zo dat aan de uitgang keurig 10W wordt uitgepompt ongeacht de belasting. De zender is een soort voeding (maar dan eentje die er niet tegen kan onbelast te worden zoals een autodynamo dat ook niet leuk vindt), de antenne een weerstand, een belasting dus. Die voeding levert wat de belasting vraagt, is de weerstand te laag dan trekt hij te veel stroom en spanning blijft laag. Die spanning kan niet zo’n kwaad maar het torretje kan niet onbeperkt stroom leveren en gaat kapot, een trafo in een voeding wordt dan ook heet en gaat kapot. Is de weerstand van de belasting te hoog dan zal de spanning oplopen en kan er minder stroom lopen. De tor kan nu defect van de spanning. Omdat er dus ook van alles veranderd met de instelling van de tor door misaanpassing worden dus ook stromen en spanningen daardoor anders en dat samen met het eerdere is meestal de nekslag. De meeste moderne sets monitoren of begrenzen de stroom en spanning.
We gebruiken SWR meters die keurig aangeven dat er reflecties zijn. Wat doen die nu. Het zijn meestal directional couplers. Dat is een stukje (50 ohm) transmissie lijn waar stroom doorloopt en dus een magneetveld ontstaat. Daarnaast loopt een tweede lijn. Er is een capacitieve koppeling en een inductieve. Bij de forward poort is de inductieve in fase met de capacitieve en krijg je een spanning. De eventuele reflectie stroom is in tegenfase en valt dus weg. Bij de reflectie poort is het net omgekeerd en meet je dus het verschil tussen forward en reflectie, net als bij de slotted lijnde. Deze ontstane verschilspanning kun je meten. Je meet dmv een diode de toppen van de reflectie. Je meet dan genormaliseerd naar 50 ohm. De spanning wordt zo gecalibreerd dat hij vswr of power aanwijst. Want de VSWR is het verschil tussen de top en het dal. Het dal meet je niet dus je meet niet de echte VSWR. Er moet aan de hand van aannames een omzetting worden gemaakt.
Het vermogen op de meter klopt alleen als dat vermogen door de zender ook aan 50 ohm wordt afgegeven.
Je ziet, wat men vroeger deed, tunen op maximaal vermogen wil niet zeggen dat de VSWR dan ook 1 is. Sterker nog, dat zal hij zeker niet zijn. Buizen sets konden wel tegen een stootje, waren meestal hoogohmiger dan de antennes dus de kans op ” gevaarlijk” maximaal vermogen was klein maar een tor met een uitgangsimpedantie van 10 ohm is een ander verhaal. Een te korte antenne is wel hoogohmig maar de stralingsweerstand, het deel wat het vermogen dissipeert en daarbij de radio golven uitstraalt zoals een dummyload warmte, die stralingsweerstand kan best 10 ohm zijn. In dat geval tune je de reactantie weg en hou je 10 ohm over. Je Rin is dan Ruit, maximale vermogensoverdracht. Die tor gaat dat dan doen. De max wordt dan bepaald door de stroom die de tor gaat trekken. Dat levert een bijbehorende spanning en vermogen op. Is er geen stroombegrenzing dan is het “poef”
