Können wir die reflektierte Leistung in einer Übertragungsleitung messen?

Dies ist eine Frage im Zusammenhang mit der Funkübertragung. Ich hoffe, dies ist das richtige Forum, um sie zu stellen. Es bezieht sich auf Übertragungsleitungen, die einen Funksender mit seiner Antenne verbinden.

In seinem Buch "Reflections" zu Beginn von Kapitel 8 sagt M. Walter Maxwell: "Energie, die durch einen nicht übereinstimmenden Leitungsabschluss reflektiert wird, kann vollständig von der vorwärts laufenden Welle getrennt und dann in einem temperaturkalibrierten Widerstand und genau abgeleitet werden gemessen als I ^ 2R Wärme. "

Er sagt später "Ich habe diese Messungen viele Male durchgeführt"

Jetzt finde ich dieses Buch langatmig und zu durchsetzungsfähig, deshalb habe ich nicht alles gelesen. Hat er recht Wie können wir diese Messung durchführen? Was misst es wirklich?

Ich glaube, dass Vorwärts- und Reflexionskraft mathematische Artefakte sind, die verwendet werden, um die Berechnungen zu ermöglichen, und nicht als separate physikalische Einheiten existieren. Habe ich recht?

Energie, die durch einen nicht übereinstimmenden Leitungsabschluss reflektiert wird, kann vollständig von der vorwärts gerichteten Welle getrennt und dann in einem temperaturkalibrierten Widerstand abgeführt und genau als I ^ 2R-Wärme gemessen werden.

Dies ist mehr oder weniger richtig, mit ein paar Einschränkungen.

Erstens ist es möglich, die reflektierte Welle größtenteils, aber nicht vollständig zu trennen. Dies erfolgt über einen Richtkoppler . Praktische Richtkoppler weisen einen Isolationsfehler auf , der dazu führt, dass zusätzlich zu dem reflektierten Signal, das gemessen werden soll, ein kleiner Teil des Eingangssignals am Messanschluss erscheint.

Zweitens wird die Messung typischerweise nicht durch Erhitzen eines Widerstandselements durchgeführt. Dies kann durchgeführt werden und wird als bolometrischer Leistungssensor bezeichnet. Nach meiner Erfahrung ist es jedoch üblicher, einen HF-Detektor zu verwenden, der auf einer Diode basiert. Die nichtlineare Antwort der Diode wandelt einen Teil der HF-Energie in eine Gleichspannung um, die mit einem Voltmeter abgelesen wird.

Bolometrische Sensoren können für Bedingungen mit sehr hoher Leistung oder wenn eine Kalibrierung nach einem nicht elektrischen Standard erforderlich ist (z. B. ein Thermometer), verwendet werden.

Bearbeiten Als Antwort auf Ihren Kommentar: "Der Generator liefert nur die tatsächliche Leistung, die an die Last übertragen wird."

Dies hängt stark von den Details des Generators ab. Sie verweisen auf ein Whitepaper, das das folgende Szenario vorschlägt:

Angenommen, eine verlustfreie Leitung wird durch einen reinen offenen Stromkreis abgeschlossen, und angenommen, die Leitung ist bei der Betriebsfrequenz genau eine Wellenlänge lang. In diesem Fall ist der Strom am Generator Null, und daher ist der Strom in seiner internen Impedanz Null, sodass keine Verlustleistung darin vorhanden ist.

Dies ist richtig, wenn der Generator tatsächlich eine perfekte Spannungsquelle mit einem Serienwiderstand von 50 Ohm ist. Ein tatsächlicher Tischgenerator kann jedoch andere Schaltkreise enthalten, z. B. einen Nivellierkreis oder einen Leistungsmonitor zwischen dem tatsächlichen Generator und dem Anschluss an der Vorderseite. Außerdem kennen Sie selten die tatsächliche Leitungslänge zur Last - möglicherweise gibt es eine interne Übertragungsleitung zwischen der tatsächlichen Quelle und ihrem Anschluss an der Vorderseite. Wenn Sie nicht wissen, dass Sie die Übertragungsleitungslänge perfekt eingestellt haben, ist die reflektierte Leistung die Leistung, die Sie am Generator aufnehmen sollten, auch wenn Sie nicht in jedem Fall so viel aufnehmen müssen.

Der Fall eines Leerlaufabschlusses und einer Leitung mit halber Wellenlänge bedeutet auch, dass der Generator eine effektive Leerlauflast sieht (deshalb ist der Strom 0). Aber nicht jeder Generatortyp ist so ausgelegt, dass er bei Leerlauf richtig funktioniert. Eine praktische Schaltung könnte mehr Leistung von anderen Elementen in ihr verlangen oder mehr harmonischen Inhalt erzeugen, wenn sie falsch abgeschlossen wird. Dies könnte den Generator immer noch beschädigen, selbst wenn die ideale Komponentenansicht der Schaltung besagt, dass in der stehenden Welle keine Leistung übertragen wird.

Wenn Sie in dieses Szenario einen Richtkoppler einfügen, übertragen Sie die Stromversorgung über den gekoppelten Port und in den Anschluss, der diesen Port terminiert (vorausgesetzt, er ist nicht perfekt offen oder kurz). Dies bedeutet, dass Sie "die Vorwärts- und Rückwärtswellen getrennt" hätten, wie von dem von Ihnen zitierten Autor vorgeschlagen, obwohl Sie dies in einem System getan haben, das vor dem Einsetzen des Richtkopplers keine Energie übertragen hat.

Ja, du kannst. SWR-Messgeräte können hergestellt werden, und Amateurfunker tun dies traditionell, indem sie zwei Längen emaillierten Kupferdrahtes zwischen das Geflecht und die Leiterisolation eines Koaxialkabellängens einführen. Diese Drähte sind an einem Ende abgeschlossen und am gegenüberliegenden Ende ist ein Spitzendetektor angebracht.

Gewerbliche Einheiten verwenden eher eine sorgfältig hergestellte Leiterplatte.

An der im Buch beschriebenen Methode ist nichts auszusetzen, obwohl sie nur für relativ hohe Leistungen gut funktionieren würde.

Das wohl am weitesten verbreitete Instrument in der HF- / Antennentechnik ist ein Vector Network Analyzer, der die reflektierte Leistung bis auf einen Bruchteil eines mW genau messen kann. Zum Beispiel wird ein einfaches Verfahren zum Einstellen eines Monopols erreicht, indem die Antenne (etwas länger als 1/4 Wellenlänge) an den VNA angeschlossen und die reflektierte Leistung gemessen wird. Trimmen Sie die Antenne so lange, bis die reflektierte Leistung minimiert ist (sollte den reflektierten Koeffizienten, dh die normalisierte reflektierte Leistung, angeben). http://en.wikipedia.org/wiki/Vector_network_analyzer#VNA

Es gibt eine Reihe von HF-Geräten (Richtkoppler, Isolatoren usw.), die die Wellen anhand der Ausbreitungsrichtung unterscheiden. Natürlich ist nichts perfekt, aber es ist durchaus üblich, 20 bis 30 dB Isolation zu sehen.

MikeJ-UK ist ganz richtig - es funktioniert und arbeitet mit einem kontinuierlichen Sinuswellensignal. Wenn Sie die Theorie verstehen wollen, gibt es einen anständigen Artikel mit dem Titel "Analyse eines tragbaren Wattmeters von Frederick Glenn, K9SO". Hier ist ein Link zu seiner Website. Es enthält alle notwendigen Informationen zum Verständnis der SWR-Zählertheorie.

Zunächst möchte ich mich bei allen bedanken, die zu dieser Frage beigetragen haben, insbesondere bei The Photon, die mich zu Artikeln geführt haben, die eine Lösung des Problems lieferten.

Hier ist meine Sicht auf die Idee von vorwärts gerichteten und reflektierten Wellen auf einem Feeder von einem HF-Generator zu einer Last.

Ich werde "c" für die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen entlang des Feeders verwenden.

Ich denke, der Schlüssel zur Abstimmung der scheinbar unterschiedlichen Ansichten besteht darin, zu überlegen, was passiert, wenn der Sender zunächst eine Sinuswelle an den Feeder anlegt. Die Front fährt bei c die Linie entlang, wobei Spannung und Strom in Phase sind. Was als nächstes passiert, hängt von der Beendigung der Leitung ab. Wenn es sich um die charakteristische (ohmsche) Impedanz Z0 der Leitung handelt, gibt es keine Phasenänderung, und die von der Leitung übertragene Energie wird als Wärme abgeführt oder von der Antenne (oder etwas von beidem?) Abgestrahlt, und diese Situation hält unbegrenzt an .

Wenn die Leitung nicht in Z0 abgeschlossen ist, gibt es aufgrund dieser Fehlanpassung eine Phasenänderung, und der Effekt davon wandert bei c als Vorderseite einer umgekehrten, reflektierten Welle zurück. Bis diese Front den Sender erreicht, wird immer noch Energie als Sinuswelle mit Spannung und Strom in Phase in die Einspeisung gesendet.

Wenn diese zurückkehrende Front den Sender erreicht, wird die Leitungsimpedanz aufgrund dieser Phasenänderung nicht mehr als Z0 angesehen. Es gibt also eine weitere Reflexion vorwärts in der Zuführung, die an der Last wieder zurück reflektiert wird, und so weiter. Dies führt schließlich zu einem stationären Zustand mit einem verringerten Energiefluss nach vorne zur Last und (im Prinzip) einer unendlichen Anzahl von gegenläufigen Wellen. Der einzige beobachtbare Effekt dieser Summierung von vorwärts gerichteten und reflektierten Wellen besteht darin, die Eingangsimpedanz der Leitung zu ändern. Der Prozess wird analysiert und erklärt in: http://www.qsl.net/zl1an/Downloads/Bruene_explanation_V13.pdf . Insgesamt ist dies ein ausgezeichneter, ziemlich mathematischer Artikel, der viele der für dieses Thema verbreiteten Mythen und Missverständnisse zerstreut.

Um aus diesem Artikel für eine normale, unvermeidlich verlustbehaftete Linie zu zitieren "Diese Ableitung zeigt, dass die" Standard "-Vorwärts- und reflektierten Wellen eine endliche, wenn auch kleine Zeit benötigen, um sich zu bilden, da Energie auf der Linie auf und ab wandern muss, um zu erzeugen Die Wellenanordnungen, die summiert werden. Dieser Prozess kann jedoch bei hf ziemlich gut als "augenblicklich" angesehen werden, da typischerweise maximal etwa 10 Linienlängen zurückgelegt werden, bevor die Beiträge verschwindend klein werden - etwa eine halbe Mikrosekunde auf einem typischen 10 Meter Koaxiallänge mit einem Geschwindigkeitsfaktor von 66%. "

Im resultierenden stationären Zustand fließt keine weitere Energie in umgekehrter Richtung von der Last zum Sender. Wenn wir an eine reflektierte Welle denken, können wir sagen, dass die Energie, die sie trägt, von der Vorwärtsenergie subtrahiert wird, die geflossen wäre, wenn die Leitung in Z0 abgeschlossen worden wäre, um den Nettofluss zu erhalten, der immer vom Sender zum Sender verläuft Belastung. Der Sender sendet niemals mehr als die Differenz zwischen der fiktiven Vorwärts- und der reflektierten Leistung aus.

Im stationären Zustand hat sich am Feeder eine stehende Welle gebildet, die von der Situation am Lastende abhängt. Was der Sender sieht, wird durch die Länge des Feeders bestimmt und hängt von der Phasenbeziehung an diesem Punkt ab. An einem Spannungsknoten ist die Spannung hoch und der Strom niedrig, und der Sender sieht die Leitung als hochohmig an. Bei einem Spannungs-Anti-Knoten ist es das Gegenteil, niedrige Spannung und hoher Strom, so dass die Leitung als niedrige Impedanz angesehen wird. Wir stellen fest, dass die stehende Welle durchschnittliche, normalerweise effektive Werte aufweist.

Die stehende Welle kann mathematisch in vorwärts gerichtete und reflektierte Komponenten aufgelöst werden, auch in Form von Wellen. In der Vorwärtskomponente sind Spannung und Strom in Phase und in der Rückwärtskomponente sind sie um 180 Grad phasenverschoben.

Der Strom in der vorwärts fließenden HF-Welle kann unter Verwendung von Zeigern in zwei Komponenten analysiert werden, wobei dieser Teil (vorwärts) in Phase mit der Spannung und dieser Teil (reflektiert) um 180 ° phasenverschoben ist. Durch Abtasten dieser Ströme können sie als Spannungen gemessen und der Energiefluss berechnet werden, dh Vorwärts- und Reflexionsleistungen, die auf beweglichen Spulenmessgeräten mit geeigneten kalibrierten Skalen angezeigt werden können. Um Gleichstrommessgeräte zur Messung der HF-Spannungen zu verwenden, werden in SWR-Messgeräten üblicherweise Gleichrichterdioden verwendet, die nichts mit der Trennung der vorwärtsgerichteten und der reflektierten Komponente zu tun haben. Es gibt eine Reihe von Vorbehalten bei der Leistungsberechnung, aber für alle praktischen Zwecke ist sie nahe genug.

Um weiter zu gehen, verweise ich Sie für einen weniger mathematischen Ansatz auf diesen Artikel von Bruene, der alles anhand grafischer Zeiger erklärt: http://kambing.ui.ac.id/onnopurbo/orari-diklat/teknik/arrl/ using-device / 5904024.pdf

Hinweis: Meine Referenzen haben am 23. Mai 2013 funktioniert. Ich habe festgestellt, dass einige andere Referenzen zu diesen Artikeln nicht mehr gültig sind.