Reflektometry, jejich návrhy a výpočty

Měřič SWR, nebo-li reflektometr, musí splňovat určité požadavky. Především musí mít takové vlastnosti, aby sám neovlivnil vlastnosti systému vedení-anténa. Toho se rozhodně nedočkáme u levných továrních výrobků se směrovým vedením vyleptaným na plošném spoji, protože toto nemá správnou impedanci, a jeho zapojením do soustavy rozhodíme její impedanční vlastnosti.

Pokud se budeme zabývat základní konstrukcí reflektometru, pak máme na výběr několik systémů.

Konstrukce se směrovým vedením je velmi rozšířená, a to hlavně u levných přístrojů pro CB, kde je směrové vedení vyleptáno na plošném spoji, nebo u profesionálních přístrojů, kde je použita koaxiální směrová odbočnice s přesně definovanou impedancí. Jediná použitelná konstrukce je právě ta s koaxiální směrovou odbočnicí, protože vedení vyleptané na plošném spoji nemá definovanou impedanci, a jeho zapojením do vysílací soustavy znehodnotíme její impedanční vlastnosti. Vzhledem k délce vln a tím i potřebné délce směrových odboček se tyto přístroje konstruují spíše na vyšší frekvence, na KV se s nimi nejspíše nesetkáme. Lze sice zkonstruovat směrové vedení na KV, ale jeho rozměry mohou být na překážku. Nejvýhodnější jsou tyto systémy na 2m a 70cm pásmech. Směrová vedení jsou dosti kmitočtově závislá, a proto se nepoužívají na přístroje s velkým frekvenčním rozsahem.

Konstrukce s toroidním transformátorkem jsou méně kmitočtově závislá, než směrová vedení, a s výhodou se tak používají na celé KV radioamatérské pásmo, zpravidla 1.8-50MHz. Jejich výhoda je v malých rozměrech samotného vedení, protože směrové odbočky zde nejsou dlouhými linkami, ale vinutím na feritovém toroidním jádru. Tyto systémy mají velmi dobré vlastnosti na KV, a levné přístroje s leptanými vedeními se k tomuto systému kvalitou ani zdaleka nepřiblíží. Amatérská konstrukce reflektometru s toroidním transformátorkem není vůbec složitá, ani nákladná, a lze takto získat levně velmi kvalitní přístroj.

Konstrukce s využitím můstku Nejsou vůbec závislá na kmitočtu, a tudíž by nebyl problém sestrojit zařízení na celé radioamatérské pásmo. Problémem je to, že na konstrukci je třeba kvalitních bezindukčních odporů, které však seženeme na zatížení max. pár Wattů. To nás rapidně omezuje jen na přístroje pro měření při velmi malých výkonech. Co se týče měření, jsou tyto můstky od předchozích zařízení odlišné v tom, že neměří dopřednou a odraženou vlnu, ale impedanci, kterou přepočítáváme na hodnotu odrazu (SWR)

Přístroje se směrovými vedeními

Jak jsem již psal výše, správné směrové vedení musí mít správnou impedanci. Toho docílíme pouze sestrojení koaxiálního směrového vedení, a to buď čtvercového průřezu, nebo kulatého. Čtvercová komora je jednodušší na amatérskou výrobu, protože ji můžeme spájet třeba z cuprextitu, a konektory můžeme vyvést jak souose, nebo třeba do strany (pro vyvedení na zadní stranu přístroje. Pro kruhovou komoru použijeme měděnou trubku, na jejíž konce musíme nainstalovat konektory souose. Délka komory neovlivňuje impedanci, ale musíme brát v potaz potřebnou délku odboček, která se zpravidla volí v délce 3-10% Λ. Délka větší než 10% již nemá smysl. Příliš krátké odbočky zase nemají potřebnou citlivost, a musíme je zapustit hlouběji do komory, což se zase negativně podepíše na přesnosti měření.

Odbočky vašak musí mít naprosto stejný vazební útlum, a proto je ponecháme zatím v takovém stavu, aby je bylo možné výškově nastavit. Po připojení vyhodnocovacího obvodu podle prvního schematu dole zapojíme do konektoru TRX, a do konektoru ANT zátěžový bezindukční odpor 50Ω, přepneme na odraženou vlnu, a zakončovací odpor z jedné strany odbočky na zem (50-200Ω) vybereme tak, aby při nastavení potenciometru na max. citlivost byla výchylka rafičky měřidla na nule. Pak otočíme zapojení - přehodíme TRX a ANT, přepneme na dopřednou vlnu, a při stejném zakončovacím odporu na odbočce pro dopřednou vlnu nastavíme hloubku zapuštění odpočky pro dopřednou vlnu tak, aby opět byla výchylka měřidla na nule. Pak opět otočímě zapojení TRX a ANT, a zkontrolujeme, zda jdou obě odbočky při nastavení na měření SWR na nulu (SWR1). Samozřejmě vždy musí bnýt místo antény připojený zatěžovací bezindukční odpor 50Ω.

Jak vidíte na obrázku, jako hlavní vedení slouží kulatina (mosazná, měděná), na koncích zbroušená do kužele, který je zapájen do konektorů na koncích. Odbočky jsou tvořen měděným drátem ohnutým do "U" a protaženým stěnami komory přes izolační průchodky. Hloubka uložení odboček určuje citlivost, ovšem nesmí být příliš velká, aby nebyla mezi odbočkami vzájemná vazba, která by snižovala přesnost. Většinou se zapouštějí cca 1-1.5mm od stěny komory. Jednu odbočku použijeme pro měření dopředné vlny, druhou pak pro měření vlny odražené. Je vhodné, aby jak střední vodič (kulatina), tak i odbočky byly z materiálu s kvalitní povrchovou úpravou (nejlépe postříbřené, nebo je alespoň vyleštíme Silichromem). Pro pásmo 70 cm je již třeba věnovat výrobě jistou pečlivost, izolační průchodky doporučuji v tomto pásmu teflonové.

Jak víme, délka komory-koaxiálního vedení- nemá vliv na impedanci. Tu ovlivní pouze průměr středního vodiče a komory. Ty tedy musíme vypočítat.

---

Výpočet čtvercové koaxiální komory

Z- impedance
L- strana čtverce komory (mm)
R- poloměr středního vodiče (mm)

Takže pro 50Ω systém budou rozměry například:
komora 17.5x17.5mm, průměr středního vodiče 8mm, nebo
komora 13x13mm, průměr středního vodiče 6mm

Výpočet kruhové koaxiální komory

Z- impedance
D- vnitřní průměr komory (mm)
d- průměr středního vodiče (mm)

Takže pro 50Ω systém budou rozměry například:
Vnitřní průměr trubky 20mm, průměr středního vodiče 8,7mm, nebo
Vnitřní průměr trubky 18mm, průměr středního vodiče 7,8mm, nebo
Vnitřní průměr trubky 16mm, průměr středního vodiče 7mm, nebo
Vnitřní průměr trubky 14mm, průměr středního vodiče 6mm, atd.

Přístroje s toroidním transformátorkem

Tato konstrukce se používá převážně v oblasi KV. Jekonstrukčně jednoduchá, ale při tom vykazuje velmi dobré vlastnosti a na tak jednoduché zařízení i dostatečnou přesnost. V podstatě jde o jedoducý transformátor se třemi vinutími, kdy jeden závit primárního vinutí tvoří průchozí koaxiální kabel, a sekundární vinutí bifilární vinutí smaltovaým drátem zpraidla 0.3-0.5mm. Pozor, průchozí koaxiální kabel má na straně trx stínění ukončené bez zapojení, na straně ANT je stínění uzemněno. Takto zapojené opletení funguje jako stínění primárního vinutí (průchozího vodiče) , čímž se eliminuje parazitní kapacitní vazba mezi primárem a sekundárem. Opakuji, že stínění musí být uzemněno jen na jedné straně, jinak by vznikl závit nakrátko. Toto opatření zajistí širokopásmovost reflektometru.

Také je nutné upozornit, že průchozí koax. kabel by neměl být zbytečně dlouhý. Oba konektory proto montujeme cca 4-5cm od sebe. Zbytečně dlouhé toto průchozí vedení, tvořící primár trafa, by při větších délkách zvětšovalo reaktanci, a reflektometr by tak narušoval impadanční vlastnosti systému TRX-napaječ-anténa.

Jednodušší varianta má pouze jedno sekundární vinutí. Počet závitů sekundárních vinutí se pohybuje kolem 10-15. Po navinutí spojíme konec prvního vinutí se začátkem druhého vinutí. Jedno vinutí nám pak snímá postupnou vlnu, druhé odraženou vlnu. Jako jádro použijeme toroid malých rozměrů, materiál například H12, H20,21,22, nebo například naše Prameťácké N1, N2, ale u nich doporučuji slepit vždy dvě jádra k sobě kvůli sycení.

Na schematech můžete vidět dva nejpoužívanější způsoby zapojení s toroidním trafem. První schema je s transformátorem s jedním sekundárním vinutím, na druhém schematu se dvěma sekundárními vinutími. Zařízení se osazuje do stíněné krabičky, a to tak, aby součástky byly rozmístěny symetricky, tak, jako ve schematu.

Existují ještě jiná zapojení, tzv. dvoutoroidní, ale ta jsou již náročnější. Mají i větší nároky na výběr materiálu jádra samotného, na kvalitu celých transformátorů (proudového a napěťového), ale například i zatěžovacích odporů. Proto se zde zabýváme jen jednotoroidními konstrukcemi. Kdo by měl zájem o problematiku dvoutoroidních reflektometrů, nebo by se zajímal o problematiku návrhů reflektometrů s toroidem více do hloubky, doporučuji časopis Radioamatér, číslo 3, ročník 2002, str.10.

---

Nastavení těchto reflektometrů není nijak složité. Přístroj s jedním vinutím zapojíme k TRX a do konektoru ANT zapojíme zátěžový bezindukční odpor. Přepneme na měření SWR, a kapacitním trimrem na straně antény nastavíme na nulovou (nejmenší) výchylku měřidla. U traf s dvojvinutím postupujeme stejně, potom zapojení otočíme- do konektoru ANT zapojíme TRX, a do konektoru TRX zapojíme zátěžový odpor. Přepneme na dopřednou vlnu, a opět kapacitním trimrem (opět tím u zatěžovacího odporu- tedy tím druhým), nastavíme na nulovou výchylku. Pak proces opakujeme, protože se trimry mohou ovlivňovat. Pokud není možné nastavit měřidlo na nulovou výchylku, je buď špatný zatěžovací odpor, nebo jsme nepracovali dost pečlivě. Také má vliv materiál jádra, počet závitů a hodnota zátěžového odporu mezi vinutíma. Nejvíce problémů bývá na 1.8MHz.

Vyhodnocovací obvody pro reflektometry

Jako vyhodnocovací obvod můžeme použít klasické zapojení rafičkového měřidla 100uA s předřazeným potenciometrem a přepínačem, přepínajícím mezi dopřednou a odraženou vlnou. Není to nic složitého. Ještě lze zařízení doplnit o přepínač výkonů s předřazenými trimry, což nám umožní použít potenciometr menší hodnoty, díky čemuž bude ovládání příjemnější- nebude tak citlivý. Doporučuji použít potenciometr s logaritmickým průběhem, ale lze použít bez problémů lineární.

---

Podstatně komfortnější vyhodnocovací obvod získáme použitím speciálního integrovaného obvodu, který vznikl z potřeby úzce specializovaného obvodu pro anténní analyzátory a podobná zařízení. Tento obvod zobrazuje hodnoty přímo, bez jakéhokoliv přepínání, či nastavování rafičky měřidla potenciometrem, jako u běžných zapojení.

Jedná se o osmivývodový obvod AD8302 (pouze v SMD provedení), který má dva VF vstupy, a dva stejnosměrné výstupy. Na vstupy se jednoduše přivedou VF napětí z detektoru postupné a odražené vlny. Pozor, na vstupy se přivádí přímo VF napětí, takže u směrové odbočnice, či zapojení s toroidem vynecháme všechny součástky, a přivedeme přímo z odbočnice, či trafa do vstupů!!! Přívody provedeme velmi kvalitním koaxiálním kabelem, při čemž oba kabely musí být naprosto stejně dlouhé! Vstupy jsou schopné zpracovat VF signály až 2,4GHz. Výstupy jsou také dva, na spojených vývodech 12 a 13 máme rozdíl mezi postupnou a odraženou vlnou, tedy SWR, a na spojených vývodech 9 a 10 najdeme fázový rozdíl mezi vstupními signály. Můžeme tak buď využít jen jeden výstup pro zobrazování jen hodnoty SWR, nebo oba výstupy, kdy kromě hodnoty SWR bude po přepnutí zobrazován fázový rozdíl mezi postupnou a odraženou vlnou ve stupních. Výstupy jsou napěťové, při použití jen na měření SWR musíme nastavit měřidlo tak, aby ukazovalo plnou výchylku při 0.9V, což je nekonečné SWR (při 0V je SWR 1). Pokud chceme využít i měření fáze, musíme měřidlo nastavit tak, aby ukazovalo plnou výchylku při 1.8V. Nekonečné SWR tak bude uprostřed stupnice, SWR 1 bude na začátku stupnice a na jejím konci, tedy od prostředka stupnice se bude k oběma koncům snižovat na 1. Stupnice pro obě zapojení jsou pod schematem na vytištění a nalepení na panelové měřidlo.

Případné konstruktéry však musím upozornit, že obvod AD8302 lze velmi snadno zničit (a při jeho ceně 530,-Kč není o co stát). Vstupy jsou totiž dost citlivé na překročení maximálního výkonu, který není nijak velký. Vstupy zpracovávají výkony v rozsahu 1nW až 1mW. Překročením vstupního výkonu 1mW obvod zničíme. Když se podíváte na schemata, na vstupech jsou atenuátory s útlumem něco přes 20dB. Záleží tedy na útlumu mezi průchozím vedením reflektometru a jeho směrovými odbočkami, či vinutím trafa. Jelikož nepředpokládám, že by někdo měřil SWR při kW, nebude problém při běžných konstrukcích. Protože toto nemá za cíl být přesným návodem na zhotovení zařízení, ale obecným návrhem, ponechávám přesné přizpůsobení úrovní na případném konstruktérovi, který by měl mít už určité znalosti ve VF a neměl by to pro něj být velký problém. Jestliže budeme chtít měřit v rozsahu 1-1000W, musíme zpracovat výkon snímaný odbočkami 1mW-100W. To znamená že potřebujeme celkový útlum od odbočky po svorky obvodu AD8302 celkem -60dB. Pokud započítáme vstupní atenuátor, vazební útlum samotné odbočnice musíme mít -40dB. Pokud by naše odbočnice měla útlum -20dB, celkově by to s atenuátorem bylo -40dB, omezilo by ná to na měření při max. výkonu 10W. Pokud by však vstupní atenuátor byl na překážku, lze jej jednoduše vynechat, a zapojit obvod dle datasheetu.

Největším problémem bylo sehnat integrovaný obvod AD8302, ale lze jej objednat u firmy AMTEK s.r.o. Brno, Vídeňská 125 za 530,-Kč. Hotový plošný spoj pro SMD konstrukci bylo možné objednat ZDE. Nevím však, jestli je tato možnost ještě aktuální.

Měření SWR můstkovou metodou

Jedná se o měření můstkovou metodou, které je velmi přasné. V podstatě se porovnávají parametry pevných součístek v můstku s parametry antény připojené také do tohoto můstku. Skutečnost je však taková, že toto zařízení neměří dopřednou a odraženou vlnu, ale impedanci, kterou při popisu měřidla přepočítáváme na SWR. Výhodou tohoto uspořádání je to, že lze měřit nejen reálnou impedanci, ale i reaktanční složky, čímž vznikne jednoduchý anténaskop. Nevýhodou však je, že musíme použít bezindukční odpory, které neseženeme na větší výkonové zatížení, a proto jsme omezeni na měření SWR při velmi malých výkonech, nebo na vstup místo připojení TRXu musíme vyrobit VF generátor. Často tak tento princip "měření" SWR používají bastlíři v oblasti PMR, či sdílených FRQ. Takový klasický můstek vidíme na schematu. Odpory v můstku nemají hodnotu 50Ω, ale 33Ω, aby bylo možné měřidlo nastavit na počáteční hodnotu 33 a ne 50Ω, díky čemuž nám ukazuje i hodnoty pod 50Ω. Měřidlo pak popíšeme po kalibraci pomocí zátěžových bezindukčních odporů hodnot 33Ω (SWR1,5 na počátku měřidla), 50Ω (SWR1), 75Ω (SWR1.5), 100Ω (SWR2) atd. Při kalibraci na 33Ω Nastavíme trimrem rafičku na počátek stupnice. Takže stupnice pak bude 1,5-1-1,5-2-3-atd. (impedančně to pak bude 33-50-75-100-150-atd.

Můstek však můžeme zapojit tak, že budeme měřit skutečně odraz. Nejdříve sejmeme dopřednou vlnu pro kalibraci měřidla na plnou výchylku, a pak přepneme na odraženou vlnu, kdy nám měřidlo ukáže procentuálně amplitudu odražené vlny vůči dopředné vlně, takže stupnici měřidla se 100 dílky můžeme ponechat beze změny, takže nám bude ukazovat odražený výkon (20 dílků = 20% odraženého výkonu). Podle odporů v můstku na schematu dole jsme omezeni maximální zatížitelností na 1.2W.

Při konstrukci můstku na 70cm pásmo vřele doporučuju SMD montáž, nebo vzdušnou montáž s vývody skrácenými na nezbytné minimum.

Cejchování měřidla

U reflektometrů, kde kalibrujeme přístroj před měřením na dopředné vlně na plnou výchylku měřidla, nám po přepnutí na měření odrazu ukazuje měřidlo procetuálně odraz vůči postupné vlně. Díky tomu můžeme jednoduše vypočítat a ocejchovat měřidlo přímo na hodnoty SWR, které vypočítáme ze vztahu odražené vlny E_REV (% stupnice odražené vlny) k dopředné vlně E_FWD (vždy 100% stupnice): (E_FWD+E_REV):(E_FWD-E_REV) tedy například
při hodnotě 50% stupnice měřidla to bude: (100+50):(100-50)=150:50=SWR3
při hodnotě 20% stupnice měřidla to bude: (100+20):(100-20)=120:80=SWR1,5.

Takto ocejchované měřidlo musí odpovídat hodnotám naměřeným při připojení zátěžových odporů místo antény. Pokud neodpovídá, provedli jsme nevhodně konstrukci, nebo jsme nepoužili bezindukční odpory. Nejvíce problémů se dočkáme na pásmu 70cm, kde nám již tato VF neodpustí žádný sebemenší nedostatek.

---