Danas je nabavljeno nekoliko mjernih instrumenata koji se koriste za indikaciju podešenosti antene na izlazni krug radio predajnika. Ovi instrumenti se popularno zovu SWR metri jer mjere omjer stojnih valova (eng. Standing Wave Ratio) naspram direktnih valova koje generira predajnik u antenskom vodu. Stojni valovi (ili reflektirani valovi) nastaju u antenskom vodu uslijed neprilagođenosti impedancije antene na impedanciju izvora. Nabavljena su tri karakteristična primjerka SWR metra koji osim mjerenja SWR-a imaju još mogućnost mjerenja VF snage koju generira predajnik (POW, POWER), zatim mjerenja jačine elektromagnetskog polja oko antene (FS od eng. Field Strength), a jedan od instrumenata ima i mogućnost mjerenja modulacije AM signala te sadrži promjenjivi antenski filtar za prilagođavanje impedancije antene. U ovu grupu instrumenata dodali smo i jedan mjerač jačine prijemnog signala iz antene, te dva primjerka usmjernih sprežnika (eng. Directional Coupler) koji su temeljni senzori za mjerenja na antenama i antenskim sistemima.
KAKO NASTAJU STOJNI VALOVI
Ako impedancija antene nije u potpunosti prilagođena na impedanciju izvora VF snage, tada će se dio snage koju predajnik šalje prema anteni, umjesto da bude izračena u prostor, reflektirati od antene i antenskim vodom natrag vraćati prema izvoru, odnosno prema predajniku. Taj reflektirani val će u antenskom vodu biti fazno pomaknut od direktnog vala koji ide prema anteni. Na taj način u antenskom vodu imamo dva fazno pomaknuta vala iste frekvencije, od kojih jedan putuje od predajnika prema anteni, a drugi reflektirani putuje u suprotnom smjeru od antene prema predajniku. U takvom okruženju u antenskom vodu se stvara treći val koji predstavlja (vektorski) zbroj opisana dva vala. Taj treći val u vremenskoj domeni ne mijenja svoju fazu, već samo amplitudu, čime će se u antenskom vodu počeci i krajevi tog vala uvijek nalaziti na istom mjestu. Otuda naziv stojni valovi. Naravno, valovi se sastoje od strujne i naponske komponente pa će njihovi fazni pomaci rezultirati pojavom više stojnih valova čije će amplitude biti to veće što je veća i refleksija. Fazni pomaci uzrokuju nejednoličnu raspodjelu jakosti VF struje i napona što stvara gubitke u prijenosnom vodu.
SWR – DEFINICIJA POJMOVA
Omjer reflektiranog napona (Ur) i direktnog napona (Ud) predstavlja faktor refleksije:
VSWR pak se definira kao omjer stojnih valova, odnosno omjer zbroja i razlike susjednih maksimuma napona (Ud+Ur) i minimuma napona (Ud-Ur) direktnog i reflektiranog vala za jednu određenu frekvenciju.
Ovisno i mjerenju može se uspoređivati i omjer struja što se onda označava kao ISWR. SWR pak se u praksi najčešće prikazuje kao omjer snaga (P) reflektiranog i ulaznog signala.
Što se tiče odnosa snage i napona znamo da je snaga je izravno proporcionalna kvadratu napona (P=U2/R). To u konačnom izračunu znači da ako imamo omjer snaga ili SWR=1,5 tada to označava da je reflektirano 4% ulaznog signala, međutim ako je SWR=3 tada to već znači da je reflektirano 25% ulaznog signala.
S obzirom da ovdje čitavo vrijeme govorimo o omjeru, onda se konačna vrijednost SWR-a može izraziti nekom brojkom. Tako se npr. za omjer stojnih valova 3:1 može naći podatak da je SWR=3:1 ili je ista vrijednost prikazana kao SWR=1:3, odnosno može jednostavno pisati da je SWR=3. Ukoliko je SWR=1, to onda znači da nema reflektirane snage već je sva snaga predana anteni.
ŠTO ZAPRAVO MJERIMO MJERENJEM SWR-a
Često se nailazi na podatke o tome koliki je najveći dopušteni SWR kako bi snaga predajnika bila učinkovito iskorištena i kako ne bi došlo do uništenja izlaznih krugova predajnika. Naime, smatra se kako se reflektirana snaga iz antene vraća u predajnik gdje se ista apsorbira, odnosno pretvara u toplinu. Na taj način bi sva reflektirana snaga bila nekorisna, dakle ne bi se izračila preko antene kao korisna snaga već bi se vratila u predajnik gdje bi bila utrošena na zagrijavanje izlaznog stupnja predajnika i u krajnjem slučaju uzrokovala njegovo uništenje. To objašnjenje je vrlo praktično i jednostavno za shvatiti, međutim, u praksi stvari treba sagledati malo drugačije.
Naime, reflektirani val iz antene, kada dospije do predajnika, zapravo se ponovno reflektira prema anteni, pri čemu se dio tog ponovno reflektiranog vala izrači preko antene, dio se apsorbira zbog gubitaka u prijenosnom vodu, a dio se ponovno vrati na ulaz predajnika. Refleksija vala se tako stalno ponavlja od predajnika preko antenskog voda do antene i obrnuto, sve dok se sva energija vala ne potroši na anteni ili u prijenosnom vodu. Stoga SWR (eng. Standing Wave Ratio – omjer stojnih valova) jest pokazatelj prilagođenosti impedancije antene na izvor VF signala, međutim, nije pokazatelj korisne iskorištenosti snage jer i dio reflektiranih valova u ponovnoj refleksiji bude izračen iz antene kao korisna snaga pribrojena snazi direktnog vala.
Da bismo shvatili zašto dolazi do efekta ponovnog odbijanja reflektirane energije moramo usvojiti pojam konjugiranog prilagođenja. Kod konjugiranog prilagođenja gledajući od točke prilagođenja prema izvoru vidimo jednu impedanciju, a gledajući prema trošilu vidimo njenu konjugiranu impedanciju, dakle impedanciju s istim realnim ali suprotnim imaginarnim dijelom. Upravo zbog pojave tih konjugirano kompleksnih impedancija u suprotnim smjerovima dolazi do efekta ponovnog odbijanja jednom reflektirane energije i njezinog trošenja dijelom u vodu i dijelom u neprilagođenoj anteni. U praksi su izlazne impedancije izvora (izlaznog kruga predajnika) kao i antenskih vodova tvornički standardizirane (uobičajeno na 50 Ω) ili ih je moguće jednostavno prilagoditi (obično PI-filtrom na izlazu iz predajnika), te ako je ta rezonancija postignuta onda je i ispunjen uvjet konjugirano kompleksnog prilagođenja. U tim uvjetima sva energija koja se reflektira od neprolagođene antene, u izlaznom filtru predajnika ponovno se reflektira prema anteni.
Dakle prilagodni sklop (antenski tuner) na izlazu iz predajnika u koliko je u rezonanciji sa impedancijom antenskog voda (a što gotovo uvijek i jest slučaj) štiti aktivne izlazne stupnjeve predajnika. Ukoliko prilagodnog sklopa ne bi bilo moglo bi doći do uništenja izlaznih komponenti predajnika zbog pojave prevelike struje ili prevelikog napona, ovisno o tome koliko bi se postigla strujna ili naponska rezonancija sa stojnim valovima. U praksi je dakle idealno postići 50Ω opterećenja na kraju antenskog voda, najgori slučajevi su kratki spoj ili beskonačni otpor (otvoren vod bez opterećenja). U slučaju kratkog spoja na krajevima antenskog voda javit će se maksimalne struje, a u slučaju otvorenog voda na krajevima ćemo imati maksimalni napon. Stoga je najgori slučaj u praksi uključenje predajnika u rad bez antene, odnosno bez bilo kakvog opterećenja, ili pak sa kratko spojenim izlazom na masu gdje se u najgorem slučaju zbrajaju naponske ili strujne komponente valova u vodu na najveću moguću vrijednost pa može doći do proboja izlaznih komponenti ovisno o tome za koje struje i napone su dizajnirane.
Kad antenski vod ne bi imao gubitaka, u slučaju izlaznog stupnja koji je u rezonanciji sa antenskim vodom, dakle u okolnostima stalnog reflektiranja energije između izvora i trošila, zbrojevi svih tih odbijenih energija sa direktnom energijom izvora u konačnici bi pokazali da antena troši svu energiju izvora bez obzira na neprilagođenje voda na antenu i postojanje stojnih valova i SWR-a. No, s obzirom da svaki antenski vod ima gubitke zbog svojih električnih karakteristika (omski i dielektrični gubici) na koje se ne može utjecati, dio direktne kao i reflektirane snage će svaki puta u određenoj mjeri biti potrošen u vodu zbog tih gubitaka, no nikako ne u potpunosti. Time će dakle i samo dio reflektirane (SWR) snage biti izgubljen u gubicima voda, dok će ostatak biti potrošen na anateni (u obliku zračenja ili gubitaka antene), što znači da vrijednost izmjerenog SWR-a ne predstavlja vrijednost gubitka snage u prijenosu. Stvarni gubici su manji od izmjerene reflektirane snage pomoću SWR-a. Tu također treba primijetiti da u direktnom smjeru SWR ne mjeri samo snagu izvora već snagu izvora zbrojenu sa ponovno odbijenom reflektiranom snagom. Stoga kod predajnika veće snage treba računati da se reflektirana snaga zbraja sa direktnom, pa time i dodatno opterećuje antenski vod koji onda mora biti dizajniran da izdrži i tu dodatnu snagu.
Ovdje nećemo ulaziti u detaljna objašnjenja, no da bi se shvatile pojave koje nastaju u antenskom prijenosnom vodu treba prvo razumjeti nastajanje naponskih i strujnih faznih pomaka između direktnih i reflektiranih valova te impedanciju kao njihov omjer u svakoj točki prijenosnog voda. Ta impedancija ima svoj realni i imaginarni dio. Teži se tome da impedancija ima samo realni dio (radni, iskoristivi dio, čisti omski otpor), a da se imaginarni dio poništi (reaktivni ili prividni otpor, kapacitivna ili induktivna komponenta). Imaginarni dio impedancije se poništava spajanjem u seriju čiste imaginarne impedancije suprotnog predznaka. Stoga se prilagodni antenski elementi i filtri uglavnom sastoje od kapaciteta i induktiviteta, odnosno od kondenzatora i zavojnica. Poništavanjem imaginarnih impedancija postiže se rezonancija.
Impedanciju antene je teško prilagoditi najviše zato jer je njena impedancija ovisna o frekvenciji i okružju u kojem se nalazi. Stoga, iako tvorničke antene mogu imati deklaraciju da im je impedancija npr. 50 Ω, to vrijedi samo za jednu određenu frekvenciju i samo u određenim uvjetima postavljanja te antene (na impedanciju antene utječe i okolni prostor, tako da nije isto na kojoj je antena visini od zemlje i kojem je razmaku od drugih objekata u prostoru). Antenu moramo promatrati kao cjelinu koja uključuje sam antenski sustav, zatim prijelazni otpor iz antene u prostor, kao i sam prostor oko antene jer svi ovi čimbenici utječu na njenu impedanciju.
U konačnici, a ono što je praktično jako zanimljivo, izmjereni SWR može biti i višestruko veći od 3 (kao neke preporučene dopuštene granice), a da gubici u prijenosu snage budu mali, no također s druge strane izmjereni SWR može biti i mali, a da gubici pri tome budu svejedno veliki. Dakle bez obzira koliki je SWR kod realnog voda sa gubicima gotovo sva energija koju daje izvor utrošit će se na anteni, ako se izlaznim filtrom predajnika postigne rezonancija. Kad kažemo da će se energija utrošiti na anteni, to ne znači da će sva energija biti izračena iz nje. Dio energije će se pretvoriti u neki drugi oblik na anteni (toplinu) zbog samih gubitaka antene. Ako npr. na SWR metar umjesto antene spojimo lažnu antenu (čisti omski otpor) tada će izmjereni SWR biti 1, dakle idealan, a zapravo energija uopće neće biti izračena u prostor nego će biti pretvorena u toplinu na otporniku lažne antene. Dakle, SWR nije pokazatelj koliko je energije korisno izračeno iz antene u obliku EM vala.
Kad sagledamo sve navedeno postavlja se pitanje čemu nam onda uopće služi SWR metar. Najveća vrijednost SWR metra spojenog u serijski krug predajnika i antene je zapravo indikacija stabilnosti toga sustava na način da se kontrolira stabilnost stojnih valova u antenskom vodu. Na primjer, ako smo utvrdili da nam neki sustav na nekoj frekvenciji odlično radi sa SWR=2, tada bi u radu uvijek trebali imati tu vrijednost. Ukoliko bi se ona značajno promijenila, to bi bio siguran pokazatelj da je negdje došlo do poremećaja u sustavu (obično oštećenja ili prodor vlage na spojeve i konektore antena i antenskih vodova) zbog čega se i promijenilo prvobitno stanje SWR-a.
GDJE MJERITI SWR
Kad bi imali vod bez gubitaka, tada bi SWR bio isti bez obzira gdje je mjeren i bez obzira koliko je vod neprilagođen na antenu. No, zbog gubitaka koje unosi sam antenski vod prijenosu VF energije nije svejedno na kojem dijelu antenskog voda vršimo mjerenje SWR-a. U praksi gubici u antenskom vodu uvijek postoje i poznati su za svaki tip kabla (proizvođač ih daje u specifikacijama kao podatak o slabljenju u dB/m), a ovise o karakteristici i dužini kabla kao i frekvenciji vala koji se tim vodom prenosi. Dakle, kod antenskog voda sa gubicima, u slučaju neprilagođenja SWR je niži na dijelu bliže predajniku, a viši na dijelu bliže anteni. Ovo se događa iz jednostavnog razloga jer je snaga reflektiranog vala oslabljenja tijekom putovanja kablom od antene natrag prema predajniku, pa će SWR na dijelu bliže predajniku i prikazati manju snagu od stvarno reflektirane na anteni. Stoga je za točno mjerenje SWR metar potrebno spojiti što bliže anteni. Ovo često nije praktično jer se antene nalaze na stupovima i uglavnom nepristupačnim mjestima. Zato se SWR obično mjeri odmah iza predajnika, no u tom slučaju je potrebno uz pomoć podataka o antenskom vodu (dužina, slabljenje) i radnoj frekvenciji izračunati slabljenje reflektiranog vala, odnosno stvarni SWR na anteni (postoje i gotovi dijagrami za ove izračune). Danas već postoje SWR metri sa ugrađenim bežičnim modulima za prijenos izmjerenih veličina, pa se takav SWR može praktično i trajno montirani odmah do antene, čime je izbjegnuta greška u očitanju zbog slabljenja antenskog voda. No zaključno rečeno, mjerenje SWR-a bliže predajniku u praksi će uvijek dati manje (bolje) rezultate od stvarnih koji su prisutni u vodu.
Osim zbog slabljenja antenskog voda pogrešan prikaz vrijednosti SWR-a može nastati i zbog drugih efekata i pojava koje pod određenim okolnostima nastaju u antenskom vodu kao što su promjena impedancije stojnog vala ili transformacijski efekt napojnog antenskog voda, no, unatoč mogućim pogreškama SWR metar je vrlo raširen indikator stanja i prilagođenosti antenskog sustava na predajnik, posebice jer je jednostavan i jeftin za izradu.
PRINCIP MJERENJA SWR-a
Pri prijenosu VF energije govorimo o naponskim i strujnim komponentama, odnosno o snazi, a te veličine su međusobno u poznatim odnosima u zatvorenom strujnom krugu. U praksi je najlakše direktno izmjeriti napon, pa je tipični SWR metar zapravo najčešće VSWR metar sa skalom baždarenom u vatima. Indirektno mjerenje napona ima najmanji utjecaj na antenski vod pa takav (V)SWR može biti trajno spojen serijski u krug predajnika i antene. Iz navedenih razloga u praksi se oznake VSWR i SWR često miješaju.
Postoji nekoliko različitih izvedbi SWR metra. Osnovna podjela je prema načinu uzimanja dijela VF energije iz antenskog voda u svrhu mjerenja, pa tako imamo SWR metre koji se baziraju na usmjernom sprežniku (eng. Directional coupler) i SWR metre koji se baziraju na strujnom transformatoru. Kod SWR metra sa usmjerenim sprežnikom prenesena snaga na mjerne žice jako ovisi o frekvenciji pa se za svako mjerenje na različitoj frekvenciji instrument mora ponovno kalibrirati. Kod SWR metra sa strujnim transformatorom pokazivanje ne ovisi o frekvenciji ali su ovi instrumenti donekle složeniji za izradu. Koriste se VF transformatori sa feritnom (obično prstenastom) jezgrom.
Druga podjela SWR metra je prema načinu prikaza izmjerenih veličina, pa tako imamo SWR metre sa jednim instrumentom, sa dva instrumenta, sa jednim dvostrukim instrumentom sa ukriženim kazaljkama ili sa digitalnim, odnosno računalnim prikazom vrijednosti. Ovisno o načinu prikaza donekle se razlikuju i postupci mjerenja tim instrumentima:
- SWR sa jednim analognim instrumentom ima sklopku (FWD – REF) kojom se prebacuju dva potrebna mjerenja: prvo mjerenje direktnog napona (FWD), a zatim mjerenje reflektiranog napona (REF). Kod prvog mjerenja potenciometrom se kazaljka instrumenta dovede na maksimalni otklon skale (obično označen kao točka baždarenja), a zatim se sklopka prebacuje na REF te se očita vrijednost reflektirane snage (obično izravno na skali baždarenoj u vrijednostima SWR-a koji je izračunat iz vrijednosti direktnog i reflektiranog napona). Ovakav najjednostavniji SWR metar ponegdje se naziva i reflektometar.
- Kod SWR-a sa dva analogna instrumenta iznosi spomenutih dviju veličina napona mogu se pratiti istovremeno pa nije potrebna sklopka za prebacivanje vrste mjerenja. I ovdje se instrument za direktno mjerenje potenciometrom dovodi na puni otklon kako bi se na drugom očitao SWR. Potenciometar je dvostruki, pa kako se mijenja predotpor na jednom instrumentu tako se u istom iznosu mijenja i na drugom. Na taj način se uvijek dobije isti odnos između spomenuta dva mjerenja. Kod nekih naprednijih izvedbi ugrađena je automatska elektronička kalibracija punog otklona.
- SWR metar sa ukriženim kazaljkama istovremeno pokazuje snagu predajnika i reflektiranu snagu (obje skale su baždarene u vatima), a SWR se očitava na trećoj skali koju pokazuje sjecište ukriženih kazaljki. Na takvom instrumentu očitava se konkretna vrijednost snaga direktnog i reflektiranog vala (a ne samo njihov međusobni omjer), no najveća prednost ovog instrumenta je mogućnost stalnog praćenja promjena ukoliko se snaga ili SWR predajnika mijenja tijekom rada bez potrebe za kalibracijom.
- SWR metri sa digitalnim prikazom koriste iste detektore direktnog i reflektiranog napona (usmjereni sprežnik ili strujni transformator), jedino što se te veličine zatim digitaliziraju za obradu u mikroprocesorima i prikaz vrijednosti na nekom digitalnom pokazivaču ili zaslonu. Tako vrijednost može biti prikazana pomoću niza LED, na LCD-u ili pak na zaslonu računala.
MJERENJE SNAGE
Kao što smo već spomenuli, kod mjerenja SWR-a ne očitava se neka konkretna vrijednost (napona, struje ili snage) već se samo uspoređuje odnos između tih veličina u direktnoj i reflektiranoj grani. Za takvo mjerenje je dovoljno samo baždarenje kazaljke u direktnom smjeru na neki maksimalni otklon skale kako bi se zatim u odnosu na taj maksimum očitao neki manji iznos u reflektiranom smjeru. Kod mjerenja VF snage pak je potrebno očitati konkretnu vrijednost izraženu u vatima što znači da ovdje mora postojati i dobro kalibrirana skala instrumenta za čitav opseg mjerenja.
Svaki SWR metar se u direktnom smjeru mjerenja može promatrati i kao mjerač VF snage koja se šalje na antenu, pa zato i gotovo svaki SWR metar ima i mogućnost mjerenja VF snage iz predajnika sa izravnim očitanjem na skali baždarenoj u vatima. Spomenuli smo da se kod mjerenja SWR-a instrument kalibrira prije svakog mjerenja te se očitava samo omjer ulazne i izlazne snage čime je i mogućnost pogreške manja. Na tu pogrešku mjerenja SWR-a najviše utječe simetričnost koja mora biti postignuta između obje mjerne grane, a ona se lako provjeri spajanjem instrumenta u obrnutom smjeru te usporedbom da li se kazaljke isto otklanjanju. Međutim kod mjerenja stvarne vrijednosti snage u vatima instrument mora biti dobro kalibriran za čitav opseg mjerenja, a i onda na točnost izmjerene vrijednosti utječe više faktora kao što su kvaliteta upotrijebljenih komponenti u sklopu, konstrukcijska i električna izvedba u cilju smanjenja parazitskih induktiviteta i kapaciteta i sl. Mjerenje snage je uvijek najbolje vršiti sa lažnom antenom kako bi se izbjegao utjecaj stojnih valova. Prema tvorničkim podacima pogreške mjerenja jednostavnih SWR metara su oko 5% za mjerenje SWR-a i oko 10-20% za mjerenje VF snage.
VF snaga se može mjeriti na dva načina: direktnim mjerenjem napona preko izvoda na antenskom vodu ili indirektno mjerenjem napona preko sprežnika ili transformatora. Prvi način je jednostavniji i mogu se mjeriti manje snage ali se ovim mjerenjem više utječe na sam napojni antenski vod. Ako pak se koristi indirektna metoda preko usmjernog sprežnika onda je potrebno za svaku frekvenciju na kojoj se mjeri snaga izvršiti kalibraciju jer snaga prenesena unutar sprežnika jako ovisi o frekvenciji. Stoga proizvođač obično daje tablicu iz koje je vidljivo na koliko treba postaviti potenciometar (predotpor) instrumenta u ovisnosti od frekvencije koju mjerimo, kako bi očitani rezultati odgovarali (što bliže) stvarnom stanju.
Kod mjerača SWR-a i snage instrument mora biti što osjetljiviji i sprežnik sa što manje gubitaka kako bi se mogle mjeriti što manje snage. Što su elementi sprežnika duži, to će isti biti osjetljiviji, međutim što su oni kraći to će biti točniji. U načelu vrijedi da dužina elemenata sprežnika ne prelazi ¼ valne duljine frekvencije na kojoj se mjeri. Općenito se jednostavni instrumenti sa sprežnikom i analognim instrumentom mogu koristiti samo za snage preko 1W. Za niže snage koriste se mosne metode ili pojačala.
Točnost i jednostavnost mjerenja SWR-a i VF snage ovisi o kvaliteti, složenosti, a time i cijeni mjerača kojim se koristimo. Jednostavni SWR metri kakve ovdje opisujemo bili su posebno popularni u vrijeme raširene radio amaterske gradnje različitih predajnika za amaterske opsege. Tada su se jednostavni SWR metri često radili u samogradnji. Većina današnjih (boljih) predajnika ima u sebi ugrađene sklopove za indikaciju SWR-a, kao i sklopove za automatsku prilagodbu antene na antenski vod ili automatsko smanjenje snage predaje u slučaju porasta vrijednosti SWR-a. Jasno da je SWR samo pokazatelj prilagođenosti sustava predajnik – antenski vod – antena, a sama prilagodba se vrši posebnim sklopovima – antenskim prilagođivačima. Često su SWR i antenski prilagođivač smješteni u istom kućištu.
Za točniju analizu antena razvijeni su antenski analizatori. To su puno složeniji i kompleksniji mjerni instrumenti od SWR metra, te obično sadrže vlastiti izvor referentnog VF signala i mjerni most povezan u sklopove detektora i automatske regulacije. Osim mjerenja SWR-a i VF snage omogućuju i mjerenje impedancije u realnom vremenu i to radne i reaktivne komponente zasebno. Samim time njima je moguće mjeriti kapacitet i induktivitet. Obično imaju VF generator sa mogućnošću skeniranja u određenom frekvencijskom opsegu čime je omogućeno pronalaženje nepoznate rezonantne frekvencije antena. Prikaz vrijednosti može biti digitalni ili kombinacija analognog i digitalnog prikaza, a napredniji uređaji imaju različite grafičke prikaze, ponekad i izravno na Smith-ovom dijagramu impedancije.
PRIMJERI
Prvi primjerak našeg SWR metra izveden je sa usmjernim sprežnikom i dva instrumenta, a njegova shema je prikazana na donjoj slici.
Usmjerni sprežnik sastoji se od debljeg vodiča između dviju priključnica, jedne za spajanje predajnika, a druge za spajanje antenskog voda sa antenom. Paralelno tom debljem vodiču postavljena su na međusobno suprotnim stranama dva tanja vodiča. U tim tanjim vodičima će se pod djelovanjem VF magnetskog i električnog polja iz središnjeg debljeg vodiča inducirati struje. Ako nema stojnih valova jakost struje u paralelnim vodičima na dijelu koji je bliže anteni biti će nula, dok će na dijelu koji je bliži predajniku imati neku maksimalnu vrijednost. Grana sprežnika od predajnika do antene (sa diodom bliže priključnici antene) reagira samo na napon direktnog vala u antenskom vodu pa se preko nje mjeri snaga koja odlazi u antenu. Slično tome, druga grana sprežnika reagira samo na napon reflektiranog vala pa se preko nje mjeri reflektirana snaga. Na osnovu ta dva izmjerena napona dobije se njihov omjer – SWR na jedan od opisanih načina.
Prilikom mjerenja dvostruki potenciometar mora se podesiti na maksimalni otklon instrumenta u direktnoj grani. Kako okretanje potenciometra djeluje i na instrument u reflektiranoj grani, na tom će instrumentu biti pokazana vrijednost odnosa između reflektiranog i direktnog napona. Da ne bi došlo do stvaranja stojnih valova na paralelnim žicama sprežnika njihovi krajevi su zaključani otpornicima (otpornici moraju biti neinduktivni, dakle najbolje ugljeni). Otpor ovih otpornika ovisi o karakterističnom otporu antenskog voda (za 50Ω kabele otpornici imaju svaki po 150Ω, a za 75Ω kabele njihova vrijednost je po 100Ω). Diodama (obično germanijskim tipa AA) ispravlja se VF napon za prikaz na instrumentu.
Shema opisanog SWR metra pokazuje da se radi o vrlo jednostavnom uređaju. S obzirom da se snaga mjeri preko usmjernog sprežnika kod ovog instrumenta je potrebno za svaku frekvenciju potenciometrom podesiti određeni predotpor kako bi se kompenzirala različita vrijednost inducirane snage kod različitih frekvencija, odnosno kako bi se na skali očitala točna vrijednost. Mjerenje jačine polja (FS) sa ovakvim jednostavnim instrumentom svodi se zapravo na indikaciju podešenosti predajnika na najveću izračenu snagu iz antene. Tako instrument sa spojenom FS antenom postavimo na neki razmak od antene predajnika, a zatim podesimo otklon kazaljke npr. na sredinu skale. Nakon toga podešavamo izlazne ili antenske filtre na najveći otklon kazaljke, odnosno time na najveću izračenu snagu iz antene.
Slijedeći model SWR metra ima jedan instrument i sklopku za prebacivanje vrste mjerenja (FWD-REF). Jednako kao i gore opisani SWR metar i ovim je mjeračem osim SWR-a moguće mjeriti izlaznu snagu predajnika (PWR) i izračenu snagu iz antene (FS).
Unutrašnjost otkriva usmjerni sprežnik kao način uzimanja uzorka VF signala.
Po shemi pak se uočava nešto složenija struktura od prethodnog primjerka: zbog korištenja samo jednog instrumenta dodana je sklopka za prebacivanje mjerenja, zbog proširenja opsega mjerenja VF snage dodana su dva potenciometra za kalibraciju, a s obzirom da se uzorak za mjerenje snage uzima izravno s antenskog voda dodani su RC filtri i potrebni predotpori. Na taj način je snagu predajnika moguće mjeriti neovisno o frekvenciji.
Treći i najsloženiji primjerak SWR metra ima dodanu funkciju mjerenja AM modulacije, te ugrađen antenski filtar za CB frekvencije 27 MHz (25-40 MHz). Bez antenskog filtra parametri se mogu mjeriti u opsegu frekvencija od 1,5-144 MHz.
I ovdje se koristi usmjerni sprežnik.
Pogled na izvedbu antenskog “PI” filtra…
Shema instrumenta, iako najsloženija od navedenih primjera, još uvijek otkriva relativno jednostavan sklop koji pruža mogućnost mjerenja i podešavanja svih važnih parametara u anteskom sustavu nekog CB predajnika. Zbog jednostavnosti prikaza nisu iscrtani svi pinovi sklopki instrumenta, no bitno je uočiti kako se na jednostavan način dobiva uzorak VF signala s jedne točke na antenskom vodu, a zatim se uz upotrebu minimuma komponenti taj signal prilogađava za prikaz vrijednosti svih mjerenja. Mjerenje modulacije funkcionira samo za amplitudne modulacije gdje se koristi jednostavni diodni demodulator za dobivanje NF signala iz VF nosioca. Za frekvencijske modulacije bio bi potreban složeniji demodulator, a više o tome možete pročitati u objavi RADIOMETER MODULATION METER TYPE AFM1.
Vezano uz opisane mjerače ovdje ćemo kratko predstaviti i jedan instrument koji služi za mjerenje jačine dolaznog signala iz antene, konkretno predviđen za podešavanje satelitskih antena na najbolji signal. Radi se o jednostavnom instrumentu koji se sastoji od ulaznog filtra, diodnog detektora i pojačala. Napajanje se vrši preko priključnice satelitskog prijemnika naponom koji služi za napajanje LNB-a (13-18V). Ovdje antenski vod dakle služi za prijenos izmjeničnog VF signala, te istovremeno za prijenos istosmjernog napona napajanja. U elektroničkom sklopu pak se ova dva napona lako razdvajaju kondenzatorom (koji propušta samo izmjenični napon) i zavojnicom (koja propušta samo istosmjerni napon) te se svaki zasebno dalje dovodi na odgovarajuće komponente sklopa. Ulazni filtar propušta samo željeni opseg frekvencija kako bi se blokirale smetnje (950-2250 MHz). Dvije diode za detekciju RF signala jasno se vide uz antenski konektor, obično se koriste brze Schottky diode (npr. 1SS99). Pojačalom se RF signal pojačava na vrijednost potrebnu za prikaz na instrumentu. Obično se koriste operacijska pojačala (TLC271 ili sl.). U našem slučaju integrirani krug pojačala je montiran ispod trimer potenciometra za baždarenje instrumenta pa mu ne možemo očitati oznaku. Osim instrumenta u ovaj uređaj ugrađena je i zvučna indikacija prisutnosti signala. Jasno je da ovakav jednostavni instrument reagira na sve frekvencije u propusnom opsegu filtra, pa samim time ne možemo znati koji satelitski transporder trenutno hvata antena već samo jačinu njegovog signala. Zato je potrebna i paralelna kontrola na satelitskom prijemniku ili pak ovakav instrument možemo koristiti samo za fino podešavanje na već prisutni poznati signal.
Na kraju dajemo prikaz dva sprežnika, od kojih je jedan izveden klasično kao u gornjim primjerima, a drugi je sa transformatorom.
Za prvi sprežnik deklariran frekvencijski opseg od 800-2500 MHz,a prigušenje u spregnutoj grani iznosi 10 dB. U uvodu smo rekli da prijenos snage na spregnutu granu kod ovog tipa usmjernog sprežnika ovisi o frekvenciji, a ujednačenost je postignuta posebnim dizajnom spregnutih linija. Dimenzioniran je za snage do 100 W.
Transformatorski sprežnik ima radni opseg frekvencija od 3-1200 MHz. Transformatoski sprežnici su manje ovisni od frekvencije pa se navodi podatak kako se ovaj sprežnik može koristiti sve do 4 GHz. Prigušenje snage u mjernoj grani kroz čitav opseg frekvencija varira od 26 do 30 dB, što je prilično ujednačeno.
Treba napomenuti kako ova dva primjerka spadaju u jeftinije izvedbe sprežnika, no zadovoljavaju amaterske potrebe za mjerenja na antenama u cijelom radnom području. Ukoliko se mjerenje rezonancije antene vrši uz upotrebu VF signal generatora i VF analizatora signala tada se razlike u prijenosu snage kroz frekvencijski opseg prije mjerenja normaliziraju tako da ova pojava nema utjecaj na mjerenje. Kvalitetu sprežnika u tom slučaju određuju samo podaci o prigušenjima.
Predstavljene SWR metre u ovoj objavi nismo posebno imenovali jer se ionako radi o generičkoj serijskoj proizvodnji iz japanskih tvornica (sa dizajnom nepromijenjenim od 1980-tih godina), gdje se isti proizodi zatim dobavljaju različitim trgovinama koje na njih stavljaju svoj logo i oznake. Prvi primjerak na sebi nema nikakvih oznaka modela ili proizvođača, a to može značiti da dobavljač nije htio trošiti dodatna stredstva na otisak loga kako bi instrument mogao biti ponuđen po što jeftinijoj cijeni. Svi ovi SWR metri (u cjenovnom razredu do 30-tak Eura) uglavnom imaju vrlo slične karakteristike, mogućnosti i tolerancije. Boljim (digitalnim) SWR metrima i antenskim analizatorima cijena pak se kreće od 60 Eura na više i u današnje su vrijeme možda isplatljivija kupnja jer za nešto više novaca ipak nude više mogućnosti. No, ovo razmišljanje moramo završiti primjedbom kako ti novi jeftini analizatori sa svojim displejima i finim tipkama ipak ne mogu ljepotom konkurirati starom vintage dizajnu analognih instrumenata sa pripadajućim višepinskim sklopkama i robusnim potenciometarskim gumbima 🙂