Transmissionsledningar och Smithdiagrammet

Relevanta dokument
Spolen och Kondensatorn motverkar förändringar

Impedans och impedansmätning

Spolen och Kondensatorn motverkar förändringar

Impedans och impedansmätning

1 Grundläggande Ellära

HFT 38, Tentamen i högfrekvensteknik, kurskod EEM , 08:30 i VV -salar. Längd: 4 timmar.

3.4 RLC kretsen Impedans, Z

Impedans! och! impedansmätning! Temperatur! Komponentegenskaper! Töjning! Resistivitetsmätning i jordlager!.!.!.!.!

Växelström i frekvensdomän [5.2]

Växelström i frekvensdomän [5.2]

AC-kretsar. Växelströmsteori. Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum: Examinator/Tfn: Hans Åkerstedt/ Skrivtid:

Effektförstärkare Klass B för 900 MHz

ELLÄRA Laboration 4. Växelströmslära. Seriekrets med resistor, spole och kondensator

T1-modulen Lektionerna Radioamatörkurs OH6AG Bearbetning och översättning: Thomas Anderssén, OH6NT Heikki Lahtivirta, OH2LH

Sven-Bertil Kronkvist. Elteknik. Komplexa metoden j -metoden. Revma utbildning

Instruktioner för laboration 2, Elektromagnetism och elektriska nät 1TE025 Elektriska system 1TE014

10. Kretsar med långsamt varierande ström

IE1206 Inbyggd Elektronik

Radioprojekt våren 2002 Antennförstärkare Jimmy Johansson e98 Fredrik Åhfeldt e98 Handledare: Göran Jönsson

Mätningar med nätverksanalysator

Laboration i Radioteknik Design av RFID-antenn

Elektriska och elektroniska fordonskomponenter. Föreläsning 4 & 5

Om ellipsen och hyperbelns optiska egenskaper

IE1206 Inbyggd Elektronik

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

Föredrag om antennteknik på RS-03. Antenner. Lite grunder för nybörjare och andra.

LabVIEW - Experimental Fysik B

Ordlista 5A:1. term. faktor. täljare. nämnare. Dessa ord ska du träna. Öva orden

Växelström K O M P E N D I U M 2 ELEKTRO

10. Kretsar med långsamt varierande ström

Föreläsning 12. Tidsharmoniska fält, komplexa fält (Kap ) Plana vågor (Kap ) i Griffiths

10. Kretsar med långsamt varierande ström

10. Kretsar med långsamt varierande ström

Komplexa tal. j 2 = 1

Simulering av en OCFD matad i 10%-punkten Av SMØGLD

1. Skriv Ohm s lag. 2. Beräkna strömmen I samt sätt ut strömriktningen. 3. Beräkna resistansen R. 4. Beräkna spänningen U över batteriet..

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

EDI615 Tekniska gränssnitt Fältteori och EMC föreläsning 4

IF1330 Ellära KK1 LAB1 KK2 LAB2. tentamen

Elektroteknikens grunder Laboration 1

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 17 juni 2014, kl 9:00-14:00

Symmetri är ett begrepp, som kan berika matematikstudierna i alla åldrar.

IE1206 Inbyggd Elektronik

Sedan tidigare P S. Komplex effekt. kan delas upp i Re och Im. Skenbar effekt är beloppet av komplex effekt. bestämmer hur hög strömmen blir

Ellipsen. 1. Apollonius och ellipsen som kägelsnitt.

Grundläggande ellära Induktiv och kapacitiv krets. Förberedelseuppgifter. Labuppgifter U 1 U R I 1 I 2 U C U L + + IEA Lab 1:1 - ETG 1

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation

Utforska cirkelns ekvation

Spolens reaktans och resonanskretsar

IF1330 Ellära KK1 LAB1 KK2 LAB2. tentamen

Svar och Lösningar. 1 Grundläggande Ellära. 1.1 Elektriska begrepp. 1.2 Kretslagar Svar: e) Slinga. f) Maska

Trefassystemet. Industrial Electrical Engineering and Automation

T1-modulen Lektionerna Radioamatörkurs OH6AG

Referens :: Komplexa tal version

Inociell Lösningsmanual Endimensionell analys. E. Oscar A. Nilsson

Kap 3 - Tidskontinuerliga LTI-system. Användning av Laplacetransformen för att beskriva LTI-system: Samband poler - respons i tidsplanet

Elektriska komponenter och kretsar. Emma Björk

IF1330 Ellära KK1 LAB1 KK2 LAB2. tentamen

Qucs: Laboration kondensator

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum:

För ett andra ordningens system utan nollställen, där överföringsfunktionen är. ω 2 0 s 2 + 2ζω 0 s + ω0

Fö 10 - TSFS11 Energitekniska System Synkronmaskinen

Fö 10 - TSFS11 Energitekniska System Synkronmaskinen

Undersökande arbetssätt i matematik 1 och 2

Ledningar med förluster. Förlustfria ledningar. Rum-tid-diagram. Bergerondiagram. Appendix: Härledning av Bergerondiagrammet

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Ingmar Leisse Industriell Elektroteknik och Automation

Ellära och Elektronik Moment AC-nät Föreläsning 5

Ur vårt Digitala Arkiv

KRAMERS-KRONIGS DISPERSIONSRELATIONER

Arkitektur och teknik, Teknisk fysik, Teknisk matematik Antagningsprov MATEMATIK

Fö 2 - TMEI01 Elkraftteknik Trefas effektberäkningar

METALL/STRÖM DETEKTOR

Elektricitetslära och magnetism - 1FY808. Lab 3 och Lab 4

Kapitel: 31 Växelström Beskrivning av växelström och växelspänning Phasor-diagram metoden Likriktning av växelström

Tentamen i Elektronik, ESS010, del1 4,5hp den 19 oktober 2007 klockan 8:00 13:00 För de som är inskrivna hösten 2007, E07

Relativitetsteorins grunder, våren 2016 Räkneövning 3 Lösningar

Laboration 2: Konstruktion av asynkronmotor

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Sammanfattning av likströmsläran

Antenner. Mobila GP-antenn (vertikaler) Wireantenn.

i=1 β i a i. (Rudolf Tabbe.) i=1 b i a i n

4. Elektromagnetisk svängningskrets

TSFS11 - Energitekniska system Kompletterande lektionsuppgifter

Planering Geometri år 7

Referens :: Komplexa tal version

LTK010, vt 2017 Elektronik Laboration

3. Mekaniska vågor i 2 (eller 3) dimensioner

Enklare uppgifter, avsedda för skolstadiet

Tentamen på del 1 i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

Högskoleprovet Kvantitativ del

TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av föreläsning 9. Cirkelkriteriet. Sammanfattning av föreläsning 9, forts. Amplitudstabilitet hos svängningar

TENTAMENSUPPGIFTER I ELEKTROTEKNIK MED SVAR

M0038M Differentialkalkyl, Lekt 8, H15

Möbiusavbildningar. 1 Inledning. Låt a, b, c och d vara komplexa tal och antag att ad bc = 0. Då kallas. Definition 1.

Hambley avsnitt

Komplexa tal. i 2 = 1, i 3 = i, i 4 = i 2 = 1, i 5 = i,...

Viktigt! Glöm inte att skriva Tentamenskod på alla blad du lämnar in.

Poincarés modell för den hyperboliska geometrin

Transkript:

Transmissionsledningar och Smithdiagrammet Gudmund Wannberg SM3BYA 2016-02-23 Snabbrepetition: spänningar och strömmar på transmissionsledningar vandrande vågor ledningsimpedans (Miss)anpassning, reflexioner, stående vågor Hur en lastimpedans transformeras längs en ledning Beskrivning av Smithdiagrammet, praktiska övningar... Lösning av anpassningsproblem mha Smithdiagram Demonstrationsexempel: SM3BYA 7 MHz sloping dipole

Vi börjar med en liten repetition -

Vågekvationerna för stationär signal där I luftisolerad ledning (=1) har dessa ekvationer lösningarna Dessa lösningar representerar två vandrande vågor med amplituderna V1 och V2 som utbreder sig i motsatta riktningar på ledningen t.ex. påtryckt och reflekterad våg på en missanpassad matarledning!

Samma sak fast knyckt från kurskompendium från Cornell University -

Reflektionskoefficienten ΓL definieras som ΓL= V- / V+ = [(ZL/Zo) -1] / [(ZL/Zo) +1] där Z Zo ledningens impedans. Observera att Z och därmed också Γ kan vara komplexa! L L L är lastens impedans och Ståendevågförhållandet SWR definieras som SWR = (1 + ΓL ) /( 1 - ΓL ) Här tar vi beloppet av Γ för att SWR skall bli en reell storhet. L

Transmissionsledningen som impedanstransformator En impedans ZL ansluten vid ändan av en transmissionsledning med impedans Z0 kommer efter en ledningssträcka z i riktning mot generatorn att ha transformerats till en ny impedans Zz: ZL = Z0 (1 + γ) / (1 γ) där γ = ΓL exp (2 ikz), k = 2πf LC = 2πf / u och f = arbetsfrekvensen, u = relativa våghastigheten De här ekvationerna ser ju ganska knöliga ut och är inte helt enkla att lösa numeriskt men då kan vi istället ta hjälp av Smithdiagrammet!

Så nu kommer vi äntligen till Smithdiagrammet men vad är det egentligen? Smithdiagrammet är en avbildning av högra halvplanet av komplexa impedansplanet (dvs R > 0) på ett cirkulärt diagram med radie = 1 Rent matematiskt är Smithdiagrammet en s.k. Möbiusavbildning: Z = (1+Γ) / (1-Γ) Avbildningen har den egenskapen att man med enkla vridningar och förflyttningar av punkter i diagrammet kan transformera impedanser, beräkna SWR och konstruera anpassningsnät Avbildningen är normerad, d.v.s. ledningsimpedansen sätts = 1 och alla andra impedanser skalas i proportion därtill Det innebär att samma Smithdiagram kan användas för vilken kabelimpedans som helst med hjälp av enkla multiplikationer.

Impedans Reflexionsfaktor Z = (1+Γ) / (1-Γ)

Komplexa impedansplanet i Cartesianska (rätvinkliga) koordinater När en passiv komponent (kabel, antenn, resistor m.m.) påtrycks en spänning U släpper den fram en ström I. I det allmänna fallet är både U och I komplexvärda. Komponentens impedans Z är då jχ 2 1 (1.5, 1.0) Z = (U / I) = R + j Χ där R är den resistiva delen och j Χ den reaktiva delen. Impedansen kan plottas som en punkt vid (R, jχ ) i impedansplanet. Passiva komponenter förbrukar alltid effekt, dvs deras R > 0. I ett Cartesianskt koordinatsystem ligger deras impedanspunkter därför alltid i högra halvplanet. Punkter med samma R ligger på lodräta linjer, punkter med samma jχ ligger pss på horisontella linjer... R = 1,5 jx=1 R 0,0 1 2 3-1 (1.5, -2.0) -2 jx=-2

I Smithdiagrammet ligger alla Z med samma R på en cirkel. R = 0 - cirkeln (kortslutning) sammanfaller med diagrammets yttergräns. R = 1 - cirkeln går genom diagrammets mittpunkt; den är viktig! Alla cirklar tangerar diagrammets yttergräns vid R - axelns högra ända. jχ 2 R = 1,5 1 1 2 3 R -1-2 R = 1,5

I Smithdiagrammet ligger alla Z med samma j X på en cirkelbåge. j X > 1 bågarna (induktiva reaktanser) ligger i övre halvan, j X < 1 bågarna (kapacitiva reaktanser) ligger i nedre halvan. j X = 0 - bågen (rent resistiv impedans) är den vågräta linjen genom diagrammets mittpunkt. jx=1 jχ 2 1 jx=1 1 2 3 R -1-2 jx=-2 jx=-2

Om vi lägger in både R-cirklarna och jx-cirkelbågarna i samma diagram ser vi att jx-bågarna alltid skär R-cirklarna i rät vinkel, dvs avbildningen (cartesianskt system => Smith) bevarar fasvinklar! Våra två punkter Z = (1,5 + j 1,0) och Z = (1,5 - j 2,0) hamnar i skärningspunkterna mellan (R = 1,5) cirkeln och de två cirkelbågarna j X = 1,0 respektive j X = -2,0 jχ 2 1 R = 1,5 (1.5,1.0) 1 jx=1 2 3-1 -2 (1.5,2.0) jx=-2 R

Smithdiagram för impedans Runt diagrammets ytterkant finns tre skalor. De två yttre är graderade i våglängder. De är viktiga; jag återkommer till dem..

Så förflyttar man sig i Smithdiagrammet Man börjar med att markera den punkt i diagrammet som svarar mot den normerade impedansen i startsnittet (vid antennen eller motsv.). Denna punkt är entydig; varje möjlig kombination av R och jx motsvaras av exakt en punkt i Smithdiagrammet, Sedan ritar man in en radie från diagrammets mittpunkt (1,0) till den markerade punkten, För att se hur startimpedansen transformeras längs matarledningen på väg mot generatorn (sändaren) vrider man radien medurs en vinkel motsvarande kabelns elektriska längd vid arbetsfrekvensen. Som hjälp använder vi skalan Wavelengths towards generator. OBS att ett helt varv runt diagrammet motsvarar en halv våglängd (180o); detta därför att impedansen är periodisk med period = λ/2! Vid radiens spets gör man en ny markering och läser av de transformerade normerade impedanserna R' och jx'.

Impedansanpassning för amatörbruk mha Smithdiagrammet Med impedansanpassning förstår vi vanligtvis konsten att transformera en antennimpedans Za (50 + j 0) till en kabelimpedans Z0 = (50 + j 0) över ett så stort frekvensintervall som möjligt med så få komponenter som möjligt Vi ska nu se hur man i ett verkligt fall kan ta Smithdiagrammet till hjälp för att hitta en lösning...

Övningsobjekt: SM3BYA 7 MHz sloper Hänger från masttoppen i 45o mellan stagen i riktning NW Matarledning: Från dipolen till mark 12m RG-58/U Från marknivå in till rig 25 m RG-17 Vid riggen en MFJ matchbox Den första punkt där man kommer åt att göra ingrepp är i övergången från RG-58 till RG-17

SM3BYA 7 MHz sloper: impedanser före matchningsförsök 12 m från matningspkt Efter ytterligare c:a 20 m RG-17 Efter matchbox Vi ser att SVF på kabeln är högt, c:a 3,5 vid 7 MHz. Efter matchboxen kan man dock få ner det till 1,0... Lägg märke till den lilla cirkeln centrerad på diagrammets mitt. Innanför den är SVF < 2. Denna cirkel finns inte med i det ursprungliga Smithdiagrammet men finns numera rätt ofta med i plottarna från moderna antenninstrument.

Anpassning steg 1: 12 m RG-58/U utan balun från dipolen ner till mark. Därefter 25 m RG-17 till rig. Jag öppnar i RG58/RG17övergången och tar upp ett Smithdiagram med RigExpert:

Från det här diagrammet kan jag nu uppskatta dipolens impedans i matningspunkten genom att gå moturs en sträcka motsvarande 12 m RG-58..

Från matningspunkten (grön) till kabeländen (röd) är det c:a 12 m RG-58, vilket motsvarar 0,43 λ (7 MHz) Därför går jag nu från kabeländen (röd) moturs 0,43 λ ( Wavelengths towards load ) och kommer till matningspunkten (grön), där jag finner att Zo (7) = 75+ j 75 Dipolen är närmast resonans vid ungefär 6,7 MHz, d.v.s. vid 7 MHz är den c:a 4,5 % för lång. VSWR (7) = 3,6:1

Anpassning steg 2: Transformera impedansens realdel vid kabelskarven till 50 Ω m.h.a. en kabelstump Jag mäter åter upp impedanskurvan i ändan på RG-58-kabeln (c:a 10 m från dipolens matningspunkt) Sedan försöker jag uppskatta hur många våglängder vi ska vrida kurvan för att 7,0 MHz-punkten ska falla på (R=1) cirkeln; när den gör det är impedansens realdel = 50 Ω. Det visar sig bli 0,056 λ, vilket motsvarar c:a 1,5 m extra RG-58. Så jag skarvar i en c:a 1,2 meter lång stump RG-58 (som råkar finnas till hands) och mäter impedansen igen...

Min uppskattning visar sig stämma ganska bra, med 1,2 meter extra kabel inkopplad hamnar 7 MHz-punkten på den vridna impedanskurvan nästan exakt på (R=1) cirkeln, vid punkten (R=1, X= j 1,4). Därmed har jag fixat så att R = 50 Ω i ändan av kabeln. Nästa steg blir nu att släcka ut reaktansen genom att vrida ner 7 MHzpunkten längs (R=1) cirkeln så att den hamnar på (R=1, X=0). Det gör jag genom att i 1,2 meterskabelns fria ände lägga in en seriekondensator med seriereaktans -j 70 Ω vid 7 MHz, vilket svarar mot 325 pf.

Anpassning steg 3: Släck ut impedansens reaktiva del genom att koppla in en lika stor reaktans med motsatt tecken i serie med kabeln. Se bara efter seriekondensatorn får jag nu fram en impedanskurva där 7 MHz punkten ligger nästan exakt på (R = 1, X = j0). Jag har alltså med hjälp av en koaxstump och en seriekondensator skapat ett så gott som reflexionsfritt snittställe på matarledningen vid den första punkt där man kommer åt att göra ett ingrepp i den. Därifrån och vidare in till riggen kommer nu resten av matarkabeln att vara fri från stående vågor och alltså ha lägsta möjliga förluster!

Ekvivalentschema för serieanpassningen 0.056 λ RG-58/U (1,2 m) Från antenn VSWR 3,6 330 pf VSWR < 1,1 I snittet till höger om seriekondensatorn är det nu nästan perfekt anpassning!

Serieanpassning med linjesektion: sammanfattning Enkel - kräver bara två komponenter: en kabelstump en seriereaktans (antingen kondensator eller spole) Fungerar bra för SWR 4 i gränssnittet och fasvinkel 3/8 λ (135o), Kabelstumpen blir aldrig fysiskt längre än 0,25 våglängder, Seriereaktansen kan man med fördel montera i en vattentät siluminlåda med koaxkontakter i ändarna, Om man även har möjlighet att kapa lite på kabeln som kommer från lasten kan man hantera alla fasvinklar, Tips: När du sätter upp en antenn vars impedans du inte är säker på, använd lågförlustkoax från matningspunkten ner till mark eller till en annan punkt där du kommer åt kabeln. Mät impedansen där med RigExpert, plotta som Smithdiagram, serieanpassa sedan till 50 Ω.

Smithdiagrammet kan användas till mer Genom att spegla impedanspunkter i diagrammets mitt kan man gå över i admittansdomän, Där löser man enkelt problem med parallellkopplade komponenter, Man kan också använda diagrammet för att analysera och syntetisera nät som består av enbart kondensatorer och spolar (inga ledningar), Men i dag går vi inte in på några av dessa områden - Om intresse finns kan vi ta dem till hösten...

Några nyttiga länkar https://en.wikipedia.org/wiki/reflections_of_signals_on_conducting_lines https://en.wikipedia.org/wiki/electrical_impedance#complex_impedance https://en.wikipedia.org/wiki/m%c3%b6bius_transformation https://courses.cit.cornell.edu/ece303/lectures/lecture21.pdf https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/.../742 https://en.wikipedia.org/wiki/smith_chart http://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/mathematical-construction-andproperties-of-the-smith-chart/ http://antennadesignassociates.com/smith.htm 139$!