|
Trefwoorden |
Zender uitgangsvermogen en SWR Inleiding In de hobby van radio-zendamateur is de meting van de kwaliteit van het
antennecircuit en vooral het uitgangsvermogen van de zender een min of meer
vast onderdeel van de uitrusting. Het is daarom een beetje verwonderlijk, dat
veel amateurs genoegen nemen met een aanwijzing hiervan, die op zijn minst
onnauwkeurig is en doorgaans ronduit onbetrouwbaar. Zo wordt bij de meting
van het uitgangsvermogen meestal uitsluitend de spanning gemeten op de
antenne uitgang, en hieruit het totaal afgegeven vermogen bepaald. In de
eerste plaats geeft zo'n meting een wat ongelukkige meterschaal omdat het
vermogen schaalt met het kwadraat van de antenne spanning. De meter zal
daarom uitgerust moeten zijn met een niet-linaire
en exponentiële schaalaanwijzing. De veel gebruikte draaispoel meter vertoont
echter een lineaire uitslag bij een lineaire ingangstroom,
zodat voor dergelijke vermogensmeters een nieuwe schaal moet worden
ontworpen. Veel vervelender is echter dat deze wijze van meting er stilzwijgend
vanuit gaat dat het antennesysteem perfect is aangepast en er geen reflectie
optreedt vanaf enig onderdeel in dit circuit. Dat laatste is echter
twijfelachtig voor de meeste antenne systemen en voor systemen op de
HF-banden doorgaans onjuist. Bij zo'n enkelvoudige meting is de meetfout
afhankelijk van de staande-golf verhouding in dit systeem en geeft bij SWR =
3 al een misaanwijzing van 26%. Zeker wanneer zuinig met het vermogen moet
worden omgegaan zoals in QRP installaties, is een dergelijk fout vaak niet
aanvaardbaar. Een juiste meting van het vermogen in de antenne houdt rekening met
de reflecties in het antennesysteem volgens Pant = Pforw - Prefl, waarbij deze
grootheden apart gemeten en verrekend dienen te worden. Bij toepassing van
een directional coupler
worden de hieraan gerelateerde spanningen Vforward
en Vreflected
bepaald, waarna de berekening Pant = (Vf2
- Vr2)/Rsys moet worden uitgevoerd. Voor
een juiste meting dient dus te worden gerekend. Voor de aanwijzing van de reflectie factor dient eveneens te worden
gerekend. De reflectiefactor 'ρ' volgt uit de berekening: ρ = Vrefl / Vforw, waarna
desgewenst de staande-golf verhouding kan worden berekend volgens SWR = (1 +
ρ) / (1 - ρ). In simpele SWR meters wordt deze 'berekening'
omzeilt, door eerst de meter te schakelen in de voorwaartse richting, waarbij
het meetsysteem op maximum uitslag moet wordt gebracht. Vervolgens wordt
omgeschakeld naar de gereflecteerde component. In deze handeling is de
vereiste deling impliciet verdisconteerd, omdat de interne potentiometer
dubbel is uitgevoerd en dus ook de meting voor het gereflecteerde signaal met
dezelfde correctie wordt uitgelezen als het heengaande signaal. Andere
systemen meten expliciet het heengaande en gereflecteerde vermogen, waaruit
de andere grootheden door de gebruiker kunnen worden berekend. De betere vermogens- en/of reflectie meters zijn tegenwoordig
uitgerust in digitale technieken, waarin het rekenwerk wordt uitgevoerd door
een micro-processor. Bij juiste afregeling kunnen
dit soort meters nauwkeurig zijn en kosten dan ook meerdere honderden Euro's. Het verhaal hierna grijpt terug op een wat oudere, analoge techniek.
Hiermee is het nog steeds mogelijk om met eenvoudige middelen en daarom tegen
lage kosten een nauwkeurig meetsysteem te realiseren dat alle hierboven
genoemde berekeningen zonder veel problemen uitvoert. De hierbij gebruikte
meters kunnen van het lineaire type zijn en geven dan meteen de juiste
waarden van het vermogen en de reflectiefactor, bij invoer van de
voorwaartse en gereflecteerde spanningen aan de ingang. Het besproken
meetsysteem heeft volle-schaal bereiken van 10, 20, 50, 100, 200 en 500 Watt,
zodat het kan worden ingezet voor heel lage vermogens tot en met het
wettelijk toegestane maximum. Bij het ontwerp van de schakeling werd er rekening mee gehouden dat
alle componenten ruim verkrijgbaar moesten zijn en tegen lage prijzen. De kosten zouden daarom
nauwelijks een barrière hoeven zijn voor een
juiste meting van het antenne vermogen en de reflectie coëfficiënt van
het antenne systeem. Wanneer hierin nauwkeurige weerstanden worden toegepast (1%) en de
toegepaste transistoren worden 'uitgezocht', kan hiermee een verrassend
nauwkeurig meetsysteem worden ontworpen, dat kan werken over een breed scala
van ingangspanningen en kan wedijveren met
aanzienlijk duurdere en professionele meet systemen. Het hart van de schakeling wordt gevormd door een tweetal analoge
vermenigvuldiging- en delingschakelingen. Deze
schakelingen zijn opgebouwd rond een viervoudige operationele versterker en
vier transistoren en verzorgen het interne rekenwerk en de aansturing van de
lineaire meters. Dit rekendeel wordt aangestuurd door een tweetal identieke
schakelingen, waarin de spanningsdetectie vanuit een directionele coupler wordt geliniariseerd en
het spanningsbereik wordt aangepast aan de rekenschakeling. Elk van deze twee
kanalen bestaat uit een dubbele operationele versterker met een handvol
passieve componenten daarom heen. Het geheel wordt gevoed met
een positieve en negatieve voedingspanning van 15 V., bij een stroom van
maximaal 2 x 35 mA. Ook de voeding kan dus eenvoudig blijven. De analoge rekenschakeling In de volgende figuur vinden we de deler uitvoering van de analoge
rekenschakeling, die werkt volgens het logaritmische principe. In elk van de
ingangskanalen van de linker operationele versterkers wordt de ingangspanning omgezet in een logaritmische
uitgangspanning, die daarna bij elkaar worden opgeteld. De logaritmische som
van deze signalen wordt vervolgens in een anti-logaritmische schakeling
(versterker links onder) weer omgezet naar het niveau van de ingangspanning. In deze omzetting kan tevens een derde
(logaritmische) spanning worden afgetrokken (versterker rechts boven),
waardoor de schakeling zich effectief gedraagt als een vermenigvuldiger en
deler. Details over dit soort schakeling zijn te vinden in een ander artikel
dat geheel aan dit soort analoge
vermenigvuldigers is gewijd. Hierin worden ook grafieken gegeven voor de
nauwkeurigheden en het dynamische bereik dat met deze schakelingen kan worden
gehaald.
De delerschakeling van figuur 1 bestaat uit
een viervoudige opamp, hier de NE5514 vanwege zijn
lage offset stroom en -spanning. Andere opamps die aan
dezelfde criteria voldoen, kunnen natuurlijk ook. De vier transistoren zijn
willekeurige NPN types, die zijn uitgezocht op gelijkheid. Hiertoe worden de
collectors verbonden met de basis en wordt een stroom van rond 0,5 mA door de
transistor gestuurd, bv. door deze in serie met een weerstand van 18kOhm aan
te sluiten op een voeding van 10 V. Met een digitale voltmeter wordt de
basis-emitter spanning gemeten, liefst met een resolutie van 1 mV. De absolute waarde is niet belangrijk maar de
gebruikte transistoren moeten binnen enkele mV. aan
elkaar gelijk zijn. Hierdoor kan verdere afregeling op off-set
van de schakeling achterwege blijven. De transistoren binnen de gestippelde
rechthoek zijn het meest gevoelig voor ongelijkheid, maar alle transistoren
moeten voldoende dicht bij elkaar in de buurt liggen. Alle transistoren worden vervolgens op (of in) hetzelfde blokje /
plaatje metaal aangebracht om ze op dezelfde temperatuur te houden. Welke
temperatuur dat is, is niet belangrijk maar wel dat deze voor allemaal gelijk
is. De lineaire meter is hier een 100 uA type,
maar kan ook een andere gevoeligheid krijgen, mits de serie weerstand (2k7 +
5k6) hierop wordt aangepast. De meter van deze delerschakeling
wijst de reflectiefactor 'ρ' aan. Eventueel kan een SWR schaal / tabel
worden gemaakt volgens de formule: SWR = (1 + ρ) / ( 1 - ρ) Alle niet nader aangeduide dioden zijn van een willekeurig type en
dienen alleen voor verschillende beveiligingen. Afregelen van de meter gaat het eenvoudigst door een (gelijk-)spanning
van 2 V. op de ingang Vf aan te brengen, met de
halve waarde via een (laag-Ohmige) weerstanddeler op Vr (spanning
controleren; de nauwkeurigheid van de meter hangt hiermee samen!). Met de
potmeter 'meter set' wordt de meter ingesteld op de helft van de maximale
schaalwaarde. In de wiskunde is delen door het getal 'nul' niet toegestaan, omdat
de uitkomst 'onbepaald' is. In de schakeling uit zich deze situatie door een uitgangspanning die naar de plus of
min voedingspanning loopt (~ oneindig), afhankelijk van de toevallige off-set spanning van de betreffende opamp.
Een weerstand van 1 MOhm tussen de voedingspanning en punt '5' van de deler opamp, brengt de wijzer van de meter weer op '0'.
(weerstand naar V+ bij een negatieve uitslag, naar V- bij een positieve
wijzeruitslag). De vermenigvuldiger schakeling is opgebouwd rond dezelfde schakeling,
maar wordt op een wat andere wijze aangestuurd.
|
