Dnes si povieme niečo o PSV, čo to vlastne je, prečo je dôležité o ňom vedieť a pravidelne ho merať, ako sa počíta, aká hodnota je už kritická a čo sa deje ak nie je rovné 1:1. Nebudeme ho definovať čisto matematicky (kto má záujem na internete je množstvo informácií) ale prakticky z pohľadu rádioamatéra i keď základnej definícií sa nevyhneme.
Čo je to teda PSV
PSV (v angličtine SWR) je skratka pre termín pomer stojatého vlnenia. Je to teda nejaká bez rozmerná jednotka ktorá nám hovorí o tom či a ak áno v akom pomere sa vyskytuje stojaté vlnenie vo vf napájači. Táto odpoveď so sebou prináša ďalšie otázky takže poďme si najskôr zadefinovať základné vlastnosti ktoré s tým súvisia.
Najskôr trocha teórie
Ak si predstavíme klasické zapojenie transceivera s koaxiálnym káblom z jednej strany pripojeným do jeho anténneho konektoru a na druhej strane pripojeným do antény potom dostávame sústavu kde Transceiver (v TX móde) je zdroj vf energie, koaxiálny kábel nazveme napájač a anténu ako záťaž alebo ak chcete spotrebič. V ideálnom prípade celá VF energia z transceivera prejde cez napájač do antény kde sa celá vyžiari do okolitého prostredia. Keďže však žijeme v reálnom svete a nie v ideálnom ako už správne tušíte nebude to také jednoduché.
Ako to teda je
Tých zložitostí je v reálnom svete ešte viac ako sa na prvý pohľad zdá. Ak by sme sa s nimi všetkými zaoberali hneď od začiatku asi by sme sa zamotali a nikam neposunuli. Preto si to hneď na začiatku uľahčíme tým že budeme uvažovať o anténe ktorá vyžiari takmer všetku energiu ktorú do nej dopravíme. Nebudeme sa zaoberať jej rezonančným kmitočtom ani stratami v jej prispôsobovacich prvkoch ani tým či je horizontálne polarizovaná alebo vertikálne taktiež nás nebude zaujímať či je symetrická ani akú ma sústavu zemných radiálov ani nič podobné. Ako vidíte je tu len okolo antén toľko otázok že by sme sa skutočne zamotali a to nechcem. Antény sú kapitola sama o sebe veľmi rozsiahla takže teraz nás bude zaujímať iba jediný parameter a tým je jej impedancia.
Aby sme dopravili čo najviac energie z transceivera do antény musia byť splnené 3 podmienky. Impedancia všetkých troch súčastí (zdroj, napájač, zátaž) musí byť rovnaká príp. napájač môže mať aj inú impedanciu ale v tom prípade bude záležať na jeho presnej dĺžke v závislosti od frekvencie VF energie ale toto teraz nebudeme riešiť. Niekto by mohol oponovať že môžme použiť aj iný ako koaxiálny napájač príp. transformátory impedancie ale my budeme v tomto prípade uvažovať o zapojení Transceiver, koaxiálny kábel a anténa s rovnakou príp. podobnou impedanciou. Ak teda budú tieto impedancie rovnaké energia z transceivera prejde cez napájač do antény kde sa takmer celá vyžiari. Nie celá, pretože v reálnom svete sa uplatňujú vodivostné a dielektrické straty koaxiálneho kábla, konektorov a samotnej antény. Tieto straty budú však v prípade že zvolíme kvalitné materiály minimálne a s výsledkom budeme spokojní.
Čo sa stane v prípade rozdielnej impedancie
Ak však nastane situácia že impedancie nebudú rovnaké (napr. impedancia antény sa bude líšiť od impedancie transceivera a koaxiálneho kábla) nastane jav ktorému hovoríme stojaté vlnenie. VF energiu ktorá vychádza z transceivera do antény môžme vnímať ako vlnu v smere k anténe, táto energia má určitú silu a tú budeme charakterizovať ako priamy výkon (v angličtine Forward). V prípade že anténa ma odlišnú impedanciu určitá časť tejto vlny sa nevyžiari anténou ale odrazí sa späť k transceiveru. Túto odrazenú energiu budeme charakterizovať ako odrazený výkon (v angličtine Reflected). Tým že sa nám celý výkon šíri jedným smerom a jeho odrazená časť druhým dostávame spomínané stojaté vlnenie. Už na prvý pohľad je jasné že priamy výkon bude vždy väčší ako odrazený. Ak by sa aj celá časť odrazila bude maximálne rovnaký i keď v reálnom svete práve z dôvodu spomínaných strát bude vždy menší ako priamy.
Prečo by to malo vadiť
Mohli by sme si povedať že nám to nevadí nech sa tam odráža vždy sa nejaká časť vyžiari takže v podstate po niekoľkých cykloch bude aj tak jeho prevažná časť vyžiarená. Toto však neplatí v prípade koaxiálneho kábla s bežným dielektrikom. Stojaté vlnenie totiž nemajú radi koaxiálne káble resp. dielektrikum použité medzi stredným vodičom a opletením. Čím je stojaté vlnenie väčšie tým väčšie straty v koaxiálnom kábli nastanú tzn. že našu energiu utlmia a už sa nikdy nevyžiari do priestoru ale premení sa na teplo. Uznajte sami že transceiver ako zdroj pre výrobu tepla a koaxiálny kábel ako výhrevné teleso nie je zrovna to prečo nás fascinuje tento koníček. Aby sme tento jav nejako jednoznačne charakterizovali číslom zaviedol sa pojem POMER STOJATÉHO VLNENIA – PSV
Ako je PSV charakterizované matematicky
PSV je možné vypočítať z rôznych veličín (impedancií, napätí, výkonov …) v našom prípade hovoríme o výkonoch takže matematicky sa jedná o toto :
PSV = (1+√(Pr/Pf)) / (1-√(Pr/Pf))
Pr – Je odrazený výkon
Pf – Je priamy výkon
V prípade že sa všetok výkon vyžiari hovoríme o PSV 1:1. Menej ako 1:1 byť nemôže pretože odraziť sa nemôže menej výkonu ako žiaden a každé väčšie číslo ako 1 znamená že sa v sústave nachádza stojaté vlnenie. Napr. ak PSV = 3:1 znamená to že 25% výkonu sa odráža späť. V prípade že PSV = 2:1 je to už iba 11%.
Meranie PSV
Na meranie PSV používame PSV metre alebo anténne analyzátory. O anténnych analyzátoroch som už písal v minulom článku. PSV metre sú v podstate pasívne merače priameho a odrazeného výkonu (i keď v skutočnosti merajú napätia a ich stupnice sú ociachované vo wattoch ale o tom niekedy inokedy). Inštalujú sa medzi transceiver a anténu. Tento merač využije energiu transceivera v TX móde ktorú zmeria v oboch smeroch (v priamom aj v odrazenom) a podla toho sa určí hodnota PSV. Dnes už väčšina transceiverov obsahuje vstavaný PSV meter takže priamo pri vysielaní vidíme hodnotu PSV a v prípade že sa začne nejak dramaticky meniť vieme že sa niečo deje s transceiverom, napájačom alebo anténou.
Aké typy PSV metrov sa používajú
Najčastejšie analógové PSV metre sú krížový a jednoduhý s prepínačom.
Krížový PSV meter funguje tak že do jedného tela prístroja sú implementované dva analógové meracie prístroje pričom ich ukazovatele sú orientované oproti sebe a pri výchylke sa križujú. Oba ukazovatele majú stupnicu vo wattoch takže sú to v podstate dva wattmetre. Jeden meria priamy a druhý odrazený výkon. Keďže PSV je dané pomerom oboch týchto výkonov na prístroji je ešte tretia stupnica ktorá je ociachovaná priamo v jednotkách PSV a v mieste kde sa prekrižujú ukazovatele oboch wattmetrov odčítame konkrétnu hodnotu PSV. Tento spôsob je však menej presný hlavne pri nízkych hodnotách PSV kde už výchylka odrazeného výkonu je minimálna.
Ďalším typom analógového PSV metra je jednoduchý merač s prepínačom priameho a odrazeného výkonu. Pri tomto spôsobe merania sa využíva regulačný prvok ktorým ovplyvňujeme zosilnenie samotného merania. Jedná sa o analógové meradlo ktoré v polohe priameho výkonu (FWD) meria v smere k anténe a v polohe odrazeného výkone zasa v opačnom smere. Regulačný prvok v podobe potenciometra reguluje zisk resp. útlm oboch meraní a je dôležité aby sa tak dialo v rovnakom pomere v oboch smeroch. Samotné meradlo nie je ociachované vo wattoch pretože to ani nie je možné keďže potenciometer priamo ovplyvňuje výchylku. Meranie sa prevádza tak že PSV merač sa pripojí medzi transceiver a anténu a na transceiveri sa nastaví režim kedy z transceivera vychádza iba nosná a jej amplitúda nie je ovplyvnená modulačnou cestou. Je to najčastejšie režim FM alebo CW. Pri stabilnej hodnote výkonu sa nastavý PSV merač do polohy FWD a nastaví sa regulačným prvkom výchylka ukazovateľa na maximum (často býva označená symbolom SET). Potom prepneme smer merania do polohy REF avšak regulačného prvku sa už nedotýkame. Výchylka meradla sa zmení a priamo na stupnici odčítame hodnotu PSV.
Ďalší spôsob ako možno zmerať PSV je pripojiť medzi anténu a transceiver wattmeter na ktorom odčítame výkon v jednom smere potom ho pripojíme v opačnom smere (zameníme konektory označené pre TRX a ANT medzi sebou) a opäť zmeriame výkon. Týmto máme dva výkony jeden v priamom a druhý v odrazenom smere. Po dosadení do vzorca uvedeného vyššie dostaneme hodnotu PSV. Je to menej elegantný spôsob merania a vyžaduje si viac času a úkonov a hlavne aby bol údaj presný nesmie sa stať že sa nám počas prehadzovania smeru merania výkonu (kedy sme nútený vypnúť TX režim transceivera) zmení výstupný výkon transceivera. Z tohoto dôvodu vyrába americká spoločnosť BIRD wattmeter ktorý ma priamo možnosť meniť smer merania počas režimu TX a to otočením tzv. “BIRD elementa”. Ale zdĺhavý proces výpočtu z oboch zmeraných výkonov nás stále čaká aj pri použití takéhoto meracieho prístroja. Môžeme si však pomôcť nespočetným množstvom online kalkulačiek na internete alebo aplikáciou v smartfóne kde zadáme iba priamy a odrazený výkon a okamžite vieme hodnotu PSV.
V prípade digitálnych PSV metrov riadených mikrokontrolerom nemusíme robiť žiadne výpočty ani nič nastavovať iba odčítame hodnotu priamo z displeja meracieho prístroja.
Ak je transceiver alebo VF zosilňovač vybavený vlastným meraním PSV odpadá nám táto starosť a PSV vidíme priamo na displeji transceivra alebo VF zosilňovača.
Okrem straty vyžiareného výkonu hrozí ešte niečo
Čím väčšie je PSV tým menší je vyžiarený výkon. Avšak okrem straty cenného VF výkonu nastáva ešte ďalší problém a to namáhanie koncového VF tranzistora. Čím väčšie je PSV tým viac je namáhaný koncový tranzistor a hrozí jeho trvalé poškodenie. Moderné Transceivery a koncové zosilňovače majú zabudované ochrany ktoré neustále monitorujú aktuálne PSV sústavy a v prípade že sa zvýši na nebezpečnú úroveň automaticky uberú vysielací výkon alebo zablokujú zariadenie na poruchu vysokého PSV. Aká je táto hodnota tzn hodnota PSV kedy už zaberá ochrana vysokého PSV nie je jednoznačne určené. Záleží to od výrobcu a topológie samotného zapojenia, chladenia použitých tranzistorov a pod. Obecne však platí čím masívnejší koncový stupeň (vzhľadom na menovitý výkon) tým je táto hraničná hodnota vyššia. Napr. Yaesu FT897 je malý 100W transceiver s malým chladením a nie extra predimenzovanými tranzistormi koncového VF stupňa. Jeho hraničná hodnota kedy zaberá ochrana vysokého PSV je nastavená niekde okolo 1.5:1. Transceiver Yaesu FT1000MP je veľký stolový transceiver s výkonom tiež 100W ale robustným chladičom a predimenzovanými tranzistormi koncového VF stupňa má túto hodnotu nastavenú až na PSV 2.5:1.
Tunery, transmatche …
Existujú rôzne tunery či transmatche ktoré vedia “vyladiť” anténu na impedanciu transceivera tak že zmeriame medzi transceiverom a tunerom PSV 1. Toto je dobré však iba pre ochranu Transceivera. Nebude nám na ňom trpieť výstupný tranzistor a nebude zaberať ochrana znižujúca výstupný výkon ale pamätajte že spomínané straty použitím tuneru neodstránite ba čo viac do sústavy vložíte ďalšie straty a to straty tunera ktoré bývajú značne veľké. Ak je nutné použiť tuner tak jedine tak aby za ním bola priamo s čo najkratším napájačom pripojená anténa. Tu vyhovujú takzvané diaľkovo riadené tunery umiestnené čo najbližšie k napájaniu antény (často bývajú umiestnené na streche) a ovládané manuálne diaľkovo alebo automaticky elektronikou umiestnenou priamo v tunery. Druhá možnosť je umiestniť tuner v blízkosti obsluhy priamo v hamshacku a použiť napájač ktorého vysoké PSV tak nezaťažuje.
Napájač s malými stratami pri vysokom PSV
Existuju aj napájače ktoré vysoké PSV tak silno nezaťažuje ako koaxiálne káble. Sú to symetrické dvojlinky a staré dobré rebríčky. Tu naozaj môžme použiť aj anténu s inou impedanciou ako transceiver ale musíme ako napájač použiť symetrické vedenie typu americká dvojlinka alebo ešte lepšie rebríček a symetrický tuner umiestnený v hamshacku priamo pri transceivery. Týmto tunerom zabezpečíme impedanciu na strane transceivera 50 ohmov tzn že na koaxiálnom prepoji Tuner – Transceiver nevznikne stojaté vlnenie. Ďalšiu vec ktorú nám zabezpečí takýto tuner je prechod medzi symetrickou sústavou napájača a nesymetrickou sústavou transceivera. Stojaté vlnenie však vznikne na prepoji Anténa – Tuner kde však v prípade použitia symetrického napájača typu rebríček nenastanú vysoké straty pretože tento typ napájača je vhodný aj na zaťaženie vysokým PSV. Pozor však na typ a nastavenie tunera. Nevhodným typom alebo zlým nastavením sa môžme dostať na veľmi vysokú úroveň strát v samotnom tunery. Oporúčam používať jedine L článok LC – CL prepínateľný teda nie PI článok tvorený ako CLC čo je väčšina lacných ručných tunerov. To je však už nad rámec tohoto článku.
Prečo toľko starostí keď stačí aby sústava mala rovnakú impedanciu
Na začiatku sme si povedali že ak dodržíme rovnakú impedanciu v zdroji, v napájači a aj v záťaži nevznikne nám stojaté vlnenie a vyžiarime maximum výstupného výkonu. Impedancia anténneho výstupu Transceiverov je daná výrobcom (spravidla je to 50 ohmov). Ak použijeme koaxiálny kábel ako napájač ktorého menovitá impedancia je tiež 50 ohmov nemusí nás trápiť jeho presná dĺžka ktorá by nejak ovplyvňovala či nastane v sústave stojaté vlnenie alebo nie. Takže kde je problém ? Zostáva nám už len posledný článok skladačky a tým je anténa.
Záťaž s impedanciou 50 ohmov
Ak by sme namiesto antény pripojili rezistívnu bezindukčnú záťaž o hodnote odporu 50 ohmov tak v takejto sústave naozaj stojaté vlnenie nenastane. Väčšina výkonu sa dostane do spomínanej záťaže a tam sa premení na teplo. Takejto záťaži hovoríme umelá záťaž a využívame ju na účely merania a nastavovania. Takáto záťaž minimálne vyžaruje do okolia takže pri nastavovaní nerušíme okolie a ani platné predpisy nám nepovolujú robiť iné nastavenia ako nastavenia antény do inej záťaže ako do umelej.
Prečo teda nepoužijeme anténu s impedanciou 50 ohmov a je po probléme
To je samozrejme výborný nápad ale ťažko realizovateľný. Anténa sa totiž nespráva ako rezistívna bezindukčná záťaž ktorá má rovnakú impedanciu na všetkých kmitočtoch svojho spektra použiteľnosti ale anténa má na každom kmitočte inú impedanciu. Preto sa antény navrhujú tak aby rezonovali práve na kmitočtoch svojho využitia kde majú impedanciu spravidla 50 ohmov (ak sú to antény ktoré sú určené pre pripojenie koaxiálneho napájača). Vyrábajú sa tzv. monoband antény ktoré sú určené iba pre jedno pásmo tzn. že ak ich budeme používať na tomto pásme budú mať impedanciu blízku 50 ohmom a nevznikne stojaté vlnenie v napájači. Takúto anténu pri zostavovaní je spravidla nutné nastaviť nejakým nastavovacím prvkom pričom nám ako pomôcka postačí transceiver a PSV merač. Ak je to anténa napr. pre pásmo 15m tzn 21MHz najskôr sa rozhodneme kde ju budeme prevádzkovať a to či v CW režime alebo v SSB. Ak sa rozhodneme že v SSB vieme že na pásme 15m je povolený frekvenčný segment pre prevádzku SSB od 21.150 až 21.450 MHz. Zvolíme si stred tohoto pásma čo je 21.300MHz tu nastavíme transceiver a meriame PSV. Nastavovacím prvkom antény sa snažíme doladiť anténu na čo možno najmenšie PSV. Potom odskúšame hornú a dolnú hranicu frekvenčného pásma (v našom prípade 21.150 a 21.450 MHz) kde bude samozrejme PSV vyššie ale ak bude zhruba rovnaké máme hotovo. Ak nie jemne doladíme aby na oboch koncoch frekvenčného pásma bolo zhruba rovnaké PSV pričom najlepšie bude niekde uprostred.
Existujú aj multiband antény tzn. že sa jedná o anténu kde je obsiahnutých niekoľko pásiem. Takéto antény sa musia ladiť pre každé pásmo zvlášť pričom musíme dbať nato aby sme ladením ďalšieho pásma nerozladili to predošlé. Tu je taktiež možné použiť PSV merač ale v tomto prípade je jednoduchšie a praktickejšie nastavovanie pomocou anténneho analyzátora.
Je dobré PSV zárukou maximálneho vyžiareného výkonu ?
Asi Vás sklamem ale nie je. Veľa rádioamatérov si myslí že najdôležitejšie pre splnenie maximálneho vyžiareného výkonu je PSV blízke 1:1. Toto je však chyba pretože dobré PSV nám hovorí iba o tom že sa nám podarilo dopraviť veľkú časť VF energie z transceivera na vstup antény. Nehovorí to však nič o tom či táto energia bude naozaj vyžiarená. Ak mi neveríte skúste si pripojiť namiesto antény umelú záťaž a spraviť spojenie. Garantujem Vám že PSV bude vynikajúce a aj napriek tomu Vás bude počuť maximálne Váš sused.
Záver
Merač PSV by mal byť základným meracím prístrojom každého rádioamatéra. Bez neho jednoducho nemôže žiaden začínajúci rádioamatér začať pretože “strielať na slepo” sa tu naozaj nevypláca. Dnes však už väčšina transceiverov obsahuje vstavaný PSV merač čo nám značne zjednodušuje samotnú prevádzku ako aj príp. nastavovanie antén. Na záver by som ešte dodal že každý PSV merač má základné dva parametre ktoré nesmieme prehliadnuť. Jedným je výkon na aký je určený a druhým frekvenčné spektrum pre ktoré je vyrobený. VHF anténu nemôžme nastavovať s krátkovlným PSV metrom a taktiež pri nastavovaní PSV musíme dbať na to aby sme cez PSV merač nepúšťali vyšší výkon ako ten na ktorý je určený.
Na otázku ktorá odznela úplne na začiatku Čo je to PSV už odpoveď poznáme a na druhú otázku či je až také dôležité poznáme odpoveď tiež. Je aj nie je. V prípade použitia symetrického napájača typu rebríček, ktorý má malé straty pri zaťažení vysokým PSV to až tak dôležité nie je. Ale ak sa bavíme o nesymetrickom koaxiálnom kábli tak tam to dôležité určite je.