Svenska ElektronikForumet

Jag har alltid undrat hur en SWR-meter fungerar rent elektriskt,
någon som har kopplingschema för en sådan, eller ännu bättre
kan förklara hur dom fungerar?

Jag har skruvat upp en sådan en gång, och vill minnas att det bara var en handfull passiva komponenter.

Rimligen bör man ju kunna mäta V+ och V- för att kunna "beräkna"
SWR kan tyckas, eller Umax, Umin men jag förstår inte hur..

Här finns en beskrivning.

http://esr.se/biblioteket/aom2005rs05.pdf

Tja, eller i varjefall en misstänkt koppling nerkladdad på en sida,
fick tyvärr inte ut så mycket av det vid en första anblick, men tack ändå

måste säga att jag mentalt inte riktigt fått grepp på swrmätaren

men dom för hobbybruk är enkla, har en och tror jag har ritningen på den med om det finns intresse

Inte jag heller, reflektioner är inga enkla saker att förstå teorin för.
Än mindre att förstå hur man kan mäta dom.
Tydligen är SWR samma över hela ledningen, bara olika fas, och det är ju rimligt.

Ritning tackar man inte nej till, även om det förmodligen inte kommer
göra mig klokare.

Jaså, min länk dög inte, här finns en detaljerad beskrivning.



+ denna som säger allt.

http://www.arrl.org/tis/info/pdf/0705057.pdf

Kapacitans & Induktans
Ok, Ögonblicksvärdet på spänningen i kabeln överförs till likriktardioden med hjälp av en kapacitans mellan ledningarna.
Samtidigt överförs ögonblicksvärdet på strömmen genom kabeln till samma likriktardiod med hjälp av induktion mellan ledningarna, och blir också en spänning.
Sen kan de 2 spänningarna motverka eller medverka varandra, och bli den summaspänning som dioden känner av.

Någonting åt det hållet har jag fått för mig att det funkar!

Oki, tackar för det peter555 och Gästaren!

Nu har jag en bra grund att kika/fundera vidare på.

Dom är inte helt lätta att förstå sig på.

Det första är att man skall greppa vad en riktkopplare är för något eller snarare direktiv kopplare är för något (directional coupler på engelska)

Den kan byggas antingen med parallela ledare som är en 1/4 våglängd långa och med väldigt bestämda bredder och avstånd från varandra för en viss kopplingsgrad, typ:
När ledare ligger brevid varandra så läcker det över kapacitivt efter hela längden. Med fördröjningen a 90 grader pga. sträckan mellan början och slutet på ena ledaren resp från slutet till början på grannledaren så får man effekten att i början och efter hela längden läcker det spänning från '1' ledaren över till '2' ledaren kapacitivt - då ledarlängden är stor relativt våglängden så är det 90 grader mellan a och b - när 'b' har max spänning så är a noll volt vid 'a'

I detta fall med effektflöde från vänster till höger och tidmässigt med 'b' som maxspänning så läcker det över effekt till 'd' kapacitivt - och den spänningshöjningen vandrar då mot 'c' (förutom mot mätutgången) då 'c' inte har någon spänning eftersom 'a' är också spänningslös vid samma tillfälle pga. 90 grader skillnad. Låter man tiden gå 90 grader ytterligare så har spänning på 'd' hunnit vandra till 'c' - och då råkar ingången 'a' vid samma tillfälle ha motsatt max spänning och resultatet är att spänningen mellan 'c' och 'a' tar ut varandra mha. kapacitiv koppling och spänningen på termineringsmotståndet blir aldrig annat än 0 volt - den måste dock finnas där - annars är inte ledare '2' korrekt terminerad. På samma sätt så inser man att på 'b' och 'd' istället för att subtraherar så har den en adderande verkan tillsammans och det blir spänning på mätutgången (som förståss också är terminerad med 50 Ohm)

Ändras effektflödet så att den går från höger till vänster så byter rollerna på kopplaren plats också - det blir ingen spänning på mätuttaget men spänning över termineringsmotståndet.

eller kortfattat - det är 'bara' 90 grader fördröjning för signalen att gå från 'a' till 'd' - medans det är 180 grader för signalen att gå från 'a' till 'c' och motsatta ledaren har alltid motsatt polaritet och kapacitiva läckaget tar ut precis lagom ev. spänning från 'd' som annars skulle läggas över termineringsmotståndet och slutresultatet är ingen effekt alls på 'c'.

Andra ändan 'b' och 'd' är alltid med samma polaritet och samma fas och spänningarna adderas och därmed pumpas energi till mätutgången.


På så sätt får man riktningskänslighet av effektflöden - om ovanstående förklaring övh. var begriplig...


Detta kan man också göra lumpad med med kondensatorer mellan 'a' och 'c' resp 'b' och 'd' och istället för ledare så har man drosslar mellan 'a' och 'b' resp 'c' och 'd' för att fördröja signalen. (det blir en form av maxwell-brygga om det är rätt dimensionerat)

För att det här skall fungera övh. så måste alla värden stämma precis och i balans, och med lumpad lösning så blir det väldigt komponentkänsligt, smalbandigt och med höga förluster samt svårt att uppnå någon högre direktivitet.

Mätutgången kan i sin tur vara en dioddetektor till en visarinstrument (typ Bird[1]) eller en mätmottagare - helst med 50 Ohms avslutning då sådant också påverkar direktiviteten.

Direktiva bryggor - mest för mätändamål som vektornätverksanalysatorer kan också byggas med hjälp av wheatstonebrygga - ja, den klassiska motståndsmätarbryggan typ:
tyvärr kräver den lite matematiska operationer och den lösningen används i vektornätverksanalysatorer tack vare sin bredbandighet och tillgänglig datorkraft.


---

Om man är van vid spice så kan man bygga egna sådana bryggor enligt ovan för att mäta ståendevåg (eller returdämpning som jag föredrar att kalla det) när man simulerar sina kretsar - man bör göra detta manuellt några gånger i simulatorn och själv försöka tolka diagrammen för förståelse innan man anväder RF-faciliteterna som numera finns i en del Spice simulatorer.

Det fins inge som hindrar att man bygger sådana i verkligheten också, med selekterade, parade och ytmonterade motstånd så går det att bygga bryggor som är hyffsat hög precision över 1 GHz och mer. har man datorkraft så kan många ev. avvikelse justeras i efterhand med kalibreringsprocess. Det viktiga är inte att man just träffar 50 Ohm med promille i nogranhet, det viktiga är att man exakt vet vilka värden de faktiskt har ör dom senare uträkningarna

Dom flesta högtalarmätprogram som mäter högtalarimpedans etc. som kan använda ljudkortet som signal och mätkälla kör också med wheatstonebryggeprincipen - här använder man bara 1 fysisk referensmotstånd då dom högra motstånden i skissen ovan är virtuella matematiskt i programmets uträkningar.



[1] RF-effektmätarna typ 'bird' Har bland radioamatörerna märkligt högt respektt fast det egentligen bara är rent glappig skithög till instrument och ingen proffs vill ta dessa med tång ens vid lite mer nogranna mätningar... man använder kalibrerade direktionella kopplare och effekt/spectrumanalysator för sådana här saker istället.


---

en tranformatorbaserad 'ståendevågbrygga' är en telefonhybrid - vid bra matchning så hör man inte sin egen röst i sin hörlur - är det dålig matchning på B-abonnentsidan pga. en importtelefon för annan lands telenät så upptäcker man att egna rösten nästan skriker tillbaka i den egna hörluren.

... och en telefonhybrid är egentligen inget annat än en wheatstonebrygga som är lite ihopvikt...

xxargs, det var en av dom bästa förklaringarna på det jag läst, borde klistras i guider / FAQ

då återstår bara frågan vad som händer med signalen i en swrmätare som blir elektriskt kort, som dom är med dom små billiga swrmätarna som fannsi clasi sjön och motsvarande, då borde allt fungera som normalt men med minskad känslighet?

jag köpte en beg bredbandig swr brygga för att leka med (mycket saker som jag vill leka med när kvällarna börjar bli mörka, ser fram emot det) så då ska jag försöka få lite mera känsla för hur det fungerar

när man kan börja mäta sig fram och verkligen se vad som händer så börjar man ju bygga på sig känslan av förstålese, eller kan man kalla det för erfarenhet kanske

Just att bygga bryggan så att den blir bra hör väl till dom tekno-konstnärliga delen i RF-design - ja, jag anser det vara en konst som borde vara nästan lika respekterat som Picasso då förutom några typfall så står det inte i några läroböcker hur man gör, utan bygger verklig förståelse, spatial förmåga och sedan försöker knöla ihop en lösning med det utrymme som fins med hänsyn till alla 3 dimensionerna - man måste mentalt 'se' dom osynliga elektrostatiska och elektromagetiska fälten ocn nyttja de lokala egenskaperna i varje del av strukturen när dom kämpar mot eller med varandra i strukturerna , och det är bara ett fåtal som gör det...


Med bredbandighet så skall man fundera på hur många oktaver omfång en koppling har - att gå från 400MHz - 800 MHz är bara en oktav omfång konstruktionsmässigt och är ganska lätt att bygga, men att gå från 50 - 400 MHz med samma prestanda är 3 okataver omfång och därmed väldigt mycket besvärligare att få till.

att bygga en trafo som hanterar CVBS (basband composite video - 'gul RCA-kontakt) med omfång 50Hz - 5.5 MHz handlar om 16.75 Oktaver och det är inte lätt att bygga och hitta magnetmaterial för detta.

Kopplare kan göras mycket kortare än 90 grader, men kopplingsgraden är precis som du antar, mycket lägre, direktiviteten besvärligare att få till då skillnaden mellan ändarna är mycket mindre då allt större del av spänningen mellan punkterna hinner 'rinna emellan' och allt mindre kvoter är kvar till mätuttaget. Det är en del prestanda som måste prutas samt högre komponentkänslighet - när det är transmissionslinjekopplingar så är förändringar alltid gradvis med längd och inte tvärt med egenskaper liknande cosinus där det händer nästan ingeting dom första 15 - 30 grader - sedan kommer det destå fortare...


Även här fins det olika trix att försöka korta längden fysiskt med bibehållande av elektriska längd och kräver seriös arbete med 3D EM-simulator _och_ full förståelse!!! Är man inte bevandrad med dyliga microstriplösningar så ser dom ofta obegripligt jättemysko ut.

Med ferriter och baluner så kan man göra transformatorkopplingar med samma egenskaper (dock inte så hög frekvens) - men här är det tillgång och kvalitet av ferriter som avgör prestanden - och idag är det inte så många som tillverkar specialferriter i standardlager längre utan är custom design med hög startkostnad. Sådant här var mycket bättre förr innan mobilindustrin visade vad storserie är för något - alla ekonomer gillar storserie och litet sortiment, det är därför urvalet är litet numera.

Transformator och stripline-kopplarbaserade bryggor har begränsad bandbredd då de baserar sig på 'C', 'L' och delay och därmed frekvensberoende - wheatstondebrygga baserat på bara motstånd kan bygga med mycket stor bandbredd som tidigare nämt, och det kan vara en sådan du har - dock en sådan brygga dämpar minst 6 dB för alla signaler - även den genomflödande man vill 'sniffa' på och därför används bara i mätsammang - inte för 'driftövervakning'.

xxargs: Dina inlägg är såklart alltid fyllda med information till brädden, tack för det
Jag har tyvärr inte hunnit läsa igenom och sätta mig in i det ännu.


Så en liten snabb fundering, ska riktomkopplaren vara 1/4 *våglängd lång,
i förhållande till den frekvens man mäter på? Hur pass noga är detta?

har själv aldrig använt en SWR-mätare så ja har noll koll.
Är det någon sorts kalibrering man måste göra för varje mätning?

Om man bara vill jobba i frekvenser upp till ett par 100 MHz kan man bygga en opamp-baserad cirkulator/isolator.
Se följande länk av Charles Wenzel: RF Low Frequency Circulator/Isolator Uses No Ferrite or Magnet

Tycker att det är en kanska fräck koppling trots sin enkelhet.

andax: isolator/cirkulator är dock inte samma sak som direktiva kopplare, tyvärr... sedan är det 'fusk' att använda aktiva komponenter för passiva funktoner - dessutom går det inte med aktiva grejor vid höga frekvenser eller hanter stora effekter... dBc-värden är inte heller bra då för passiva enheter handlar om väldigt höga dBc-värden, ofta över 100 dBc (för filter, kopplare, kablar, avslutare etc. så kan det handla om 166 dBc vid 2x20 Watt inom GSM-världen ...)


Direktiva kopplare av parallella ledare/microstrip-typ:

Kopplingsgraden är bäst vid just 1/4-våglängd på ledaren för använd frekvens, går man under och över detta så minska kopplingsgraden sakta i början vid minskad/ökad frekvens gentemot center och allt fortare för att vara helt utan koppel vid 0 resp. π-våglängd gentemot ledarlängden medans har full koppel igen vid 3π/2, 5π/2 etc. kopplingsgraden varierar alltså cyklisk med allt högre frekvens.



kopplingsgraden V1/V3 (obs i spänningskvot - ej dB, V1 = ingång, V3 = mätport) kan beskrivas med:

V1/V3 = (jC*tan(Θ))/(√(1-C^2) + jtan(Θ))

C = kopplingsgraden (0.1 för -20 dB kopplingsgrad), j = imaginära enheten, Θ = sektionslängd i radianer gentemot använd våglängd - mitt i frekvensbandet på kopplaren så är segmentet alltså π/2= 1/4-dels våglängd av den använda frekvensen.

Med detta så skulle en 20 dB kopplare som jobbar med π/3 sektionslängd gentemot använd våglängd (dvs lägre frekvens gentemot vad kopplaren är konstruerad för) ge en V1/V3 förhållande av 0.086 eller -21.72 dB kopplingasgrad - dvs. inte så mycket lägre trots att frekvensen ligger 66% av designade mittenfrekvensen, och motsvarande när frekvensen är 33% högre än mittenfrekvensen, medan skulle sektionslängden vara π/6 så skulle kopplingsgraden sjunka till -62 dB. kopplingsgraden minskar fort när våglängdsförhållandet närmar sig 0 eller gått mot närmaste jämt delbara π

(om jag nu har räknat rätt....)

skall man platta till så att nivån hålls lika över ännu större frekvensområde (eller har höga krav på nivåstabilitet typ < 0.1 dB över hela bandet på kanske 1-3 oktaver) så är det multisektionkopplare som gäller med bredare ledare och större avstånd i ändarna och smala ledare och kort avstånd i mitten på kopplingsstripet. dom 'värsta' och 'eländiga att cadda' kör med exponential karaktär utan synlig stegning.

xxargs, som jag sa är det en koppling som funkar bra upp till ett par 100 MHz (Och från DC!!!). Originalfrågan var angående SWR och inte direktiva kopplare. Kretsen i Wenzels papper funkar utmärkt som ett diagnostikverktyg i många sammanhang när man inte jobbar i GHz eller höga effekter.
Om man ändå pratar uppmätning av SWR i passiva system är ju testeffekten av mindre betydelse.

Sedan är ju kopplingen intressant om man vill experimentera med TDR (time domain reflectometer) för att hitta kabelbrott etc.