Állóhullám
Állóhullámmal és annak problémájával a rádióamatőr a rádiófrekvenciás tápvonalak alkalmazása során találkozik. Ennek a jelenségnek a hátterével érdemes közelebbről megismerkedni.
Az alábbi szócikk transzverzális hullámokra szorítkozik. Azaz olyan hullámokra, ahol a hullám amplitudója merőleges a hullám terjedési irányával. Ilyen a tápvonalakban terjedő jel, amely fénysebesség nagyságrendjébe eső sebességgel rohan végig a tápvonalon, az amplitudója (feszültsége) azonban egy terjedési irányra merőleges modellként rajzolható le. A másik ilyen szemléletes és látható példa egy tetszőleges kifeszített húr, amely egyik végét kitérítve a kitérés végigszalad a húron a másik vége felé.
Tartalomjegyzék
Az állóhullám kialakulása
A transzverzális hullámvezető egyik végére szinuszos jelforrást kapcsolva a szinuszjel végigszalad a hullámvezetőn, majd a hullámvezető végén visszaverődik. A visszaverődő jel az folyamatosan érkező gerjesztőjellel együtt hozza létre az ábrán látható állóhullámot.
Miért káros ez?
Több okból sem szerencsés tápvonalakban az állóhullám.
- a haladó hullám mellett a visszaverődő hullám nem a terhelésre jut, hanem a tápvonalat melegíti.
- a duzzadópontokon a feszültség a normál üzemi feszültség többszöröse, amely feszültség hatására tönkremehet a végfok tranzisztor.
- a kábel „lengése” többlet kisugárzással jár, amely zavarhatja az épületben levő egyéb elektronikai berendezéseket.
Az állóhullám kimutatása
Az állóhullám közvetlenül kimutatható. Például egy szigeteletlen szimmetrikus tápvonalon végighúzott feszültségindikátor látványosan kimutatja a duzzadópontokat.
Azonban a gyakorlatban a kábel szakaszaihoz való közvetlen hozzáférés helyett inkább a bemeneti paraméterekből számítjuk. A számítás alapja a tápvonal meghajtásánál a tápvonal bemenőimpedanciájának (Z = R + jX) névleges impedanciától való eltérése. Ez kimutatható például egy feszültségosztó kapcsolással, ahol a felső tag egy névleges impedanciát képviselő ellenállás, az alsó tag maga a tápvonal. Ekkor a meghajtó feszültség és a két alkatrészen mérhető feszültség csúcsértékeiből kiszámítható. Ha ez eltér az üzemi frekvencián névleges impedanciától, akkor állóhullám fog benne kialakulni.
- A kiszámítás matematikai háttere
[math]U_{ki} = U_{be}\cdot\frac{Z}{R_1 + Z} = U_{be}\cdot\frac{R + jX}{R_1 + R + jX}[/math]
Ám ha maximális feszültégértkekkel számolunk, mert diódával + szűrőkondenzátorral a csúcsfeszültséget indikáljuk, akkor 3 mérési eredményhez jutunk:
[math]\hat U_{be} = \sqrt{2} \cdot U_{be}[/math]
[math]\hat U_{ki} = \sqrt{2} \cdot U_{ki}[/math]
[math]\hat U_{r1} = \sqrt{2} \cdot U_{r1}[/math]
Azonban a fázisszöget ebből nem látjuk. Viszont azt tudjuk, hogy az elemi komponensek feszültségeinek összege kiadja a bemenőfeszültséget. Komplex értékként az abszolutértékek fázisszögével.
[math]\hat U_{be} = \hat U_{r1} + cos(\varphi) \cdot \hat U_{ki}[/math]
Ebből meghatározható a fázisszög. Továbbá azt is belátható, hogy az Ur1 és Uki értékenek aránya arányos az impedancia abszolutértékeinek arányával:
[math]\frac{\hat U_{ki}}{\hat U_{r1}} = \frac{|Z|}{R_1}[/math]
És az is csak matematika, hogy [math]|Z| = \sqrt{R^2 + X^2}[/math] illetve [math]R = |Z| \cdot cos(\varphi)[/math] és [math]X = |Z| \cdot sin(\varphi)[/math]
A leírt összefüggésekből már kiszámítható az R és X paraméter. Egy további méréssel pedig az X előjele is (kapacitív vagy induktív) meghatározható.
Hogyan csökkenthető vagy szüntethető meg az állóhullám?
Ha a tápvonal végén hullámtanilag ugyanolyan paraméterű „közeget” érez, akkor a hullám teljes energiája továbbhalad ebbe a további részbe. Amennyiben eltér a hullámtani paramétere a folytatásnak, akkor az eltérés függvényében az energia egy része visszaverődik. A feladat tehát egy olyan terhelőimpedancia (Z = R + jX) biztosítása, amely megegyezik a tápvonal hullámimpedanciájával.