Goede vragen. Maar ik denk dat een andere vraag om toe te voegen is: wat is belangrijker, SWR of resonantie?

Aangezien dit het "Amateurradio" -forum is, denk ik dat antwoorden die het meest betekenisvol zijn voor amateurradio-operators, meer zijn gerechtvaardigd in deze discussie. De reden dat ik dit zeg is dat resonantie en SWR, zoals getuigd door verschillende uitwisselingen en vragen, discutabele dingen zijn.

Ik opereer bijvoorbeeld regelmatig op 80, 40, 30, 20, 15, 12 en 10 meter bands. Ik bezoek soms wel eens 17 meter. Maar gezien al die banden en de frequenties die ik bedien, resoneert GEEN van mijn antennes. Dat komt omdat echte resonantie op een enkele frequentie is voor een bepaalde antenne (bijvoorbeeld dipool). Maar als de SWR binnen redelijke limieten valt of wordt afgehandeld door een antennetuner (ook wel match-coupler genoemd), dan zijn de antennes zeer effectief, zelfs als ze niet resoneren.

Er zijn verschillende definities van resonantie. In het algemeen, als de antenne-impedantie bij een bepaalde frequentie puur resistief is, met nul reactantie (of bijna nul), dan kan die antenne als resonant worden beschouwd op die frequentie. Deze weerstand is meestal niet hetzelfde als de typische 50 ohm-uitgang van een zender. In feite heeft een perfecte dipool (zonder aardseffecten) een stralingsweerstand van ongeveer 71 ohm. Deze perfect resonerende antenne heeft dus geen SWR van 1: 1 omdat de weerstand niet 50 ohm is.

Maar SWR is ook belangrijk om twee verschillende redenen. Ten eerste om de PA-circuits van een solid-state zender (of versterker) te beschermen. Gereflecteerde spanning kan de uitgangstransistors vernietigen, dus een lage SWR helpt de solid-state circuits te beschermen. De meeste moderne zenders (transceivers) hebben beveiligingscircuits om het vermogen terug te draaien naar veilige niveaus wanneer de SWR te hoog is. Mijn eigen Elecraft K3 begint dit wanneer ik wordt geconfronteerd met een SWR van iets meer dan 2: 1.

De tweede reden waarom SWR belangrijk is, is om de verliezen in de transmissielijn tussen de zender / transceiver / ontvanger en de antenne te beperken. De hogere SWR zorgt ervoor dat de verliezen toenemen. Er zijn rekenmachines online beschikbaar (en de ARRL TransmissionLine-applicatie) om de verliezen te berekenen, gegeven de input en belasting SWR of de werkelijke $ R + jX $ impedantie. Ik heb mijn eigen geschreven in Mathematica.

Bovendien is SWR vaak een indicator van problemen in een antennesysteem. Het monitoren van SWR is iets dat door ham-operators moet worden gedaan, omdat het problemen zal aan het licht brengen. Op een middag was ik me aan het voorbereiden op een CW Traffic Net-schema en deed ik een sneltoets om alleen naar mijn SWR te kijken. Het klonk met de alarmtoon en knipperende rode LED-lampjes. Ik keek de achtertuin in en zag dat mijn 80 meter lange dipool op de grond lag. Een van mijn ankerpuntverbindingen was mislukt.

Minimum SWR (zoals gevraagd in de vraag) heeft niets te maken met resonantie (op zichzelf). Als ik afstem op de 160 meter band met behulp van mijn 80 meter dipool, kan ik een minimale SWR vinden en dat minimum is in de orde van 250: 1 of zo. Mijn tuner is goed, maar hij kan niet zo breed als een SWR aan. Maar een resonerende antenne moet een lage SWR hebben en waarschijnlijk op het waarschijnlijke minimum bij de resonantiefrequentie. Maar, zoals ik al eerder zei voor de dipool, deze lage SWR zal meestal niet 1: 1 zijn, aangezien de werkelijke stralingsweerstand van de antenne bijna altijd niet hetzelfde is als de 50 ohm die de zender verwacht.

Persoonlijk, wanneer ik antennes bouw, is het beheren en ontwerpen voor minimale SWR over de frequenties die ik wil bedienen het belangrijkste. De minimale SWR is hopelijk minder dan 3: 1 voor het grootste deel van een band, maar zelfs mijn dipool van 80 meter heeft een hogere SWR aan de bovenkant van de band (3,9 MHz) met een SWR van ongeveer 5: 1 (mijn tuner past hier zonder problemen op Ik moet wel betalen voor die hogere SWR in het transmissieverlies naar de antenne, wat de reden is dat ik LMR400 coaxkabel met laag verlies gebruik. Een van mijn Mathematica-programma's zal een volledige sweep van 3 tot 30 MHz uitvoeren (alle frequenties in stappen van 20 kHz) van mijn antennes die ik aan het ontwerpen ben (in samenwerking met oplossingen geproduceerd door NEC4) en ik bereken de SWR, interpoleer deze vloeiend en plot de resultaten. Visueel kan ik alle lage SWR-spots (onder 3: 1) zien voor een bepaalde lengte draad van de antenne.

Resonantie is op een bepaalde frequentie waarbij reactantie nul is, en dus zijn stroom en spanning in fase. Ter illustratie: hier is een plot van de voedingspuntweerstand, (R) reactantie (X) en impedantiegrootte (| Z |) van mijn achtertuinval verticaal op 30 meter:

Merk op hoe bij resonantie de weerstand niet 50Ω is, dus de SWR is hier iets hoger dan 1: 1.

Er is nog een resonantie in de buurt 10,62 MHz, maar hier is de weerstand buiten de kaart. Zoals we in de volgende tabel zullen zien, is de antenne weliswaar resonant, maar de SWR is erg slecht.

Hier zijn dezelfde gegevens, maar uitgezet als SWR:

Het minimum van de SWR-dip is niet helemaal op dezelfde frequentie als resonantie.

(Je kunt ook zien dat ik naar buiten moet en stem deze antenne af!)

Een Smith-kaart is een leuke manier om zowel impedantie als SWR op dezelfde kaart te visualiseren. Hier zijn weer dezelfde gegevens:

De horizontale lijn in het midden vertegenwoordigt alle resonantiepunten, dat wil zeggen alle punten waar reactantie is nul.

Het eigenlijke midden van de grafiek vertegenwoordigt 50 + 0jΩ en een 1: 1 SWR. SWR wordt gemeten door de afstand vanaf het midden, en die roos in het midden vertegenwoordigt een SWR van 1,6 of beter.

En je kunt zien dat de curve een beetje dichter bij het midden net een beetje verwijderd van resonantie. Het verschil is klein genoeg om in de praktijk er nauwelijks toe te doen.

Je kunt ook zien dat de curve doorgaat tot hij weer de middelste lijn raakt: dat is de andere resonantie met een slechte SWR.

Het is mogelijk om een ​​antenne te hebben die van boven of onder in die 1: 6 SWR-cirkel duikt en nooit de 0-reactantielijn overschrijdt. Met zelfresonerende dipolen en verticale lijnen is de resonantie-impedantie een behoorlijke match en zal deze dichtbij het midden zijn, maar bij andere soorten antennes kan er een passend netwerk zijn dat een heel ander traject door de Smith-kaart creëert.

De toevoeging van een feedline verandert ook het beeld. Aangezien de lengte van de voedingslijn varieert, roteert de impedantie bij elke frequentie rond het midden van de Smith-kaart. De SWR van dat punt blijft constant, maar voor elke toegevoegde halve golflengte van de toevoerlijn maakt het punt een volledige rotatie. Het is dus mogelijk met de voedingslijn van de juiste lengte om elke impedantie resonerend te maken. Het is ook mogelijk om elke resonantie-impedantie die niet perfect past te nemen en deze niet-resonerend te maken.

De antenne-impedantie is $ R + jX $ waar $ R $ het reële deel aangeeft en $ X $ het imaginaire deel van de impedantie. Resonantie betekent dat het denkbeeldige deel precies nul is.

De meeste antenneontwerpen hebben geen impedantie van precies 50 Ω en hun resonantie ligt ergens dichtbij 50 Ω. De resonantie kan bijvoorbeeld op 40 Ω zijn, maar de minimale SWR kan op $ (45 + 5j) \, Ω $ liggen, wat dichter bij 50 Ω ligt zoals te zien is op een Smith-kaart.

De meeste mensen zullen resonantie omschrijven als nulreactantie, een pure resistieve belasting.

Alle antennes resoneren op meerdere frequenties. Je kunt een kwart golf verticaal laden als een 3/4 golf, een 5/4 golf, enzovoort.

Helaas hebben praktisch geen stukken metaal een weerstandscomponent van 50 ohm als ze resoneren, dus afhankelijk van het ontwerp zal er een passend netwerk zijn en als het "funky" genoeg is van een bijpassend ontwerp, kunt u een antenne gebruiken zodat de minimale SWR niet de resonante freq is. En overeenkomende netwerken zijn bijna nooit breedband, dus het stuk draad kan worden geladen als een kwart golf en als een golf van negen kwart, maar de bijpassende netwerken zijn moeilijk zo te bouwen en geven een impedantie van 50 ohm aan de voedingslijn over dat bereik van freq.

In de praktijk is het proberen iets extreems te doen, zoals het afstemmen van een kleine mobiele antenne om op 40 meter te werken, waarschijnlijk een relatief grote inductor parallel aan de capacitieve antenne met zich meebrengen en is het mogelijk dat de freq waarbij X = 0 wordt niet de laagste SWR-freq van de antenne. Ervan uitgaande natuurlijk dat er geen meetfout is.

Een andere leuke manier om rare resultaten te krijgen, zijn ongebalanceerde omstandigheden die ook resulteren in feedline-straling. Dus je toevoerlijn maakt deel uit van het antennesysteem, zelfs als je het niet van plan was, en de resultaten kunnen raar zijn.

Normaal gesproken is het verschil erg klein, afgerond op nul, dus pas gewoon aan voor de laagste SWR en bel het goed. Het is een situatie die kan gebeuren, maar je zult er waarschijnlijk niet vaak tegenaan lopen en zelfs als je dat doet, maakt het meestal niet uit, behalve dat het echt verwarrend is.