Können wir die reflektierte Leistung in einer Übertragungsleitung messen?

Energie, die von einem nicht angepassten Leitungsabschluss reflektiert wird, kann vollständig von der sich vorwärts ausbreitenden Welle getrennt und dann in einem temperaturkalibrierten Widerstand abgeleitet und genau als I^2R-Wärme gemessen werden.

Das ist mehr oder weniger richtig, mit ein paar Einschränkungen.

Erstens ist es möglich, die reflektierte Welle größtenteils, aber nicht vollständig zu trennen. Dies erfolgt über einen Richtkoppler . Praktische Richtkoppler haben einen Isolationsfehler , der dazu führt, dass ein kleiner Teil des Eingangssignals zusätzlich zu dem reflektierten Signal, das gemessen werden soll, am Messanschluss erscheint.

Zweitens erfolgt die Messung typischerweise nicht durch Erhitzen eines Widerstandselements. Dies ist möglich und wird als bolometrischer Leistungssensor bezeichnet. Meiner Erfahrung nach ist es jedoch üblicher, einen auf einer Diode basierenden HF- Detektor zu verwenden. Die nichtlineare Reaktion der Diode wandelt einen Teil der HF-Energie in eine Gleichspannung um, die mit einem Voltmeter abgelesen wird.

Bolometrische Sensoren können für Bedingungen mit sehr hoher Leistung verwendet werden oder wenn eine Kalibrierung auf einen nichtelektrischen Standard erforderlich ist (z. B. ein Thermometer).

Bearbeiten Als Antwort auf Ihren Kommentar "liefert der Generator nur die tatsächliche Leistung, die an die Last übertragen wird."

Dies hängt stark von den Details des Generators ab. Sie beziehen sich auf ein Whitepaper, das folgendes Szenario vorschlägt:

Angenommen, eine verlustfreie Leitung wird durch einen reinen Leerlauf abgeschlossen, und angenommen, die Leitung ist bei der Betriebsfrequenz genau eine Wellenlänge lang. In diesem Fall ist der Strom am Generator Null, und daher ist der Strom in seiner Innenimpedanz Null, sodass keine Verlustleistung darin verloren geht.

Das ist richtig, wenn der Generator eigentlich eine perfekte Spannungsquelle mit 50 Ohm Serienwiderstand ist. Ein tatsächlicher Tischgenerator kann jedoch andere Schaltungen wie eine Ausgleichsschaltung oder einen Leistungsmonitor zwischen dem eigentlichen Generator und dem Frontplattenanschluss enthalten. Außerdem kennen Sie selten die tatsächliche Leitungslänge zur Last - vielleicht gibt es eine interne Übertragungsleitung zwischen der tatsächlichen Quelle und ihrem Frontplattenanschluss. Wenn Sie nicht wissen, dass Sie die Übertragungsleitungslänge perfekt abgestimmt haben, dann ist die reflektierte Leistung die Leistung, die Sie bereit sein sollten, am Generator zu absorbieren, auch wenn Sie nicht in jedem Fall so viel absorbieren müssen.

Außerdem bedeutet der Fall eines Leerlaufabschlusses und einer Halbwellenleitung, dass der Generator eine effektive Leerlauflast sieht (deshalb ist der Strom 0). Aber nicht jeder Generatortyp ist so ausgelegt, dass er mit einer Leerlauflast richtig funktioniert. Eine praktische Schaltung könnte am Ende mehr Leistung von anderen Elementen in ihr verlangen oder mehr harmonischen Inhalt erzeugen, wenn sie falsch abgeschlossen wird. Dies könnte den Generator immer noch beschädigen, selbst wenn die ideale Komponentenansicht der Schaltung besagt, dass in der stehenden Welle keine Leistung übertragen wird.

Wenn Sie schließlich einen Richtkoppler in dieses Szenario einfügen, würden Sie Strom durch den gekoppelten Port und in alles, was diesen Port beendet, übertragen (vorausgesetzt, es ist kein perfektes Öffnen oder Kurzschließen). Dies bedeutet, dass Sie, wie von dem von Ihnen zitierten Autor vorgeschlagen, "die Vorwärts- und Rückwärtswellen getrennt" hätten, obwohl Sie dies in einem System getan hätten, das keine Leistung übertragen hat, bevor Sie den Richtkoppler eingesetzt haben.

Ja, du kannst. SWR-Messgeräte können hergestellt werden, und die traditionelle Art und Weise, wie Amateurfunker dies tun, besteht darin, zwei Längen emaillierten Kupferdrahts zwischen das Geflecht und die Leiterisolierung eines Stücks Koaxialkabel einzufügen. Diese Drähte sind an einem Ende abgeschlossen und am gegenüberliegenden Ende ist ein Spitzendetektor angebracht.

Kommerzielle Einheiten verwenden eher eine sorgfältig hergestellte Leiterplatte.

An der im Buch beschriebenen Methode ist nichts auszusetzen, obwohl sie nur für relativ hohe Leistungen gut funktionieren würde.

Das wohl am weitesten verbreitete Instrument in der HF-/Antennentechnik ist ein Vektornetzwerkanalysator, der die reflektierte Leistung bis auf den Bruchteil eines mW genau messen kann. Beispielsweise wird ein einfaches Verfahren zum Abstimmen eines Monopols erreicht, indem die Antenne (etwas länger als 1/4 Wellenlänge) an den VNA angeschlossen und die reflektierte Leistung gemessen wird. Trimmen Sie die Antenne weiter, bis die reflektierte Leistung minimiert ist (sollte reflektierter Koeffizient sein, dh normalisierte reflektierte Leistung). http://en.wikipedia.org/wiki/Vector_network_analyzer#VNA

Es gibt eine Reihe von HF-Geräten (Richtkoppler, Isolatoren usw.), die die Wellen basierend auf der Ausbreitungsrichtung unterscheiden. Natürlich ist nichts perfekt, aber 20-30 dB Isolation sind durchaus üblich.

MikeJ-UK hat völlig Recht - es funktioniert und funktioniert mit einem kontinuierlichen Sinussignal. Wenn Sie die Theorie verstehen möchten, gibt es einen anständigen Artikel mit dem Titel "Analyse eines tragbaren Wattmeters von Frederick Glenn, K9SO". Hier ist ein Link zu seiner Website. Es deckt alle notwendigen Informationen zum Verständnis der SWR-Meter-Theorie ab.

Zuerst möchte ich allen danken, die zu dieser Frage beigetragen haben, insbesondere The Photon, die mich zu Artikeln geführt haben, die eine Lösung des Problems lieferten.

Hier ist meine Vorstellung von Vorwärts- und Reflexionswellen an einer Zuleitung von einem HF-Generator zu einer Last.

Ich werde "c" für die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen entlang der Zuleitung verwenden.

Ich denke, der Schlüssel zur Versöhnung der scheinbar unterschiedlichen Ansichten dazu besteht darin, zu überlegen, was passiert, wenn eine Sinuswelle anfänglich vom Sender an den Feeder angelegt wird. Die Front bewegt sich bei c entlang der Leitung, wobei Spannung und Strom in Phase sind. Was als nächstes passiert, hängt von der Terminierung der Leitung ab. Wenn es die charakteristische (ohmsche) Impedanz Z0 der Leitung ist, dann gibt es keine Phasenänderung, und die von der Leitung übertragene Energie wird als Wärme abgeführt oder von der Antenne abgestrahlt (oder ein bisschen von beidem?), und diese Situation dauert unbegrenzt an .

Wenn die Leitung nicht in Z0 abgeschlossen ist, gibt es aufgrund dieser Fehlanpassung eine Phasenänderung, und die Wirkung davon wandert bei c als Front einer umgekehrten, reflektierten Welle zurück. Bis diese Front den Sender erreicht, wird Energie immer noch als Sinuswelle mit Spannung und Strom in Phase in die Zuleitung gesendet.

Wenn diese zurückkehrende Front den Sender erreicht, wird die Leitungsimpedanz wegen dieser Phasenänderung nicht länger als Z0 gesehen. Es gibt also eine weitere Reflexion entlang der Zuleitung nach vorne, die an der Last wieder zurückreflektiert wird, und so weiter. Dies führt schließlich zu einem stationären Zustand mit einem reduzierten Vorwärtsfluss von Energie zur Last und (im Prinzip) einer unendlichen Anzahl von gegenläufigen Wellen. Der einzige beobachtbare Effekt dieser Summierung von Vorwärts- und Reflexionswellen besteht darin, die Eingangsimpedanz der Leitung zu ändern. Der Prozess wird analysiert und erklärt in: http://www.qsl.net/zl1an/Downloads/Bruene_explanation_V13.pdf . Insgesamt ist dies ein ausgezeichneter, ziemlich mathematischer Artikel, der viele der Mythen und Missverständnisse zerstreut, die für dieses Thema üblich sind.

Um aus diesem Artikel für eine normale, unvermeidlich verlustbehaftete Leitung zu zitieren: „Diese Ableitung zeigt, dass die „Standard“-Vorwärts- und reflektierten Wellen eine endliche, wenn auch kleine Zeit brauchen, um sich zu bilden, da Energie die Leitung auf und ab wandern muss, um sie zu erzeugen Allerdings kann dieser Prozess bei hf ziemlich gut als „sofortig“ angesehen werden, da typischerweise maximal 10 oder so Linienlängen zurückgelegt werden, bevor die Beiträge verschwindend klein werden – etwa eine halbe Mikrosekunde auf einem typischen 10-Meter Länge des Koaxialkabels mit einem Geschwindigkeitsfaktor von 66 %."

Im resultierenden eingeschwungenen Zustand fließt keine Energie mehr in umgekehrter Richtung vom Verbraucher zum Sender. Wenn wir an eine reflektierte Welle denken, dann können wir sagen, dass die Energie, die sie trägt, von der Vorwärtsenergie abgezogen wird, die geflossen wäre, wenn die Leitung in Z0 abgeschlossen wäre, um den Nettofluss zu erhalten, der immer vom Sender zu ist Belastung. Der Sender sendet niemals mehr als die Differenz zwischen der fiktiven Vorwärts- und der reflektierten Leistung aus.

Der eingeschwungene Zustand hat eine stehende Welle, die sich auf dem Abzweig einstellt, bestimmt durch die Situation auf der Verbraucherseite. Was der Sender sieht, wird durch die Länge der Zuleitung bestimmt und hängt von der Phasenbeziehung an diesem Punkt ab. An einem Spannungsknoten ist die Spannung hoch und der Strom niedrig, und der Sender sieht die Leitung als hochohmig an. An einem Spannungsbauch ist es umgekehrt, niedrige Spannung und hoher Strom, sodass die Leitung als niederohmig angesehen wird. Wir stellen fest, dass die stehende Welle durchschnittliche, normalerweise rms-Werte hat.

Die stehende Welle lässt sich mathematisch in Vorwärts- und Reflexionsanteil, auch in Form von Wellen, auflösen. In der Vorwärtskomponente sind Spannung und Strom in Phase, und in der Rückwärtskomponente sind sie um 180 Grad phasenverschoben.

Der Strom in der vorwärts laufenden HF-Welle kann mit Zeigern in zwei Komponenten analysiert werden, den Teil (vorwärts) in Phase mit der Spannung und den Teil (reflektiert) um 180° phasenverschoben. Durch Abtasten dieser Ströme können sie als Spannungen gemessen und eine Berechnung des Energieflusses durchgeführt werden, dh Vorwärts- und Reflexionsleistungen, die auf Drehspulmessgeräten mit geeigneten kalibrierten Skalen angezeigt werden können. Um DC-Messgeräte zur Messung der HF-Spannungen zu verwenden, werden in SWR-Messgeräten üblicherweise Gleichrichterdioden verwendet, die nichts mit der Trennung der Vorwärts- und Reflexionskomponenten zu tun haben. Es gibt eine Reihe von Vorbehalten bei der Leistungsberechnung, aber für alle praktischen Zwecke ist es nahe genug.

Um weiter zu gehen, verweise ich Sie für einen weniger mathematischen Ansatz auf diesen Artikel von Bruene, der alles schön mit grafischen Zeigern erklärt: http://kambing.ui.ac.id/onnopurbo/orari-diklat/teknik/arrl/ using-equipment/5904024.pdf

Hinweis: Meine Verweise funktionierten am 23. Mai 2013. Ich habe festgestellt, dass einige andere Verweise auf diese Artikel nicht mehr gültig sind.