Dobre pytania. Ale myślę, że kolejne pytanie do dodania to: Co jest ważniejsze, SWR czy rezonans?

Biorąc pod uwagę, że jest to forum „Krótkofalarstwa”, myślę, że odpowiedzi, które są najbardziej znaczące dla radioamatorów, są bardziej uzasadnione w tej dyskusji. Powodem, dla którego to mówię, jest to, że rezonans i SWR, o czym świadczy kilka wymian i pytań, są kwestiami dyskusyjnymi.

Na przykład regularnie pracuję na metrach 80, 40, 30, 20, 15, 12 i 10 Zespoły. Czasami odwiedzam 17 metrów od czasu do czasu. Ale biorąc pod uwagę te wszystkie pasma i częstotliwości, na których pracuję, ŻADNA z moich anten nie jest rezonansowa. Dzieje się tak, ponieważ rzeczywisty rezonans występuje na jednej częstotliwości dla danej anteny (np. Dipol). Ale jeśli SWR mieści się w rozsądnych granicach lub jest obsługiwany przez tuner antenowy (inaczej sprzęgacz dopasowujący), wówczas anteny są bardzo skuteczne, nawet gdy nie są rezonansowe.

Istnieje kilka definicji rezonansu. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli impedancja anteny przy danej częstotliwości jest czysto rezystancyjna, z zerową reaktancją (lub bliską zeru), wówczas antenę można uznać za rezonansową przy tej częstotliwości. Ta rezystancja zwykle nie jest taka sama, jak typowe 50-omowe wyjście nadajnika. W rzeczywistości idealny dipol (bez efektów uziemienia) ma odporność na promieniowanie około 71 omów. Tak więc ta idealna antena rezonansowa nie ma SWR 1: 1, ponieważ rezystancja nie wynosi 50 omów.

Jednak SWR jest również ważny z dwóch różnych powodów. Po pierwsze, aby chronić obwody PA przekaźnika półprzewodnikowego (lub wzmacniacza). Odbite napięcie może zniszczyć tranzystory wyjściowe, więc niski współczynnik SWR pomaga chronić obwody półprzewodnikowe. Większość nowoczesnych nadajników (nadajników-odbiorników) ma obwody zabezpieczające, które przywracają moc do bezpiecznego poziomu, gdy SWR jest zbyt wysoki. Mój własny Elecraft K3 zaczyna to w obliczu SWR przy nieco ponad 2: 1.

Drugim powodem, dla którego SWR jest ważny, jest ograniczenie strat w linii transmisyjnej między nadajnikiem / transceiverem / odbiornikiem a anteną. Wyższy SWR powoduje wzrost strat. Istnieją kalkulatory dostępne on-line (i aplikacja ARRL TransmissionLine) do obliczania strat przy danych wejściowych i obciążeniowych SWR lub rzeczywistej impedancji $ R + jX $. Napisałem własne w Mathematica.

Ponadto SWR jest często wskaźnikiem problemów w systemie antenowym. Monitorowanie SWR jest czymś, co powinni robić operatorzy szynki, ponieważ pokaże problemy. Pewnego popołudnia przygotowywałem się do harmonogramu sieci ruchu CW i zrobiłem szybki klawisz tylko po to, aby spojrzeć na mój SWR. Nastąpił ostry sygnał dźwiękowy i migające czerwone diody LED. Wyjrzałem na podwórko i zobaczyłem, że mój 80-metrowy dipol leży na ziemi. Jeden z moich punktów kotwiczenia zawiódł.

Minimalny SWR (tak jak zadawano w pytaniu) nie ma nic wspólnego z rezonansem (samym w sobie). Jeśli dostroję się na 160-metrowym paśmie za pomocą mojego 80-metrowego dipola, mogę znaleźć minimalne SWR i to minimum jest rzędu 250: 1 lub więcej. Mój tuner jest dobry, ale nie poradzi sobie z tak szerokim SWR. Ale antena rezonansowa powinna mieć niski współczynnik SWR i prawdopodobnie minimum przy częstotliwości rezonansowej. Ale, jak wspomniałem wcześniej dla dipola, ten niski SWR zwykle nie będzie wynosić 1: 1, ponieważ rzeczywista rezystancja promieniowania anteny prawie zawsze nie jest taka sama, jak 50 omów oczekiwane przez nadajnik.

Osobiście, kiedy buduję anteny, najważniejszą rzeczą jest zarządzanie i projektowanie pod kątem minimalnego SWR na częstotliwościach, na których chcę pracować. Minimalny SWR jest, mam nadzieję, poniżej 3: 1 dla większości pasma, ale nawet mój 80-metrowy dipol ma wyższy SWR na górnym końcu pasma (3,9 MHz) z SWR około 5: 1 (mój tuner pasuje do tego bez żadnych problemów, ale Muszę zapłacić za ten wyższy SWR w stratach transmisji do anteny, dlatego używam niskostratnego kabla koncentrycznego LMR400.Jeden z moich programów Mathematica wykona pełne przemiatanie od 3 do 30 MHz (wszystkie częstotliwości w krokach 20 kHz) z moich anten projektuję (w porozumieniu z rozwiązaniami NEC4) i obliczam SWR, płynnie interpoluję, a następnie wykreślam wyniki. Wizualnie widzę wszystkie spoty o niskim SWR (poniżej 3: 1) dla danej długości przewodu anteny.

Rezonans występuje przy określonej częstotliwości, gdzie reaktancja wynosi zero, a zatem prąd i napięcie są w fazie. Aby to zilustrować, oto wykres oporu punktu zasilania, (R) reaktancji (X) i wielkości impedancji (| Z |) mojej pułapki podwórkowej pionowo na 30 metrach:

Zwróć uwagę, że przy rezonansie rezystancja nie wynosi 50 Ω, więc SWR jest tutaj coś więcej niż 1: 1.

Jest inny rezonans wokół 10,62 MHz, ale tutaj opór jest poza wykresem. Jak zobaczymy na następnym wykresie, chociaż antena jest tutaj rezonansowa, SWR jest bardzo zły.

Oto te same dane, ale wykreślone jako SWR:

Minimalne obniżenie SWR nie jest na tej samej częstotliwości co rezonans.

(Możesz również zobaczyć, że muszę tam wyjść i dostrój tę antenę!)

Mapa Smitha to dobry sposób na wizualizację zarówno impedancji, jak i SWR na tej samej mapie. Oto znowu te same dane:

Pozioma linia pośrodku reprezentuje wszystkie punkty rezonansowe, to znaczy wszystkie punkty, w których reaktancja wynosi zero.

Sam środek wykresu reprezentuje 50 + 0jΩ i SWR 1: 1. SWR jest mierzone odległością od środka, a ta tarcza w środku reprezentuje SWR 1,6 lub więcej.

I widać, że krzywa zbliża się trochę do centrum trochę oddalone od rezonansu. Różnica jest na tyle mała, że ​​w praktyce prawie nie ma znaczenia.

Możesz również zobaczyć, jak krzywa ciągnie się dookoła, aż ponownie dotknie środkowej linii: to drugi rezonans ze złym SWR.

Możliwe jest posiadanie anteny, która zanurza się w tym okręgu SWR 1: 6 od góry lub od dołu i nigdy w ogóle nie przekracza linii reaktancji 0. W przypadku dipoli rezonansowych i pionów impedancja rezonansowa jest przyzwoita i będzie blisko środka, ale w przypadku innych rodzajów anten może być zaangażowana pasująca sieć, która tworzy zupełnie inną trajektorię na wykresie Smitha.

Dodanie linii informacyjnej również zmienia obraz. Ponieważ zmienia się długość linii zasilającej, impedancja przy dowolnej częstotliwości obraca się wokół środka wykresu Smitha. SWR tego punktu pozostaje stałe, ale dla każdej dodanej połowy długości fali, punkt wykonuje pełny obrót. Dzięki odpowiedniej długości linii zasilającej możliwe jest więc rezonans dowolnej impedancji. Możliwe jest również przyjęcie dowolnej impedancji rezonansowej, która nie jest idealnie dopasowana i uczynienie jej nie-rezonansową.

Impedancja anteny to $ R + jX $, gdzie $ R $ oznacza część rzeczywistą, a $ X $ oznacza część urojoną impedancji. Rezonans oznacza, że ​​część urojona ma dokładnie zero.

Większość konstrukcji anten nie ma impedancji dokładnie 50 Ω, a ich rezonans jest bliski 50 Ω. Na przykład rezonans może wynosić 40 Ω, ale minimalny SWR może wynosić $ (45 + 5j) \, Ω $, co jest bliższe 50 Ω, jak widać na wykresie Smitha.

Większość ludzi opisuje rezonans jako zerową reaktancję, czyste obciążenie rezystancyjne.

Wszystkie anteny są rezonansowe na wielu częstotliwościach. Możesz załadować ćwierć fali pionowo jako falę 3/4, falę 5/4 itd.

Niestety, praktycznie żaden kawałek metalu nie ma składowej rezystancyjnej 50 omów, gdy są rezonansowe, więc w zależności od projektu, będzie pasująca sieć i jeśli będzie wystarczająco „funky” pasującego projektu, możesz uruchomić antenę tak, aby minimalny SWR nie był częstotliwością rezonansową. A pasujące sieci prawie nigdy nie są szerokopasmowe, więc kawałek przewodu może ładować się jako ćwierć fali i dziewięć ćwierć fali, ale pasujące sieci są trudne do zbudowania w ten sposób, dając impedancję linii zasilającej 50 omów w tym zakresie częstotliwości.

Ze względów praktycznych próba zrobienia czegoś nieco ekstremalnego, np. dostrojenia małej anteny mobilnej do pracy na 40 metrach, prawdopodobnie będzie wymagała stosunkowo dużego induktora równoległego do anteny pojemnościowej i jego możliwej częstotliwości, gdzie X = 0 nie będzie najniższą częstotliwością SWR anteny. Zakładając oczywiście brak błędu pomiaru.

Innym fajnym sposobem na uzyskanie dziwnych wyników są niezrównoważone warunki, które również powodują promieniowanie w linii zasilającej. Więc twoja linia zasilająca jest częścią systemu antenowego, nawet jeśli tego nie zamierzałeś, a wyniki mogą być dziwne.

Zwykle różnica jest naprawdę niewielka i zaokrąglona do zera, więc po prostu dostosuj się do najniższego SWR i wywołaj to dobre. Taka sytuacja może się zdarzyć, ale prawdopodobnie nie będziesz się z nią spotkać zbyt często, a nawet jeśli to zrobisz, zwykle nie ma to innego znaczenia niż bycie naprawdę zagmatwanym.