STOJATÉ VLNY
Co to vlastně je?
Každý, kdo se alespoň trochu pohybuje kolem antén narazil na pojem PSV (v angličtině SWR), tedy poměr stojatých vln, správněji činitel stojatého vlnění. Všeobecně je známo, že tento poměr má být co nejmenší, zkušenější již vědí, jak jej změřit a ti více zkušení vědí jak jej vylepšit. Dobrá, to bychom měli, ale – co to vlastně ty stojaté vlny jsou?
Pro přenos maximálního výkonu mezi zdrojem s vnitřním odporem Ri a zatěžovacím odporem (zde anténou) Rz prostřednictvím vedení o charakteristické impedanci Zo je zapotřebí, aby byla splněna podmínka vzájemného přizpůsobení impedancí
Ri = Zo = RzV takovém případě je průběh napětí a proudu podél vedení téměř konstantní a jen mírně klesá následkem ztrát vedení (viz obrázek 1). Při nepřizpůsobení impedancí na začátku vedení nedojde k maximálnímu přenosu výkonu ze zdroje do vedení. Zavedeme-li pojem činitel nepřizpůsobení jako podíl hodnot dvou odporů větší než 1
δ = Ri/Zo pro Ri > Zo δ = Zo/Ri pro Zo > Ri
pak poměr výkonu maximálního, tj. přenášeného při δ = 1, ke skutečně přenesenému při δ > 1 je určen vztahem
Pmax 4
4 δ
------- = -------------- = --------------
P δ + 1/ δ + 2 δ2 + 2 δ + 1
Např. pro činitel nepřizpůsobení δ = 2 je poměr výkonů 0,89 což znamená, že soustava vedení – anténa odebere z vysílače jen 89% max. možného výkonu a při přenosu tudíž vzniká ztráta asi 0,5 dB.
Obr. 1 – Přizpůsobené vedení
Složitější situace vzniká, když není přizpůsoben zatěžovací odpor (tj. anténa) charakteristické impedanci napájecího vedení. Zmenšení přeneseného výkonu je popsáno stejným vztahem jako při nepřizpůsobení na začátku vedení, navíc vzniká na vedení tzv. stojaté vlnění. Část energie přímé vlny, postupující na vedení od zdroje k zátěži Rz, se na nepřizpůsobeném konci odráží a jako vlna odražená postupuje na vedení zpět ke zdroji. Poměr vlny odražené a původní vlny závisí na míře nepřizpůsobení, která se udává jako tzv. činitel odrazu ρ (Ró). Činitel odrazu je obecně komplexní číslo, protože zatěžovací impedance nemusí být pouze odporová, ale mívá i jalovou složku. Absolutní hodnota činitele odrazu se pohybuje mezi ρ = 0 (dokonalé přizpůsobení zátěže) a ρ = 1 (totální odraz na zkratovaném nebo otevřeném konci vedení).
Odražená vlna se skládá s vlnou přímou a na vedení vzniknou maxima a minima (kmitny a uzly) napětí a proudu (obrázek 2). Jejich poloha závisí na charakteru zatěžovací impedance.
Obr. 2. Vznik stojatých vln při impedančním nepřizpůsobení na konci vedení.
Vzdálenost dvou sousedních maxim nebo minim odpovídá poloviční délce vlny na vedení. Poměr napěťového maxima a minima stojaté vlny se správně nazývá činitel stojatého vlnění – ČSV (nesprávně poměr stojatých vln, z angličtiny) a je roven dříve definovanému činiteli nepřizpůsobení:
Mezi ČSV a činitelem odrazu ρ platí vztahy:
1 + ρ δ - 1
δ =
--------- ρ = --------
1 – ρ δ + 1
Z hlediska zdroje signálu se jeví na konci nepřizpůsobené vedení i na začátku jako nepřizpůsobené. Vstupní impedance vedení, zakončeného jinou impedancí než čistým odporem rovným charakteristické impedanci, je obecně komplexní a její činná i jalová složka závisí kromě zátěže i na délce vedení.
Stojaté vlny na vedení zvyšují ztráty přenosu, protože v kmitnách napětí a proudu jsou větší hodnoty než v přizpůsobeném stavu. Tím vzrůstá vyzařování vedení, tepelné ztráty a namáhání dielektrika a v extrémních případech se může koaxiální kabel nebo dvoulinka i prorazit. Na krátkých vlnách se považuje za ještě přijatelnou hodnotu ČSV = 3, kdy dochází k přenosové ztrátě 1,25 dB (minimálně). Ale většina běžných výstupních obvodů vysílačů není obvykle při takovém ČSV schopna zprostředkovat náležité zatížení koncového stupně. Na VKV pásmech se vždy snažíme o dosažení co nejlepšího přizpůsobeí antény k napaječi, protože přídavný útlum způsobený stojatými vlnami se uplatňuje podstatně více. Za ještě přijatelnou hodnotu se považuje ČSV = 2, zlepšování přizpůsobení pod ČSV = 1,2 již bývá zbytečné.
Ing. Karel Jordan, CSc.