Smith Chart: Ο Απόλυτος Πρακτικός Οδηγός για τον Ραδιοερασιτέχνη

---

---

Smith Chart: Ο Απόλυτος Πρακτικός Οδηγός για τον Ραδιοερασιτέχνη

Smith Chart στην πράξη: Πώς διαβάζουμε το διάγραμμα Smith του NanoVNA και παίρνουμε σωστές αποφάσεις για την κεραία μας

---

Ευχαριστίες – Αναγνώριση

Ευχαριστίες – Αναγνώριση: Ιδιαίτερες ευχαριστίες στον Κωνσταντίνο Παναγιωτόπουλο, SV1AER, Ηλεκτρονικό Μηχανικό Τηλεπικοινωνιών και μέλος της ΕΡΔΕ – SZ1A, καθώς σημαντικό μέρος του υλικού και των τεχνικών εξηγήσεων πάνω στις οποίες βασίστηκε ο παρών πρακτικός οδηγός, προέρχεται από πρωτότυπα κείμενά του, τη δική του δουλειά, εμπειρία και πολύτιμη συμβολή.

ΜΕΡΟΣ 1: Κατανοώντας το Smith Chart

Σε αυτή την ενότητα θα δούμε τις βασικές έννοιες που χρειάζονται για να μπορούμε να διαβάζουμε σωστά ένα Smith Chart.

Τι είναι η εμπέδηση, τι σημαίνουν τα R και jX, πώς συνδέονται με τον συντονισμό, το SWR και την προσαρμογή, και πώς όλα αυτά εμφανίζονται στην οθόνη του NanoVNA. Στόχος δεν είναι η θεωρία για τη θεωρία, αλλά να αποκτήσουμε τη βάση που χρειαζόμαστε για να καταλαβαίνουμε τι πραγματικά μας δείχνει η μέτρηση.

Τι είναι το Smith Chart και γιατί δημιουργήθηκε;

Το Smith Chart, ή Διάγραμμα Smith, πήρε το όνομά του από τον Phillip H. Smith, έναν Αμερικανό μηχανικό ραδιοσυχνοτήτων που εργαζόταν στα Bell Labs τη δεκαετία του 1930. Ο Smith δημιούργησε το διάγραμμα με σκοπό να απλοποιήσει τους κουραστικούς και πολύπλοκους μαθηματικούς υπολογισμούς που απαιτούνταν για την προσαρμογή της σύνθετης αντίστασης, ή εμπέδησης, σε γραμμές μεταφοράς και κεραίες.

Στο άρθρο χρησιμοποιούμε τεχνικούς όρους, όπως εμπέδηση (σύνθετη αντίσταση), άεργη αντίδραση, μιγαδικός αριθμός, συντελεστής ανάκλασης, χαρακτηριστική εμπέδηση και κανονικοποίηση. Δεν χρειάζεται να τους φοβόμαστε. Θα τους εξηγούμε τη στιγμή που χρειάζονται, με πρακτικό νόημα και όχι με ακαδημαϊκή θεωρία.

Πριν εμφανιστούν σύγχρονα όργανα μέτρησης όπως το VNA, η ανάλυση μιας κεραίας ή μιας γραμμής μεταφοράς ήταν πολύ πιο δύσκολη διαδικασία. Ο ραδιομηχανικός έπρεπε να βασίζεται σε μιγαδικούς αριθμούς, σε τύπους γραμμών μεταφοράς και σε χρονοβόρους υπολογισμούς για να καταλάβει τι πραγματικά συνέβαινε στο σύστημα.

Αρχικά, το Smith Chart ήταν ένα εργαλείο που χρησιμοποιούνταν κυρίως πάνω στο χαρτί.

Ο μηχανικός έκανε τις απαραίτητες μετρήσεις ή υπολογισμούς και τοποθετούσε ο ίδιος τα σημεία της εμπέδησης πάνω στο διάγραμμα, ώστε να βλέπει πώς συμπεριφέρεται το φορτίο ή η γραμμή μεταφοράς και να υπολογίζει την απαιτούμενη προσαρμογή. Τα σύγχρονα VNA άλλαξαν εντελώς αυτή τη διαδικασία. Μετρούν αυτόματα την ηλεκτρική συμπεριφορά του κυκλώματος σε πολλές συχνότητες και μπορούν να εμφανίσουν απευθείας στην οθόνη το αποτέλεσμα πάνω σε ένα Smith Chart. Έτσι, αυτό που κάποτε απαιτούσε μετρήσεις, υπολογισμούς και σχεδίαση με το χέρι, σήμερα εμφανίζεται σχεδόν αμέσως ως μια καμπύλη στην οθόνη του οργάνου.

Δεν μετράει μόνο πόσο σήμα χάνεται ή ανακλάται. Μετράει και τη φάση, δηλαδή το πώς “γυρίζει” ή μετατοπίζεται το σήμα σε σχέση με αυτό που έστειλε το όργανο. Γι αυτό μπορεί να μας δείξει όχι μόνο SWR, αλλά και εμπέδηση, συντονισμό, απώλειες, συμπεριφορά καλωδίων, φίλτρων, balun και φυσικά το Smith Chart.

Αυτό είναι πραγματική επανάσταση για το hobby μας. Δεν κοιτάμε πλέον μόνο μια ένδειξη SWR. Μπορούμε να δούμε τι συμβαίνει πραγματικά στην κεραία, στο ομοαξονικό, στο balun, στο φίλτρο ή στο κύκλωμα προσαρμογής.

Ξεκινάμε από αυτό που μας ενδιαφέρει πραγματικά

Το Smith Chart φαίνεται τρομακτικό την πρώτη φορά που το βλέπουμε στην οθόνη ενός NanoVNA. Μοιάζει με χάρτη γεμάτο κύκλους, καμπύλες και περίεργα σημεία. Και δεν είναι τυχαίο ότι το Smith Chart έχει αποκτήσει σχεδόν μυθική φήμη στον χώρο των RF.

Δεν είναι λίγοι οι φοιτητές Ηλεκτρολόγων Μηχανικών που το περιγράφουν ως «το πιο τρομακτικό διάγραμμα που συναντά κανείς στις σπουδές του». Πολλοί το περιγράφουν σαν να κοιτάζεις μέσα σε μια δίνη ή μια σκουληκότρυπα από ταινία επιστημονικής φαντασίας, ενώ άλλοι αστειεύονται ότι είναι «μαύρη μαγεία», ή όπως θα το έλεγαν στα αγγλικά, “it’s black magic and witchcraft”.

Όταν μετράμε μια κεραία με NanoVNA, συνήθως θέλουμε απαντήσεις σε πρακτικές ερωτήσεις:

• Σε ποια συχνότητα συντονίζει η κεραία μας;
• Είναι η κεραία κοντή ή μεγάλη για τη συχνότητα που θέλουμε;
• Το πρόβλημα είναι στην κεραία, στο ομοαξονικό ή στην εγκατάσταση;
• Χρειάζεται να προσθέσουμε ή να αφαιρέσουμε μήκος;
• Έχουμε common mode, κακή γείωση ή περίεργη συμπεριφορά από το περιβάλλον;
• Το tuner απλώς ξεγελάει τον πομπό ή λύνει πραγματικά το πρόβλημα;

Το Smith Chart μπορεί να μας βοηθήσει να απαντήσουμε σε όλα αυτά, επειδή δείχνει κάτι που το απλό SWR πολλές φορές κρύβει.

Το SWR μάς λέει πόσο καλά ή πόσο άσχημα ταιριάζει το σύστημα, αλλά δεν μας λέει πάντα γιατί.

Το Smith Chart μάς βοηθά να δούμε και το γιατί, δείχνοντάς μας προς ποια κατεύθυνση βρίσκεται το πρόβλημα.

Στη δική μας περίπτωση, όπου το φορτίο είναι η κεραία, μπορούμε να καταλάβουμε αν φαίνεται ηλεκτρικά κοντή ή μεγάλη για τη συχνότητα που μας ενδιαφέρει και αν η αντίστασή της είναι χαμηλότερη ή υψηλότερη από την τιμή που θα θέλαμε.

Τι είναι η εμπέδηση (σύνθετη αντίσταση);

Στα DC κυκλώματα μιλάμε συνήθως για αντίσταση. Για παράδειγμα, ένας αντιστάτης μπορεί να είναι 50 Ω. Στα RF όμως η κεραία δεν συμπεριφέρεται σαν απλός αντιστάτης. Η συμπεριφορά της αλλάζει με τη συχνότητα και περιλαμβάνει δύο πράγματα: ένα μέρος που καταναλώνει ή ακτινοβολεί ισχύ και ένα μέρος που αποθηκεύει προσωρινά ενέργεια και τη γυρίζει πίσω.

Η εμπέδηση ή σύνθετη αντίσταση (Z) είναι η συνολική “αντίσταση” που παρουσιάζει ένα RF φορτίο στο σήμα. RF φορτίο μπορεί να είναι η κεραία, ένα dummy load ή οτιδήποτε συνδέεται στην έξοδο του πομπού. Τη λέμε εμπέδηση επειδή στα RF δεν μας αρκεί να ξέρουμε μόνο πόσα Ω έχει κάτι. Θέλουμε επίσης να ξέρουμε αν συμπεριφέρεται σαν πηνίο ή σαν πυκνωτής. Στη γλώσσα των κεραιών αυτό γράφεται συνήθως ως μιγαδικός αριθμός:

Z = R + jX

Ο όρος μιγαδικός αριθμός ακούγεται δύσκολος, αλλά εδώ σημαίνει κάτι απλό: έναν αριθμό με δύο μέρη. Το πρώτο μέρος είναι η κανονική αντίσταση σε Ω. Το δεύτερο μέρος δείχνει αν η κεραία συμπεριφέρεται σαν πηνίο ή σαν πυκνωτής. 

Το R είναι η ωμική αντίσταση. Είναι το μέρος που σχετίζεται με πραγματική ισχύ, είτε αυτή ακτινοβολείται από την κεραία είτε χάνεται ως θερμότητα.

Το X είναι η άεργη αντίδραση. Δεν καταναλώνει ισχύ όπως ένας αντιστάτης, αλλά δείχνει ότι το φορτίο αποθηκεύει και επιστρέφει ενέργεια, όπως κάνουν τα πηνία και οι πυκνωτές. Το γράμμα j είναι απλώς η μαθηματική ένδειξη που χρησιμοποιούμε για να ξεχωρίζουμε αυτό το “άεργο” μέρος από την κανονική αντίσταση.

• Αν το X είναι θετικό, η συμπεριφορά είναι επαγωγική.
• Αν το X είναι αρνητικό, η συμπεριφορά είναι χωρητική.
• Αν το X είναι κοντά στο μηδέν, η κεραία βρίσκεται κοντά σε συντονισμό στη συγκεκριμένη συχνότητα.

Για τον ραδιοερασιτέχνη, αυτό είναι το πρακτικό νόημα: δεν κοιτάμε μόνο το SWR. Κοιτάμε και το jX, γιατί αυτό μας λέει προς τα πού πρέπει να κινηθούμε. 

Για παράδειγμα, σε ένα απλό δίπολο μισού κύματος, όταν μετράμε στο σημείο τροφοδοσίας του και κοντά στη συχνότητα συντονισμού του, ο πρακτικός κανόνας είναι απλός:

Αν το jX είναι αρνητικό, η κεραία συνήθως θέλει μήκος. 

Αν είναι θετικό, συνήθως θέλει να μικρύνει. 

Αν το jX είναι κοντά στο μηδέν αλλά το R δεν είναι κοντά στα 50 Ω, τότε το μήκος μπορεί να είναι σωστό, αλλά χρειάζεται προσαρμογή αντίστασης.

Εδώ μπαίνει ξανά στη συζήτηση το Smith Chart. Το NanoVNA κάνει τους υπολογισμούς για εμάς, αλλά το Smith Chart μάς βοηθά να καταλάβουμε τι σημαίνουν οι μετρήσεις. Δεν είναι ένα διακοσμητικό γράφημα στην οθόνη. Είναι ένας χάρτης που δείχνει πώς συμπεριφέρεται η κεραία μας, πώς αλλάζει η εμπέδησή της με τη συχνότητα και πόσο καλά ταιριάζει με το συνηθισμένο σύστημα των 50 Ω που χρησιμοποιούμε στους πομπούς, στα ομοαξονικά και στα περισσότερα όργανα μέτρησης.

Δεν χρειάζεται να κάνουμε μιγαδική άλγεβρα για να χρησιμοποιήσουμε το Smith Chart. Χρειάζεται να καταλαβαίνουμε τι σημαίνει το R, τι σημαίνει το jX και πώς αυτά φαίνονται στην οθόνη του NanoVNA.

Με απλά λόγια, το Smith Chart μάς βοηθά να απαντήσουμε στην ερώτηση: 

«Τι πραγματικά βλέπει ο πομπός μας όταν κοιτάζει προς την κεραία;»

Στο σημείο αυτό χρειάζεται να ξεκαθαρίσουμε και κάτι ακόμη. 

Σε όλο το άρθρο μιλάμε για συνηθισμένο ραδιοερασιτεχνικό σύστημα των 50 Ω. 

Δηλαδή θεωρούμε ότι ο πομπός, το ομοαξονικό καλώδιο, τα περισσότερα όργανα μέτρησης, τα φίλτρα, τα dummy loads και τα υπόλοιπα εξαρτήματα του σταθμού έχουν ως τιμή αναφοράς τα 50 Ω.

Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι το Smith Chart είναι από μόνο του “διάγραμμα 50 Ω”. Το Smith Chart μπορεί να χρησιμοποιηθεί με οποιαδήποτε τιμή αναφοράς. Η τιμή αυτή λέγεται χαρακτηριστική εμπέδηση ή εμπέδηση αναφοράς και συμβολίζεται ως:

Z₀ = 50 Ω

Στα δικά μας παραδείγματα, επειδή μιλάμε για ραδιοερασιτεχνικό σταθμό 50 Ω, το κέντρο του Smith Chart αντιστοιχεί σε:

Z = 50 + j0 Ω

Δηλαδή 50 Ω ωμική αντίσταση και σχεδόν μηδενική άεργη αντίδραση. Αν όμως δουλεύαμε σε ένα σύστημα 75 Ω, το κέντρο του ίδιου Smith Chart θα αντιστοιχούσε στα 75 Ω. Άρα δεν είναι το διάγραμμα που “είναι 50 Ω”. Είναι το σύστημα που ορίζει ποια τιμή θεωρούμε κέντρο.

Πώς μοιάζει ένα Smith Chart με την πρώτη ματιά

Την πρώτη φορά που βλέπουμε ένα Smith Chart, είναι λογικό να μας φανεί περίπλοκο. Βλέπουμε έναν μεγάλο κύκλο, πολλές καμπύλες, αριθμούς, και πάνω σε όλα αυτά μια γραμμή ή έναν marker από το NanoVNA. Δεν χρειάζεται όμως να καταλάβουμε όλες τις γραμμές από την πρώτη στιγμή.

Για αρχή, αρκεί να το δούμε σαν έναν χάρτη. Το κέντρο είναι το σημείο αναφοράς. Η οριζόντια γραμμή που περνά από το κέντρο, δηλαδή ο κεντρικός οριζόντιος άξονας, χωρίζει τον κύκλο σε δύο μισά: το πάνω δείχνει επαγωγική συμπεριφορά και το κάτω χωρητική. Για τα σημεία που βρίσκονται στον ίδιο τον οριζόντιο άξονα, αριστερά από το κέντρο η ωμική αντίσταση είναι χαμηλότερη από την τιμή αναφοράς και δεξιά υψηλότερη. Στο κέντρο είναι ακριβώς ίση με την τιμή αναφοράς. Σε αυτό το άρθρο, επειδή μιλάμε για ραδιοερασιτεχνικό σύστημα 50 Ω, αυτή η τιμή αναφοράς είναι τα 50 Ω.

Οι πολλές καμπύλες μέσα στο διάγραμμα είναι γραμμές σταθερής αντίστασης και σταθερής άεργης αντίδρασης. Δεν χρειάζεται να τις διαβάζουμε όλες μία μία για να βγάλουμε χρήσιμα συμπεράσματα. Στην αρχή μάς ενδιαφέρει κυρίως η γενική θέση του σημείου ή της καμπύλης που μας δείχνει το NanoVNA.

Κρατάμε λοιπόν μόνο την πρώτη εικόνα:

• κοντά στο κέντρο σημαίνει καλύτερη προσαρμογή
• πάνω από τη μέση σημαίνει επαγωγική συμπεριφορά
• κάτω από τη μέση σημαίνει χωρητική συμπεριφορά
• στον κεντρικό οριζόντιο άξονα, αριστερά από το κέντρο η ωμική αντίσταση είναι χαμηλότερη από την τιμή αναφοράς και δεξιά υψηλότερη

Στις επόμενες ενότητες θα δούμε τι σημαίνουν όλα αυτά πρακτικά και πώς τα χρησιμοποιούμε για να πάρουμε αποφάσεις στην κεραία μας.

Πώς διαβάζουμε γρήγορα το Smith Chart

Σκεφτόμαστε το Smith Chart σαν έναν χάρτη με τέσσερις βασικές περιοχές.

1. Το κέντρο

2. Πάνω από τον οριζόντιο άξονα

Σε μια απλή κεραία, όπως ένα δίπολο, αν θέλουμε να μεταφέρουμε τον συντονισμό πιο ψηλά στη μπάντα, συνήθως αφαιρούμε λίγο μήκος.

3. Κάτω από τον οριζόντιο άξονα

Σε ένα δίπολο, αν θέλουμε να μεταφέρουμε τον συντονισμό πιο χαμηλά στη μπάντα, συνήθως προσθέτουμε λίγο μήκος.

4. Αριστερά και δεξιά του κέντρου

Εδώ εξετάζουμε τα σημεία που βρίσκονται στον κεντρικό οριζόντιο άξονα, όπου η άεργη αντίδραση είναι μηδέν. Η θέση τους κατά μήκος του άξονα μάς δείχνει την ωμική αντίσταση, δηλαδή το πραγματικό μέρος της εμπέδησης. Αυτό είναι το μέρος που μοιάζει περισσότερο με την αντίσταση που γνωρίζουμε από τα απλά ηλεκτρονικά. Στην κεραία όμως δεν σημαίνει μόνο θερμότητα. Μπορεί να περιλαμβάνει και την αντίσταση ακτινοβολίας, δηλαδή το μέρος που συνδέεται με την ισχύ που πραγματικά φεύγει στον αέρα ως ραδιοκύμα.

Αυτά τα άκρα δεν είναι σημεία όπου θέλουμε να βρίσκεται μια κανονική κεραία. Είναι χρήσιμα όμως για να καταλαβαίνουμε τι μας δείχνει το διάγραμμα όταν κάτι πάει πολύ λάθος, όπως ένα κομμένο καλώδιο, ένα βραχυκύκλωμα ή μια κεραία που δεν συνδέεται σωστά.

Το πιο σημαντικό πράγμα που πρέπει να θυμόμαστε στο Smith Chart

Στο Smith Chart του NanoVNA το κέντρο είναι το σημείο τέλειας προσαρμογής για ένα σύστημα 50 Ω. Εκεί η εμπέδηση είναι περίπου 50 + j0 Ω. Δηλαδή έχουμε περίπου 50 Ω αντίσταση και σχεδόν μηδενική άεργη αντίδραση.

Όσο πιο κοντά περνάει η καμπύλη της μέτρησης από το κέντρο, τόσο καλύτερη είναι η προσαρμογή στη συγκεκριμένη συχνότητα. Όσο πιο μακριά βρίσκεται το σημείο από το κέντρο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάκλαση και συνήθως τόσο χειρότερο είναι το SWR.

Δεν μένουμε όμως μόνο στο “κοντά ή μακριά από το κέντρο”. Η πραγματική αξία του Smith Chart είναι ότι μας δείχνει αν η κεραία είναι χωρητική ή επαγωγική, αν η αντίστασή της είναι χαμηλότερη ή υψηλότερη από 50 Ω και αν η καμπύλη της έχει φυσιολογικό σχήμα. Αυτές οι πληροφορίες μάς οδηγούν σε πρακτικές αποφάσεις, όπως αν θα αλλάξουμε μήκος, αν θα ελέγξουμε το ομοαξονικό ή αν θα χρειαστούμε κύκλωμα προσαρμογής.

Κανονικοποίηση και ανάκλαση στο Smith Chart

Το Smith Chart δεν σχεδιάστηκε για να δουλεύει μόνο με ένα συγκεκριμένο σύστημα, όπως τα 50Ω που χρησιμοποιούμε συνήθως στα ραδιοερασιτεχνικά και RF συστήματα.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε συστήματα 75Ω, όπως αυτά που συναντάμε συχνά στην τηλεοπτική λήψη, αλλά και σε άλλα συστήματα με διαφορετική χαρακτηριστική εμπέδηση.

Αυτό γίνεται χάρη στην κανονικοποίηση.

Στον χώρο των RF και του Smith Chart, κανονικοποίηση σημαίνει ότι δεν κοιτάμε την εμπέδηση ως απόλυτη τιμή σε Ω. Τη συγκρίνουμε με τη χαρακτηριστική εμπέδηση του συστήματος, που συμβολίζεται ως Z₀.

Με πιο απλά λόγια, διαιρούμε την εμπέδηση που μετράμε με τη χαρακτηριστική εμπέδηση της γραμμής:

z = Z / Z₀

όπου:

Z είναι η πραγματική εμπέδηση που μετράμε.

Z₀  είναι η χαρακτηριστική εμπέδηση του συστήματος, για παράδειγμα 50Ω ή 75Ω.

z είναι η κανονικοποιημένη εμπέδηση, δηλαδή η εμπέδηση εκφρασμένη ως λόγος.

Έτσι, το Smith Chart δεν χρειάζεται να ξέρει αν δουλεύουμε σε σύστημα 50Ω, 75Ω ή 300Ω. Βλέπει μόνο τη σχέση ανάμεσα στην εμπέδηση του φορτίου και στη χαρακτηριστική εμπέδηση της γραμμής.

Για παράδειγμα:

• Σε σύστημα 50Ω, ένα φορτίο 50Ω γίνεται: z = 50 / 50 = 1
• Σε σύστημα 75Ω, ένα φορτίο 75Ω γίνεται: z = 75 / 75 = 1
• Σε σύστημα 300Ω, ένα φορτίο 300Ω γίνεται: z = 300 / 300 = 1

Και στις τρεις περιπτώσεις, το σημείο βρίσκεται στο κέντρο του Smith Chart, γιατί το φορτίο ταιριάζει με τη γραμμή.

Αυτός είναι ο λόγος που το κέντρο του Smith Chart αντιστοιχεί πάντα στο:

z = 1 + j0

ή αλλιώς:

Z = Z₀

Δηλαδή, η εμπέδηση του φορτίου είναι ίση με τη χαρακτηριστική εμπέδηση του συστήματος και δεν υπάρχει άεργο μέρος.

Η κανονικοποίηση μάς επιτρέπει να χρησιμοποιούμε το ίδιο Smith Chart για διαφορετικά συστήματα, χωρίς να αλλάζει η λογική του διαγράμματος. Είτε δουλεύουμε με 50Ω, είτε με 75Ω, είτε με οποιαδήποτε άλλη χαρακτηριστική εμπέδηση, το ερώτημα παραμένει το ίδιο:

«Πόσο καλά ταιριάζει το φορτίο με τη γραμμή;»

Η κανονικοποίηση μάς βοηθά να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα οπτικά. Μας δείχνει πού βρίσκεται η εμπέδηση του φορτίου πάνω στο Smith Chart, πάντα σε σχέση με τη χαρακτηριστική εμπέδηση της γραμμής.

Όταν το σημείο βρίσκεται στο κέντρο, η προσαρμογή είναι ιδανική. Όταν απομακρύνεται από το κέντρο, σημαίνει ότι το φορτίο δεν ταιριάζει απόλυτα με τη γραμμή.

Και όταν υπάρχει ασυμφωνία ανάμεσα στο φορτίο και στη γραμμή, ένα μέρος της RF ενέργειας δεν απορροφάται από το φορτίο. Επιστρέφει πίσω προς την πηγή.

Αυτή η επιστροφή του σήματος ονομάζεται ανάκλαση.

Για να περιγράψουμε πόσο μεγάλη είναι αυτή η ανάκλαση, χρησιμοποιούμε έναν όρο που λέγεται συντελεστής ανάκλασης και συμβολίζεται με το Ελληνικό γράμμα Γ.

Τι είναι ο συντελεστής ανάκλασης Γ, χωρίς να πνιγούμε στη θεωρία

Ο συντελεστής ανάκλασης Γ είναι ένας τρόπος να περιγράψουμε πόσο από το RF σήμα γυρίζει πίσω όταν φτάνει σε ένα φορτίο που δεν ταιριάζει με τη γραμμή.

Το γράμμα Γ είναι απλώς το Ελληνικό κεφαλαίο γάμμα και χρησιμοποιείται διεθνώς σε αυτή τη θεωρία.

Πρακτικά:

• Αν Γ είναι μηδέν, δεν υπάρχει ανάκλαση και η προσαρμογή είναι ιδανική.
• Αν Γ πλησιάζει το ένα, η ανάκλαση είναι πολύ μεγάλη.
• Στο Smith Chart, η απόσταση από το κέντρο σχετίζεται με το μέγεθος της ανάκλασης.
• Όσο πιο μακριά από το κέντρο, τόσο μεγαλύτερο SWR βλέπουμε.

Αν θέλουμε να κρατήσουμε μόνο μία εικόνα στο μυαλό μας, κρατάμε αυτή: το κέντρο είναι το καλύτερο σημείο προσαρμογής, ο εξωτερικός κύκλος είναι η χειρότερη περιοχή. Όσο απομακρύνεται το marker από το κέντρο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάκλαση.

Αν θέλουμε να το δούμε λίγο πιο τεχνικά, το Γ ορίζεται από τη σχέση:

Γ = (Z_L − Z₀) / (Z_L + Z₀)

όπου Z_L είναι η εμπέδηση του φορτίου, για παράδειγμα μιας κεραίας, ενός φίλτρου ή οποιασδήποτε διάταξης βρίσκεται στο τέλος της γραμμής. Το Z₀ είναι η χαρακτηριστική εμπέδηση της γραμμής μεταφοράς. Στα περισσότερα ραδιοερασιτεχνικά RF συστήματα είναι 50Ω, ενώ σε άλλα συστήματα, όπως η τηλεοπτική λήψη, μπορεί να είναι 75Ω.

Το Γ είναι μιγαδικό μέγεθος. Αυτό σημαίνει ότι περιγράφει τόσο το μέγεθος της ανάκλασης όσο και τη φάση της. Στην πράξη όμως, όταν θέλουμε να καταλάβουμε πόση ανάκλαση έχουμε, κοιτάμε κυρίως το |Γ|. Αυτό είναι το μέτρο του, δηλαδή η απόλυτη τιμή του Γ, και εκφράζεται ως ένας πραγματικός αριθμός.

Στο Smith Chart, το |Γ| αντιστοιχεί στην απόσταση του σημείου από το κέντρο:

|Γ| = 0 σημαίνει καμία ανάκλαση. Το φορτίο είναι πλήρως προσαρμοσμένο με τη γραμμή και ισχύει Z_L = Z₀ . Αυτό το σημείο βρίσκεται πάντα ακριβώς στο κέντρο του Smith Chart.

0 < |Γ| < 1 σημαίνει μερική ανάκλαση. Ένα μέρος του σήματος μεταφέρεται στο φορτίο και ένα μέρος επιστρέφει προς την πηγή. Στο Smith Chart, αυτό αντιστοιχεί σε οποιοδήποτε σημείο ανάμεσα στο κέντρο και στην εξωτερική περίμετρο.

|Γ| = 1 σημαίνει πλήρης ανάκλαση. Όλο το σήμα επιστρέφει, όπως συμβαίνει σε ακραίες περιπτώσεις, για παράδειγμα σε βραχυκύκλωμα ή σε ανοιχτή γραμμή. Αυτό το σημείο βρίσκεται πάντα πάνω στην εξωτερική περίμετρο του διαγράμματος.

Με απλά λόγια, όσο πιο κοντά βρίσκεται το σημείο της μέτρησης (δείκτης – marker) στο κέντρο, τόσο μικρότερη είναι η ανάκλαση. Όσο πλησιάζει προς την εξωτερική περίμετρο, τόσο μεγαλύτερη γίνεται η ανάκλαση.

Το |Γ| συνδέεται άμεσα και με το SWR. Η σχέση είναι:

SWR = (1 + |Γ|) / (1 − |Γ|)

Μερικά πρακτικά παραδείγματα αρκούν για να δούμε τη σχέση:

• |Γ| = 0 αντιστοιχεί σε SWR 1:1, δηλαδή ιδανική προσαρμογή.
• |Γ| ≈ 0.33 αντιστοιχεί περίπου σε SWR 2:1.
• |Γ| = 0.5 αντιστοιχεί σε SWR 3:1.
• |Γ| = 0.6 αντιστοιχεί σε SWR 4:1.
• |Γ| ≈ 0.82 αντιστοιχεί περίπου σε SWR 10:1.

Όσο το |Γ| πλησιάζει το 1, το SWR ανεβαίνει πολύ γρήγορα. Όταν |Γ| = 1, έχουμε πλήρη ανάκλαση και το SWR γίνεται θεωρητικά άπειρο.

Σε ένα VNA, όπως το NanoVNA, η μετατροπή γίνεται αυτόματα. Το όργανο μετρά την ανάκλαση, υπολογίζει το |Γ| και εμφανίζει το αποτέλεσμα απευθείας ως SWR στην οθόνη.

Για παράδειγμα, σε ένα NanoVNA μπορεί να βλέπουμε ταυτόχρονα το marker πάνω στο Smith Chart και μια ένδειξη όπως SWR 1.25 ή SWR 2.10. Αυτό σημαίνει ότι το NanoVNA έχει ήδη μετατρέψει την πληροφορία της ανάκλασης σε μια πιο γνώριμη τιμή. Εμείς απλώς συνδέουμε την τιμή του SWR με τη θέση του marker στο Smith Chart.

Συντονισμός και 50 Ω δεν είναι το ίδιο πράγμα

Αυτό είναι ένα από τα πιο σημαντικά σημεία όλου του άρθρου. Πολλοί ραδιοερασιτέχνες μπερδεύουν τον συντονισμό με το χαμηλό SWR. Δεν είναι το ίδιο.

Σε αυτή την περίπτωση δεν είναι σωστό να πούμε απλώς “η κεραία δεν συντονίζει”. Συντονίζει. Απλώς δεν ταιριάζει απευθείας με γραμμή 50 Ω. Η λύση δεν είναι απαραίτητα να αλλάξουμε το μήκος της κεραίας. Η σωστή λύση μπορεί να είναι ένα κύκλωμα προσαρμογής ή ένας κατάλληλος μετασχηματιστής εμπέδησης.

Το αντίθετο μπορεί επίσης να συμβεί. Μπορούμε να πετύχουμε χαμηλό SWR στο shack με ένα tuner ή λόγω απωλειών στο ίδιο το ομοαξονικό, ενώ η κεραία στο σημείο τροφοδοσίας παραμένει έντονα χωρητική ή επαγωγική. Ο πομπός μπορεί να είναι “χαρούμενος”, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι η κεραία είναι πραγματικά συντονισμένη στη συχνότητα που θέλουμε.

ΜΕΡΟΣ 2: Το Smith Chart στην Πράξη

Εδώ αρχίζουν τα πραγματικά χρήσιμα.

Θα δούμε πώς χρησιμοποιούμε το Smith Chart για να ρυθμίσουμε μια κεραία, να καταλάβουμε αν είναι ηλεκτρικά κοντή ή μεγάλη, να ξεχωρίσουμε πρόβλημα συντονισμού από πρόβλημα προσαρμογής, να εντοπίσουμε common mode, προβλήματα στο ομοαξονικό ή στο feedpoint και γενικά να πάρουμε σωστές αποφάσεις πριν αρχίσουμε να κόβουμε, να προσθέτουμε ή να αλλάζουμε πράγματα στην τύχη.

Τι κάνει το NanoVNA όταν εμφανίζει το Smith Chart

Όταν κάνουμε σάρωση σε ένα εύρος συχνοτήτων, το NanoVNA μετράει την εμπέδηση σε πολλά σημεία μέσα σε αυτό το εύρος. Για να τη βάλει πάνω στο Smith Chart, τη συγκρίνει με την τιμή αναφοράς του συστήματος, συνήθως τα 50 Ω. Αυτή η σύγκριση λέγεται κανονικοποίηση. Με απλά λόγια, το όργανο μετατρέπει τις πραγματικές τιμές Ω σε μια μορφή που χωράει πάνω στο ίδιο διάγραμμα.

Κάθε συχνότητα αντιστοιχεί σε ένα σημείο πάνω στο Smith Chart. Όλα αυτά τα σημεία μαζί σχηματίζουν μια καμπύλη. Ο marker δείχνει τη θέση μιας συγκεκριμένης συχνότητας πάνω στην καμπύλη. Είναι σαν καρφίτσα πάνω στον χάρτη. Μετακινώντας τον marker, βλέπουμε πώς αλλάζει η κεραία μας από τη χαμηλή άκρη της μπάντας μέχρι την υψηλή.

Αυτό είναι πολύ πιο χρήσιμο από μια απλή ένδειξη SWR, επειδή βλέπουμε ολόκληρη τη συμπεριφορά της κεραίας. Μπορούμε να δούμε πού περνάει από συντονισμό, πού γίνεται χωρητική, πού γίνεται επαγωγική και πόσο κοντά περνάει από τα 50 Ω.

Στο M1 marker του παραπάνω παραδείγματος, που αντιστοιχεί στη συχνότητα 14.200 MHz, βλέπουμε ότι η κεραία παρουσιάζει επαγωγική συμπεριφορά. Αυτό το καταλαβαίνουμε επειδή ο marker βρίσκεται πάνω από τον οριζόντιο άξονα του Smith Chart, όπου το jX είναι θετικό. Σε μια απλή κεραία, όπως ένα δίπολο, αυτό συνήθως σημαίνει ότι είναι ελαφρώς ηλεκτρικά μεγάλη για τη συγκεκριμένη συχνότητα.

Σε αυτό το σημείο, η μετρούμενη εμπέδηση είναι:

Z = 60 + j11.58 Ω

Αυτή η τιμή δεν απέχει πολύ από το ιδανικό σημείο που θα ήθελε να δει το σύστημά μας των 50 Ω:

Z = 50 + j0 Ω

Γι αυτό και το SWR που προκύπτει παραμένει αρκετά αποδεκτό:

SWR = 1.321:1

Ωστόσο, η καμπύλη μάς δείχνει κάτι πιο χρήσιμο από το SWR από μόνο του. Σε μια απλή κεραία που τροφοδοτείται στο κέντρο της, όπως ένα δίπολο, αν κοντύνουμε ελαφρώς την κεραία για να αφαιρέσουμε την επαγωγική άεργη αντίδραση, το ίχνος (trace) θα κινηθεί προς τον οριζόντιο άξονα. Στο σημείο όπου το ίχνος (trace) περνάει από τη γραμμή j0, και η κεραία βρίσκεται σε συντονισμό, επειδή η άεργη αντίδραση έχει μηδενιστεί.

Η καμπύλη λοιπόν μάς δείχνει προς ποια κατεύθυνση πρέπει να κινηθούμε. Κάνουμε μια μικρή αλλαγή στο μήκος και ξαναμετράμε για να δούμε το αποτέλεσμα.

Σε αυτό το παράδειγμα, το σημείο συντονισμού είναι περίπου:

Z ≈ 62 + j0 Ω

Αυτό σημαίνει ότι η κεραία μπορεί να έρθει σε συντονισμό, αλλά όχι ακριβώς στα 50 Ω μόνο με αλλαγή του μήκους της. Ακόμη και στον συντονισμό, το ωμικό μέρος της εμπέδησης παραμένει περίπου 62 Ω, όχι 50 Ω. Επομένως, θα εξακολουθεί να υπάρχει μια μικρή ασυμφωνία σε ένα σύστημα 50 Ω, με SWR περίπου:

SWR ≈ 1.25:1

Άρα, πρακτικά, αυτή η κεραία μπορεί να βελτιωθεί στα 14.200 MHz αν κοντύνει ελαφρώς. Αυτή η ρύθμιση θα αφαιρέσει το μεγαλύτερο μέρος της επαγωγικής άεργης αντίδρασης και θα τη φέρει πιο κοντά στον συντονισμό.

Όμως η εμπέδηση στο σημείο τροφοδοσίας θα παραμείνει περίπου 62 Ω, οπότε θα εξακολουθεί να υπάρχει μια μικρή ασυμφωνία. Με άλλα λόγια, μόνο με αλλαγή του μήκους της κεραίας δεν θα πετύχουμε τέλειο ταίριασμα 1:1 με αυτή την κεραία όπως είναι.

Αυτή είναι η ομορφιά του Smith Chart. Μπορούμε να το δούμε αυτό πριν κάνουμε οποιαδήποτε φυσική αλλαγή στην κεραία. Με έναν αναλυτή κεραίας που εμφανίζει μόνο τιμές εμπέδησης και άεργης αντίδρασης, αυτό μπορεί να μην είναι προφανές. Μπορεί να νομίσουμε ότι αρκεί απλώς να μηδενίσουμε την άεργη αντίδραση για να πετύχουμε τέλειο ταίριασμα, κάτι που δεν ισχύει.

Το ίχνος (trace) πάνω στο Smith Chart μάς δείχνει τι θα συμβεί πραγματικά αν αλλάξουμε το μήκος της κεραίας. Μας δείχνει ότι το κόντεμα της κεραίας θα αφαιρέσει την επαγωγική άεργη αντίδραση και θα τη φέρει σε συντονισμό, αλλά η αντίσταση στο σημείο τροφοδοσίας θα παραμείνει περίπου 62 Ω, όχι 50 Ω. Άρα η κεραία θα είναι συντονισμένη, αλλά δεν θα είναι ακόμη τέλεια προσαρμοσμένη στη γραμμή τροφοδοσίας των 50 Ω.

Αν θέλαμε καλύτερη προσαρμογή στα 50 Ω, θα έπρεπε να προσθέσουμε ένα κύκλωμα προσαρμογής στο σημείο τροφοδοσίας της κεραίας, όπως ένα LC κύκλωμα, έναν μετασχηματιστή εμπέδησης ή κάποια άλλη κατάλληλη μέθοδο προσαρμογής. Αυτό το κύκλωμα θα μετέτρεπε την εμπέδηση στο σημείο τροφοδοσίας της κεραίας από περίπου:

Z_L ≈ 62 + j0 Ω

στην εμπέδηση του συστήματος:

Z₀ = 50 Ω

Έτσι, η γραμμή μεταφοράς θα έβλεπε πολύ καλύτερη προσαρμογή στα 50 Ω, ενώ η κεραία θα παρέμενε συντονισμένη.

Για αυτό το Smith Chart είναι πιο χρήσιμο από μια απλή ένδειξη αναλυτή κεραίας. Μια μεμονωμένη τιμή εμπέδησης και SWR μάς λέει τι συμβαίνει σε μία συγκεκριμένη συχνότητα, αλλά το ίχνος (trace) στο Smith Chart μάς δείχνει την κατεύθυνση της αλλαγής. Μας βοηθά να δούμε πού θα κινηθεί η κεραία αν την κοντύνουμε ή αν τη μεγαλώσουμε.

Σε αυτό το παράδειγμα, το ίχνος δείχνει ότι το κόντεμα της κεραίας θα ακυρώσει την επαγωγική άεργη αντίδραση και θα τη φέρει σε συντονισμό, αλλά δεν θα φέρει την εμπέδηση στο σημείο τροφοδοσίας ακριβώς στα 50 Ω. Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να αποφύγουμε το συνηθισμένο λάθος να κόβουμε ή να ρυθμίζουμε την κεραία ξανά και ξανά, περιμένοντας ένα τέλειο SWR 1:1 που η συγκεκριμένη κεραία δεν μπορεί να πετύχει μόνο με αλλαγή μήκους.

Πρακτική διαδικασία μέτρησης με NanoVNA

Για να χρησιμοποιήσουμε το Smith Chart σωστά, ακολουθούμε μια απλή διαδικασία.

1. Κάνουμε calibration (βαθμονόμηση) στο εύρος συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει και στο σημείο όπου θα γίνει η μέτρηση. Δηλαδή, αν χρησιμοποιούμε καλώδιο ή αντάπτορα μέτρησης, το calibration πρέπει να γίνει στο άκρο αυτού του καλωδίου ή αντάπτορα. Calibration σημαίνει ότι λέμε στο NanoVNA ποιο είναι το σωστό open, short και load, ώστε να αφαιρέσει τα λάθη των καλωδίων και των αντάπτορων από τη μέτρηση.
   
   
2. Χρησιμοποιούμε σωστά standards (πρότυπα βαθμονόμησης) για open, short και load. Open σημαίνει ανοικτό κύκλωμα, short σημαίνει βραχυκύκλωμα και load σημαίνει σωστό φορτίο αναφοράς 50 Ω.
   
   
3. Αν μπορούμε, μετράμε όσο πιο κοντά γίνεται στο σημείο τροφοδοσίας της κεραίας. Αν μετράμε από το shack μέσα από την κάθοδο, θυμόμαστε ότι βλέπουμε την κεραία μαζί με τη γραμμή μεταφοράς.
   
   
4. Ρυθμίζουμε ένα λογικό span (εύρος) γύρω από τη μπάντα που μας ενδιαφέρει. Για παράδειγμα, στα 20 μέτρα μπορούμε να μετρήσουμε περίπου από 13.800 MHz μέχρι 14.500 MHz.
   
   
5. Βάζουμε marker στη συχνότητα που μας ενδιαφέρει πραγματικά, όχι απλώς στο σημείο όπου το SWR φαίνεται χαμηλότερο.
   
   
6. Κοιτάμε πρώτα το jX. Αν είναι θετικό, το σύστημα που μετράμε φαίνεται επαγωγικό, ενώ αν είναι αρνητικό, φαίνεται χωρητικό. Αυτές οι ενδείξεις μάς βοηθούν να καταλάβουμε πώς συμπεριφέρεται το σύστημά μας. Για παράδειγμα, σε ένα απλό δίπολο μισού κύματος, όταν μετράμε στο σημείο τροφοδοσίας του και κοντά στη συχνότητα συντονισμού του, η επαγωγική συμπεριφορά συνήθως δείχνει ότι είναι ηλεκτρικά μεγάλο για τη συχνότητα που μας ενδιαφέρει και χρειάζεται να το κοντύνουμε λίγο, ενώ η χωρητική ότι είναι ηλεκτρικά κοντό και χρειάζεται να το μακρύνουμε λίγο. Αν το jX είναι κοντά στο μηδέν, βρισκόμαστε κοντά στον συντονισμό στο συγκεκριμένο σημείο μέτρησης.
   
   
7. Κοιτάμε μετά το R. Αν το jX είναι κοντά στο μηδέν, τότε βρισκόμαστε κοντά στον συντονισμό στο συγκεκριμένο σημείο μέτρησης. Αν όμως το R είναι πολύ κάτω ή πολύ πάνω από 50 Ω, η κεραία μπορεί να είναι συντονισμένη, αλλά να μην είναι σωστά προσαρμοσμένη στο σύστημα των 50 Ω. Σε αυτή την περίπτωση δεν ψάχνουμε απλώς αλλαγή στις διαστάσεις της κεραίας, αλλά τρόπο προσαρμογής ή μετασχηματισμού της εμπέδησης, όπως unun, balun, transmatch ή transformer, ώστε το φορτίο να ταιριάζει καλύτερα με τη γραμμή μεταφοράς και τον πομπό.
   
   
8. Κοιτάμε το σχήμα της καμπύλης στο Smith Chart. Αν η καμπύλη είναι ασταθής, περίεργη ή αλλάζει όταν κουνάμε την κάθοδο, ελέγχουμε την εγκατάσταση, τα καλώδια, το balun ή unun, το choke και πιθανό common mode.
   
   
9. Κάνουμε μία αλλαγή κάθε φορά και ξαναμετράμε. Δεν αλλάζουμε ταυτόχρονα μήκος κεραίας, balun ή unun, radials, counterpoise και διαδρομή καλωδίου, γιατί μετά δεν ξέρουμε ποια αλλαγή επηρέασε το αποτέλεσμα.

Πώς φαίνεται μια “καλή” καμπύλη

Δεν υπάρχει μία μοναδική τέλεια καμπύλη για όλες τις κεραίες. Ένα δίπολο, μια κάθετη, μια loop και μια End Fed δεν συμπεριφέρονται ακριβώς το ίδιο. Αυτό που θέλουμε είναι η καμπύλη να έχει λογική, να είναι σταθερή και να συμφωνεί με τον τύπο της κεραίας που μετράμε.

• Η καμπύλη πρέπει να είναι σχετικά ομαλή μέσα στη μπάντα που μετράμε.
• Για μια απλή κεραία, όπως ένα δίπολο μισού κύματος τροφοδοτούμενο στο κέντρο του, η καμπύλη πρέπει να περνάει από χωρητική σε επαγωγική συμπεριφορά καθώς αυξάνεται η συχνότητα.
• Το σημείο όπου το jX μηδενίζεται δείχνει τον ηλεκτρικό συντονισμό.
• Το σημείο όπου το R είναι κοντά στα 50 Ω και το jX κοντά στο μηδέν δείχνει καλή προσαρμογή σε σύστημα 50 Ω.
• Η καμπύλη δεν πρέπει να αλλάζει έντονα όταν ακουμπάμε το καλώδιο ή μετακινούμε ελαφρά το feedline.
• Περίεργες λούπες, απότομες μετακινήσεις και ασταθής ένδειξη δείχνουν ότι κάτι άλλο επηρεάζει τη μέτρηση.

Αν βλέπουμε περίεργη συμπεριφορά, δεν ξεκινάμε αμέσως να κόβουμε την κεραία. Πρώτα ελέγχουμε βύσματα, ομοαξονικά, balun, γείωση, radials και common mode.

Τι βλέπουμε σε αυτό το παράδειγμα

Σε αυτό το παράδειγμα βλέπουμε μια ομαλή και λογική καμπύλη μιας κεραίας για την περιοχή των 40 μέτρων. Η σάρωση ξεκινά από τα 6.600 MHz και σταματά στα 7.600 MHz, ώστε να βλέπουμε όχι μόνο τη συμπεριφορά μέσα στη μπάντα, αλλά και το πώς συνεχίζει η κεραία χαμηλότερα και υψηλότερα από αυτή.

Το πιο σημαντικό σημείο είναι το M1 marker στα 7.100 MHz, δηλαδή στη μέση της μπάντας των 40 μέτρων. Εκεί η κεραία βρίσκεται ακριβώς στο κέντρο του Smith Chart:

Z = 50 + j0 Ω
SWR = 1.0:1

Αυτό σημαίνει ότι, σε αυτή τη συχνότητα, η κεραία είναι ταυτόχρονα συντονισμένη και τέλεια προσαρμοσμένη σε ένα σύστημα 50 Ω. Η άεργη αντίδραση είναι μηδέν, άρα δεν υπάρχει ούτε χωρητική ούτε επαγωγική συμπεριφορά. Ταυτόχρονα, η ωμική αντίσταση είναι 50 Ω, δηλαδή ακριβώς αυτό που θέλει να δει ο πομπός και η γραμμή τροφοδοσίας.

Στο M2 marker στα 7.000 MHz, δηλαδή στην αρχή της μπάντας, η κεραία βρίσκεται κάτω από τον οριζόντιο άξονα. Αυτό δείχνει χωρητική συμπεριφορά, κάτι που είναι αναμενόμενο για δίπολο αφού βρισκόμαστε κάτω από τη συχνότητα συντονισμού και η κεραία είναι ηλεκτρικά κοντή. Η μέτρηση είναι:

Z = 50 − j20.41 Ω
SWR = 1.5:1

Στο M3 marker στα 7.200 MHz, δηλαδή στο πάνω άκρο της μπάντας, η κεραία βρίσκεται πάνω από τον οριζόντιο άξονα. Αυτό δείχνει επαγωγική συμπεριφορά, επίσης αναμενόμενο για ένα δίπολο αφού βρισκόμαστε πάνω από τη συχνότητα συντονισμού και η κεραία είναι ηλεκτρικά μεγάλη. Η μέτρηση είναι:

Z = 50 + j20.41 Ω
SWR = 1.5:1

Αυτό είναι ένα καλό παράδειγμα καμπύλης, γιατί η μετάβαση είναι ομαλή και λογική: καθώς αυξάνεται η συχνότητα, η κεραία περνάει από χωρητική συμπεριφορά, φτάνει στον συντονισμό στο j0, και μετά γίνεται επαγωγική. Δεν βλέπουμε απότομες μετακινήσεις, περίεργες λούπες ή ασταθή συμπεριφορά.

Επίσης, βλέπουμε κάτι πολύ σημαντικό: μέσα στην πραγματική μπάντα των 40 μέτρων, από 7.000 έως 7.200 MHz, η κεραία παραμένει πολύ καλά προσαρμοσμένη. Στο κέντρο έχει SWR 1:1, ενώ στα δύο άκρα της μπάντας παραμένει περίπου στο 1.5:1. Αυτό δείχνει μια κεραία που έχει καλή συμπεριφορά σε όλο το χρήσιμο εύρος της μπάντας.

Η αξία του Smith Chart εδώ είναι ότι δεν μας δείχνει μόνο τρεις μεμονωμένες τιμές SWR. Μας δείχνει ολόκληρη τη συμπεριφορά της κεραίας. Βλέπουμε αν η καμπύλη είναι ομαλή, αν περνάει από το σωστό σημείο, αν η κεραία γίνεται χωρητική κάτω από τον συντονισμό και επαγωγική πάνω από αυτόν, και αν η συμπεριφορά της είναι φυσιολογική για ένα απλό δίπολο.

Με απλά λόγια, αυτή είναι η εικόνα που θέλουμε να βλέπουμε από μια “καλή” καμπύλη: σταθερή, ομαλή, προβλέψιμη και κοντά στο κέντρο του Smith Chart μέσα στη μπάντα που μας ενδιαφέρει.

Πρακτικό παράδειγμα 1: Ρύθμιση διπόλου στα 20 μέτρα

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα δίπολο για τα 20 μέτρα και θέλουμε να το δουλέψουμε κυρίως στο CW, κοντά στους 14.030 MHz. Ρυθμίζουμε το NanoVNA να σαρώσει περίπου από 14.000 MHz μέχρι 14.350 MHz και κοιτάμε το Smith Chart.

Βάζουμε marker στους 14.030 MHz και κοιτάμε δύο πράγματα: πρώτα το jX και μετά το R. Το jX μάς λέει αν το δίπολο είναι ηλεκτρικά κοντό ή μεγάλο για τη συγκεκριμένη συχνότητα. Το R μάς λέει πόσο κοντά είναι η καθαρή αντίσταση της κεραίας στα 50 Ω, δηλαδή το ωμικό μέρος της εμπέδησης. Με απλά λόγια, μας δείχνει πόσο κοντά είναι η κεραία στην προσαρμογή που θέλει ένα σύστημα 50 Ω.

Τι βλέπουμε στο Smith Chart

• Αν ο marker στους 14.030 MHz είναι κάτω από τον οριζόντιο άξονα, το jX είναι αρνητικό. Το δίπολο είναι ηλεκτρικά κοντό σε αυτή τη συχνότητα.
• Αν καθώς ανεβαίνουμε σε συχνότητα η καμπύλη πλησιάζει τον οριζόντιο άξονα και τον τέμνει στους 14.180 MHz, τότε ο ηλεκτρικός συντονισμός βρίσκεται περίπου στους 14.180 MHz.
• Αν εμείς θέλουμε συντονισμό στους 14.030 MHz, η κεραία συντονίζει πολύ ψηλά. Άρα είναι κοντή για τη συχνότητα που μας ενδιαφέρει.

Τι κάνουμε μετά

• Προσθέτουμε λίγο μήκος και στα δύο σκέλη του διπόλου.
• Ξανακάνουμε μέτρηση στο ίδιο span.
• Ελέγχουμε αν το σημείο όπου το jX γίνεται περίπου μηδέν μετακινήθηκε προς τους 14.030 MHz.
• Επαναλαμβάνουμε με μικρές αλλαγές. Δεν κόβουμε ή προσθέτουμε μεγάλα μήκη με τη μία.

Αν συμβαίνει το αντίθετο, δηλαδή στους 14.030 MHz ο marker είναι πάνω από τον οριζόντιο άξονα και το jX είναι θετικό, τότε το δίπολο είναι ηλεκτρικά μεγάλο. Σε αυτή την περίπτωση αφαιρούμε λίγο μήκος και ξαναμετράμε.

Πρακτικό παράδειγμα 2: Κάθετη κεραία 1/4 λ με χαμηλή αντίσταση

Σε μια κάθετη κεραία 1/4 λ με radials, μπορεί να δούμε ότι η καμπύλη περνάει κοντά στον οριζόντιο άξονα αλλά αριστερά από το κέντρο. Για παράδειγμα, ο marker στη συχνότητα που μας ενδιαφέρει μπορεί να δείχνει περίπου 28 + j0 Ω.

Τι σημαίνει αυτό

Το jX είναι κοντά στο μηδέν, άρα η κεραία είναι κοντά σε συντονισμό. Δεν φαίνεται ούτε χωρητική ούτε επαγωγική. Όμως το R είναι 28 Ω, όχι 50 Ω. Γι αυτό το SWR σε σύστημα 50 Ω δεν θα είναι ιδανικό.

Αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η κεραία είναι λάθος κομμένη. Πολλές κάθετες έχουν χαμηλότερη αντίσταση στο σημείο τροφοδοσίας, ανάλογα με το έδαφος, το ύψος, τα radials, την κλίση των radials και τις απώλειες του συστήματος.

Πώς το ξεχωρίζουμε στο Smith Chart

• Αν το σημείο είναι πάνω στον οριζόντιο άξονα αλλά αριστερά από το κέντρο, το πρόβλημα είναι κυρίως προσαρμογή αντίστασης, όχι συντονισμός.
• Αν το σημείο είναι κάτω από τον άξονα, η κάθετη είναι ηλεκτρικά κοντή και χρειάζεται μήκος ή επαγωγική φόρτιση, ανάλογα με την κεραία.
• Αν το σημείο είναι πάνω από τον άξονα, η κάθετη είναι ηλεκτρικά μεγάλη και συνήθως χρειάζεται μικρότερο μήκος ή άλλη ρύθμιση.

Τι κάνουμε μετά

• Αν το jX δεν είναι μηδέν, πρώτα ρυθμίζουμε το μήκος ή το loading ώστε το σημείο να έρθει στον οριζόντιο άξονα στη συχνότητα που θέλουμε.
• Αν το jX είναι μηδέν αλλά το R είναι χαμηλό, δεν συνεχίζουμε να κόβουμε ή να μεγαλώνουμε την κεραία χωρίς λόγο.
• Ελέγχουμε και βελτιώνουμε τα radials, γιατί αλλάζουν και την απόδοση και την αντίσταση τροφοδοσίας.
• Αν η κεραία παραμένει συντονισμένη αλλά με R χαμηλότερο από 50 Ω, χρησιμοποιούμε κατάλληλο matching network στο σημείο τροφοδοσίας.

Πρακτικό παράδειγμα 3: Χαμηλό SWR στο shack, αλλά το Smith Chart δείχνει πρόβλημα

Ας πούμε ότι το SWR στο shack φαίνεται 1,4:1 και θεωρούμε ότι όλα είναι καλά. Όταν όμως ανοίγουμε το Smith Chart στο NanoVNA, η καμπύλη δεν είναι καθαρή. Κάνει περίεργη λούπα, μετακινείται όταν ακουμπάμε το ομοαξονικό ή αλλάζει πολύ όταν μετακινούμε ελαφρά την κάθοδο.

Τι μας λέει αυτό

Μια κανονική κεραία δεν πρέπει να αλλάζει έντονα επειδή αγγίξαμε το ομοαξονικό ή επειδή αλλάξαμε λίγο τη διαδρομή του feedline. Αν η καμπύλη στο Smith Chart αλλάζει έτσι, τότε το ομοαξονικό πιθανότατα συμμετέχει στην κεραία. Δηλαδή δεν λειτουργεί μόνο ως γραμμή μεταφοράς, αλλά ακτινοβολεί ή επηρεάζει τη μέτρηση.

• Περίεργη λούπα στην καμπύλη μπορεί να δείχνει common mode ρεύματα.
• Μετακίνηση της καμπύλης όταν αγγίζουμε το καλώδιο μπορεί να δείχνει ότι η εξωτερική πλευρά του ομοαξονικού ακτινοβολεί ή ότι υπάρχει κακή επαφή σε κάποιο βύσμα, αντάπτορα ή άλλο σημείο σύνδεσης.
• Μεγάλη διαφορά ανάμεσα σε μέτρηση στο shack και μέτρηση στο σημείο τροφοδοσίας δείχνει ότι η γραμμή μεταφοράς μετασχηματίζει έντονα την εμπέδηση.
• Χαμηλό SWR στο shack μπορεί να οφείλεται σε απώλειες του καλωδίου, όχι σε πραγματικά καλή κεραία.

Τι κάνουμε μετά

• Μετράμε όσο πιο κοντά γίνεται στο σημείο τροφοδοσίας της κεραίας.
• Τοποθετούμε 1:1 choke balun στο σημείο τροφοδοσίας, ειδικά σε δίπολα, κάθετες και End Fed εγκαταστάσεις όπου το ομοαξονικό μπορεί να γίνει μέρος του συστήματος. Στις End Fed, η θέση του choke χρειάζεται προσοχή, γιατί η κεραία χρειάζεται counterpoise, το οποίο μπορεί να είναι και ένα τμήμα του ίδιου του ομοαξονικού.
• Ελέγχουμε βύσματα, υγρασία, αντάπτορες, lightning arrestors και διακόπτες κεραιών.
• Επαναλαμβάνουμε τη μέτρηση και συγκρίνουμε την καμπύλη. Αν μετά το choke η καμπύλη γίνει πιο σταθερή και δεν μετακινείται όταν ακουμπάμε το καλώδιο, τότε βρήκαμε σημαντικό μέρος του προβλήματος.

Πρακτικό παράδειγμα 4: End Fed και περίεργη καμπύλη

Μια End Fed, ειδικά αν είναι μισού κύματος (End Fed Half Wave or EFHW), μπορεί να εμφανίσει πολύ υψηλή αντίσταση στο σημείο τροφοδοσίας πριν από το unun. Το unun είναι ένας RF μετασχηματιστής που βοηθά να μετασχηματίσουμε αυτή την πολύ υψηλή εμπέδηση, συχνά στην περιοχή των 2-3 kΩ, σε πιο βολική τιμή για ομοαξονικό 50 Ω. Γι αυτό χρησιμοποιούνται μετασχηματιστές όπως 49:1 ή 64:1, ανάλογα με την περίπτωση.

Το δύσκολο με την End Fed είναι ότι η κεραία, το unun, το counterpoise και πολλές φορές το ίδιο το ομοαξονικό δουλεύουν μαζί ως σύστημα. Γι αυτό το Smith Chart είναι πολύ χρήσιμο. Δεν μας λέει μόνο ότι “το SWR είναι καλό ή κακό”. Μας δείχνει τι είδους καλό ή κακό είναι.

Σενάριο Α: Η καμπύλη περνάει πολύ δεξιά και δεν πλησιάζει το κέντρο

Αν στη μπάντα που μας ενδιαφέρει η καμπύλη κινείται πολύ δεξιά στο Smith Chart, κοιτάμε την τιμή R στον marker. Αν το R είναι πολύ μεγαλύτερο από 50 Ω, έχουμε υψηλή ωμική αντίσταση. Αν ταυτόχρονα το jX δεν μηδενίζεται κοντά στη συχνότητα που θέλουμε, τότε η End Fed δεν παρουσιάζεται σωστά στο σύστημα 50 Ω.

• Αν ο marker είναι πάνω από τον άξονα, η κεραία φαίνεται επαγωγική στη συχνότητα αυτή.
• Αν είναι κάτω από τον άξονα, φαίνεται χωρητική.
• Αν περνάει από τον οριζόντιο άξονα αλλά πολύ δεξιά, μπορεί να είναι συντονισμένη αλλά με πολύ υψηλή αντίσταση.

Σε μια End Fed μισού κύματος αυτό μπορεί να σημαίνει ότι το unun δεν μετασχηματίζει σωστά την εμπέδηση, ότι η συγκεκριμένη εγκατάσταση χρειάζεται διαφορετικό λόγο μετασχηματισμού, για παράδειγμα unun 64:1 αντί για 49:1, ότι το μήκος του σύρματος δεν είναι σωστό για τη μπάντα ή ότι λείπει το κατάλληλο counterpoise.

Μπορούμε επίσης να μετρήσουμε την εμπέδηση του ίδιου του σύρματος πριν συνδεθεί στο unun. Δηλαδή, να χρησιμοποιήσουμε το NanoVNA στην πλευρά της κεραίας, στο σημείο όπου το σύρμα θα συνδεόταν στην υψηλή πλευρά του unun.

Αυτή η μέτρηση δεν είναι πάντα τέλεια, γιατί μια End Fed επηρεάζεται από το counterpoise, το ύψος, το περιβάλλον, τη γωνία του σύρματος και τη συνολική εγκατάσταση. Επιπλέον, σε πολύ υψηλές εμπεδήσεις, η μέτρηση με το NanoVNA μπορεί να έχει περιορισμένη ακρίβεια. Μας δίνει όμως μια χρήσιμη τάξη μεγέθους για την εμπέδηση της κεραίας στη θεμελιώδη συχνότητα και στις αρμονικές της.

Πριν όμως κοιτάξουμε μόνο την τιμή της αντίστασης, κοιτάμε και το jX, δηλαδή την άεργη αντίδραση. Για τη ρύθμιση του μήκους, ξεκινάμε τη σάρωση γύρω από τη θεμελιώδη συχνότητα για την οποία έχει κοπεί η EFHW. Μετακινώντας τον marker, αναζητούμε τη συχνότητα όπου το jX γίνεται περίπου μηδέν και η αντίσταση R είναι υψηλή.

Έτσι εντοπίζουμε τον συντονισμό και τον συγκρίνουμε με τη συχνότητα που θέλουμε να πετύχουμε.

Αν ο συντονισμός βρίσκεται ψηλότερα από την επιθυμητή συχνότητα, το σύρμα είναι συνήθως ηλεκτρικά κοντό και προσθέτουμε λίγο μήκος, ώστε ο συντονισμός να κατέβει.

Αν βρίσκεται χαμηλότερα, το σύρμα είναι συνήθως ηλεκτρικά μεγάλο και το κονταίνουμε λίγο, ώστε ο συντονισμός να ανέβει.

Κάνουμε μικρές αλλαγές και ξαναμετράμε, μέχρι ο συντονισμός να πλησιάσει την επιθυμητή συχνότητα, διατηρώντας το counterpoise και την υπόλοιπη εγκατάσταση αμετάβλητα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η πρώτη διάγνωση είναι θέμα μήκους σύρματος, δηλαδή ο συντονισμός της κεραίας. Κοντά σε αυτόν τον συντονισμό υψηλής εμπέδησης, μια EFHW που είναι λίγο κοντή για τη συχνότητα μέτρησης εμφανίζεται συνήθως επαγωγική (θετικό jX), ενώ μια λίγο μεγάλη εμφανίζεται χωρητική (αρνητικό jX). Εδώ η σχέση είναι αντίστροφη από εκείνη που βλέπουμε σε ένα δίπολο μισού κύματος τροφοδοτούμενο στο κέντρο του ή σε μια κάθετη κεραία λ/4. Και στις δύο περιπτώσεις, η εμπέδηση στο σημείο τροφοδοσίας είναι χαμηλή.

Ρυθμίζουμε λοιπόν το μήκος της κεραίας μέχρι το jX να έρθει όσο πιο κοντά γίνεται στο j0, δηλαδή στον οριζόντιο άξονα του Smith Chart όπου η αντίδραση είναι μηδενική και η κεραία βρίσκεται σε συντονισμό.

Μόνο αφού φέρουμε την κεραία κοντά στον συντονισμό έχει νόημα να κοιτάξουμε σοβαρά την τιμή της αντίστασης και τι σημαίνει αυτή για τον λόγο μετασχηματισμού του unun. Αν η κεραία είναι κοντά στο j0, αλλά η εμπέδηση που βλέπουμε στο Smith Chart είναι πολύ μακριά από αυτό που περιμένουμε, τότε το πρόβλημα μπορεί να μην είναι πλέον το μήκος του σύρματος. Μπορεί να χρειάζεται διαφορετικός λόγος μετασχηματισμού στο unun, καλύτερο counterpoise ή αλλαγή στη διάταξη της κεραίας, όπως διαφορετική θέση, ύψος ή γωνία, ώστε η εμπέδηση να έρθει πιο κοντά σε λογικές τιμές για σωστό μετασχηματισμό στα 50 Ω.

Η βασική ιδέα είναι απλή: ο λόγος μετασχηματισμού του unun μάς λέει περίπου ποια υψηλή εμπέδηση της κεραίας θα μετατραπεί κοντά στα 50 Ω:

Z_antenna ​≈ Z_50Ω ​× λόγος μετασχηματισμού

Άρα, πρακτικά:

50Ω × 49 ≈ 2.450Ω 

50Ω × 64 ≈ 3.200Ω

Με απλά λόγια, ένα unun 49:1 ταιριάζει θεωρητικά καλύτερα όταν η End Fed παρουσιάζει εμπέδηση γύρω στα 2.450 Ω κοντά στον συντονισμό, ενώ ένα unun 64:1 ταιριάζει θεωρητικά καλύτερα όταν η εμπέδηση είναι πιο κοντά στα 3.200 Ω. Υπάρχουν βέβαια και πιο ειδικοί λόγοι μετασχηματισμού, όπως 56:1, 70:1 ή άλλες τιμές, ανάλογα με τον σχεδιασμό του unun και τη συγκεκριμένη εγκατάσταση.

Το Smith Chart μάς βοηθά να δούμε αν η υψηλή εμπέδηση που παρουσιάζει το σύρμα, πριν από το unun, βρίσκεται σε λογική περιοχή για τον λόγο μετασχηματισμού που χρησιμοποιούμε. Με άλλα λόγια, μας βοηθά να εκτιμήσουμε αν μετά τον μετασχηματισμό η εμπέδηση μπορεί να πλησιάσει τα 50 + j0 Ω ή αν ο λόγος του unun δεν ταιριάζει καλά στη συγκεκριμένη εγκατάσταση.

Σενάριο Β: Η καμπύλη αλλάζει όταν αγγίζουμε το ομοαξονικό

Αν η καμπύλη αλλάζει έντονα όταν αγγίζουμε την κάθοδο ή όταν αλλάζει η διαδρομή του ομοαξονικού, τότε το ομοαξονικό συμμετέχει στην κεραία. Αυτό είναι πολύ συνηθισμένο σε End Fed εγκαταστάσεις χωρίς σωστό counterpoise ή choke.

• Η λύση δεν είναι απλώς να κόψουμε το σύρμα.
• Πρώτα προσθέτουμε ή ρυθμίζουμε counterpoise.
• Μετά δοκιμάζουμε 1:1 choke σε κατάλληλη θέση στην κάθοδο.
• Ξαναμετράμε και κοιτάμε αν η καμπύλη έγινε πιο σταθερή.

Σενάριο Γ: Χαμηλό SWR μόνο όταν το ομοαξονικό είναι πολύ μακρύ, έχει συγκεκριμένο μήκος ή ακολουθεί συγκεκριμένη διαδρομή

Αν το SWR εμφανίζεται χαμηλό μόνο όταν το ομοαξονικό είναι πολύ μακρύ, έχει συγκεκριμένο μήκος ή ακολουθεί συγκεκριμένη διαδρομή, αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η κεραία είναι σωστά προσαρμοσμένη.

Το μήκος της γραμμής μεταφοράς μετασχηματίζει την εμπέδηση που βλέπει το όργανο στο shack. Παράλληλα, οι απώλειες ενός μεγάλου μήκους ομοαξονικού εξασθενούν την ανακλώμενη ισχύ και μπορούν να κάνουν το SWR να φαίνεται χαμηλότερο από όσο είναι στην πλευρά του unun.

Στο Smith Chart αυτό φαίνεται ως διαφορετική θέση ή μορφή της καμπύλης, ανάλογα με το σημείο μέτρησης και το μήκος του καλωδίου. Έτσι, στο shack μπορεί να βλέπουμε μια φαινομενικά καλή προσαρμογή κοντά στα 50 Ω, ενώ η μέτρηση απευθείας στην πλευρά χαμηλής εμπέδησης του unun αποκαλύπτει το πραγματικό mismatch.

Με άλλα λόγια, το ομοαξονικό δεν διορθώνει την κεραία. Απλώς μετασχηματίζει ή κρύβει το πρόβλημα.

Τι κάνουμε μετά

• Καταγράφουμε το SWR, το R + jX και την καμπύλη στο Smith Chart από το shack, με ολόκληρη την κάθοδο στη θέση της.
• Επαναλαμβάνουμε την ίδια μέτρηση απευθείας στο feedpoint του unun, δηλαδή στο σημείο όπου συνδέεται το ομοαξονικό.
• Συγκρίνουμε τις δύο καμπύλες για να διαπιστώσουμε αν το ομοαξονικό μετασχηματίζει ή κρύβει το πραγματικό mismatch.
• Αν η κεραία δεν είναι σωστά προσαρμοσμένη στο feedpoint, ρυθμίζουμε το μήκος και τη θέση του σύρματος, το counterpoise, τη συνολική εγκατάσταση και, αν χρειάζεται, τον λόγο μετασχηματισμού του UnUn.
• Αν η καμπύλη αλλάζει όταν αγγίζουμε την κάθοδο, αντιμετωπίζουμε το common mode με κατάλληλο counterpoise και choke.
• Ολοκληρώνουμε τη ρύθμιση μόνο όταν η μέτρηση στο feedpoint του unun παρουσιάζει ικανοποιητική εμπέδηση και χαμηλό SWR.

Ο ρόλος του ομοαξονικού καλωδίου

Το ομοαξονικό καλώδιο δεν είναι ένα απλό “σύρμα” που μεταφέρει RF από το shack στην κεραία. Είναι γραμμή μεταφοράς. Γραμμή μεταφοράς σημαίνει καλώδιο ή σύστημα αγωγών που μεταφέρει RF ενέργεια και ταυτόχρονα επηρεάζεται από το μήκος, τη συχνότητα και τη φάση του σήματος.

Η γραμμή έχει χαρακτηριστική εμπέδηση, συνήθως 50 Ω σε συστήματα εκπομπής. Η χαρακτηριστική εμπέδηση δεν είναι η αντίσταση που μετράμε με ένα πολύμετρο. Είναι ο τρόπος με τον οποίο το καλώδιο συμπεριφέρεται όταν μεταφέρει Η/Μ κύμα σε συχνότητες RF.

Εδώ υπάρχει μια παγίδα που μπερδεύει πολλούς ραδιοερασιτέχνες. Το μήκος του ομοαξονικού μπορεί να αλλάξει την εμπέδηση που βλέπουμε στο shack. Μπορεί δηλαδή να κάνει την κεραία να φαίνεται διαφορετική στο NanoVNA ή στο SWR meter. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι διόρθωσε την κεραία.

Σε μια ιδανική γραμμή χωρίς απώλειες, το SWR παραμένει ίδιο σε όλο το μήκος της γραμμής. Αυτό που αλλάζει είναι η εμπέδηση που βλέπουμε σε κάθε σημείο της γραμμής. Αυτό συμβαίνει επειδή αλλάζει η φάση, δηλαδή το “πού βρίσκεται” το RF κύμα μέσα στον κύκλο του καθώς ταξιδεύει στο καλώδιο. Στο Smith Chart αυτό φαίνεται σαν περιστροφή γύρω από το κέντρο.

Στην πράξη, τα πραγματικά καλώδια έχουν απώλειες. Αυτές οι απώλειες μπορούν να κάνουν το SWR στο shack να φαίνεται καλύτερο από ό,τι είναι πραγματικά στην κεραία, επειδή εξασθενούν και το ανακλώμενο κύμα. Το ανακλώμενο κύμα είναι το μέρος της ισχύος που δεν «απορροφήθηκε» σωστά από την κεραία και ταξιδεύει πίσω προς τον πομπό.

Γιατί η κεραία δεν «συντονίζεται» επειδή αλλάξαμε κάθοδο;

Συχνά ακούμε ότι μια κεραία «έστρωσε» επειδή αλλάξαμε το μήκος ή τον τύπο της καθόδου. Αυτή η διαπίστωση χρειάζεται μεγάλη προσοχή.

Αλλάζοντας το μήκος ή τον τύπο του ομοαξονικού, μπορεί να αλλάξει η ένδειξη που βλέπουμε στο shack. Το SWR meter μπορεί να δείξει καλύτερη τιμή. Το σημείο ή η καμπύλη στο Smith Chart μπορεί επίσης να μετακινηθεί σε πιο βολική θέση. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι η κεραία συντονίστηκε σωστά ή ότι άρχισε να ακτινοβολεί καλύτερα. Επίσης, δεν σημαίνει ότι εξαφανίστηκε το mismatch στο σημείο τροφοδοσίας.

Με τον όρο mismatch εννοούμε ότι η εμπέδηση της κεραίας δεν προσαρμόζεται σωστά στο σύστημα των 50 Ω. Με την αλλαγή της καθόδου αλλάζει ουσιαστικά το σημείο από το οποίο «κοιτάμε» την κεραία μέσω της γραμμής μεταφοράς. Το πραγματικό πρόβλημα μπορεί να παραμένει στο feedpoint, αλλά να εμφανίζεται διαφορετικά στο shack.

Η σωστή προσέγγιση είναι να ρυθμίζουμε πρώτα την κεραία όσο καλύτερα γίνεται στο σημείο τροφοδοσίας. Στη συνέχεια εξετάζουμε τη συμπεριφορά ολόκληρου του συστήματος από το shack.

Πρέπει επίσης να γνωρίζουμε ότι ένα κοντύτερο ομοαξονικό ή ένα ομοαξονικό με χαμηλότερες απώλειες αποκαλύπτει με μεγαλύτερη ακρίβεια τι συμβαίνει στην κεραία. Για αυτό δεν πρέπει να μας φανεί περίεργο αν το SWR στο shack αυξηθεί μετά τη μείωση του μήκους της καθόδου ή την αντικατάσταση ενός RG-58 ή RG-213 με ένα καλώδιο χαμηλότερων απωλειών, όπως κάποιο LMR, Aircell ή αντίστοιχο καλώδιο της Messi & Paoloni.

Το προηγούμενο καλώδιο, είτε επειδή ήταν μακρύτερο είτε επειδή είχε μεγαλύτερες απώλειες, εξασθενούσε περισσότερο το ανακλώμενο κύμα. Έτσι, το SWR στο shack μπορούσε να φαίνεται καλύτερο από ό,τι ήταν πραγματικά στο feedpoint της κεραίας. Αντίθετα, ένα κοντύτερο καλώδιο ή ένα καλώδιο με χαμηλότερες απώλειες δεν δημιουργεί το mismatch. Απλώς μεταφέρει τη μέτρηση με μικρότερη εξασθένηση και αποκαλύπτει πιο καθαρά την πραγματική προσαρμογή της κεραίας.

Επομένως, αν μετά την τοποθέτηση κοντύτερου ή/και καλύτερου ομοαξονικού το SWR στο shack εμφανιστεί υψηλότερο, δεν θεωρούμε αυτόματα ότι ευθύνεται το νέο καλώδιο. Ελέγχουμε ξανά την κεραία στο σημείο τροφοδοσίας (feedpoint), και, αν διαπιστώσουμε mismatch, προχωρούμε στις απαραίτητες διορθώσεις στην ίδια την κεραία, ώστε να συντονίζει σωστά στις μπάντες που μας ενδιαφέρουν και να παρουσιάζει καλή προσαρμογή στα 50 Ω.

Τι κάνει πραγματικά το antenna tuner

Το antenna tuner δεν αλλάζει την κεραία. Δεν τη μικραίνει, δεν τη μεγαλώνει και δεν τη φέρνει φυσικά σε συντονισμό. Αυτό που κάνει είναι να μετασχηματίζει την εμπέδηση που βλέπει ο πομπός, ώστε ο πομπός να δουλεύει σε ένα πιο ασφαλές και βολικό φορτίο, συνήθως κοντά στα 50 Ω.

Στο Smith Chart, ένα tuner ουσιαστικά προσπαθεί να μετακινήσει το σημείο λειτουργίας προς το κέντρο. Αν η κεραία φαίνεται επαγωγική, το tuner προσθέτει κατάλληλη χωρητική αντίδραση ή συνδυασμό στοιχείων. Αν η κεραία φαίνεται χωρητική, προσθέτει κατάλληλη επαγωγική αντίδραση ή συνδυασμό στοιχείων. Αν η ωμική αντίσταση δεν είναι 50 Ω, τη μετασχηματίζει προς τα εκεί.

Δεν χρειάζεται να ξέρουμε την εσωτερική τοπολογία του tuner για να κρατήσουμε την ουσία: το tuner δεν φτιάχνει την κεραία, φτιάχνει αυτό που βλέπει ο πομπός.

Πρακτικά, το tuner προστατεύει τον πομπό και επιτρέπει τη λειτουργία σε μεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων. Δεν σημαίνει όμως ότι η κεραία έγινε αποδοτική. Αν το mismatch είναι μεγάλο και το tuner βρίσκεται στο shack, οι μεγάλες τάσεις, τα μεγάλα ρεύματα και οι απώλειες μπορεί να υπάρχουν ακόμη στη γραμμή.

Γι αυτό, όταν είναι δυνατόν, η καλύτερη προσαρμογή γίνεται κοντά στην κεραία. Έτσι μειώνονται οι απώλειες στη γραμμή και το σύστημα δουλεύει πιο σωστά.

Συχνά λάθη στην ανάγνωση του Smith Chart

Λάθος 1: Κοιτάμε μόνο το SWR

Το SWR (λόγος στασίμων κυμάτων) είναι χρήσιμο, αλλά δεν λέει όλη την ιστορία. Μας δείχνει πόσο έντονη είναι η όποια ασυμφωνία προσαρμογής (mismatch), όχι την αιτία της. Δύο διαφορετικές εμπεδήσεις μπορούν να δώσουν παρόμοιο SWR, αλλά να χρειάζονται εντελώς διαφορετική αντιμετώπιση. Το Smith Chart μάς δείχνει την καμπύλη της εμπέδησης μέσα στο sweep, μαζί με τις τιμές R και jX, και μας βοηθά να δούμε πώς αλλάζει η προσαρμογή σε όλο το εύρος συχνοτήτων που μετράμε. Βλέποντας το σχήμα και την πορεία αυτής της καμπύλης, καταλαβαίνουμε πιο καθαρά πώς συμπεριφέρεται η κεραία ή το φορτίο.

Λάθος 2: Θεωρούμε ότι το χαμηλό SWR σημαίνει αποδοτική κεραία

Μια κεραία μπορεί να έχει χαμηλό SWR και παρ’ όλα αυτά να έχει μεγάλες απώλειες, κακό έδαφος / γείωση, ανεπαρκές counterpoise (το γνωστό «αντίβαρο»), απώλειες στη γραμμή ή άλλα προβλήματα στο σύστημα. Άλλωστε, για παράδειγμα, ένα dummy load δεν ακτινοβολεί καθόλου και μετατρέπει σχεδόν όλη την ισχύ σε θερμότητα, αλλά παρουσιάζει τέλειο SWR. Το χαμηλό SWR σημαίνει κυρίως ότι ο πομπός βλέπει σχετικά βολικό φορτίο. Δεν σημαίνει αυτόματα ότι η κεραία ακτινοβολεί καλά, ότι το σύστημα είναι αποδοτικό ή ότι η ισχύς πηγαίνει εκεί που θέλουμε.

Λάθος 3: Θεωρούμε ότι 50 Ω σημαίνει πάντα συντονισμό

Αν βλέπουμε 50 Ω αλλά υπάρχει σημαντικό jX, τότε δεν είμαστε σε καθαρό συντονισμό. Για να μιλήσουμε για συντονισμό, πρέπει να κοιτάμε και το jX. Μπορεί ο πομπός να βλέπει σχετικά προσαρμοσμένο φορτίο, αλλά το σύστημα που μετράμε εξακολουθεί να είναι χωρητικό ή επαγωγικό, δηλαδή παρουσιάζει άεργη αντίδραση, ακόμα κι αν το R είναι κοντά στα 50 Ω. Για να πετύχουμε καθαρό συντονισμό, το jX πρέπει να είναι κοντά στο μηδέν.

Λάθος 4: Θεωρούμε ότι υψηλό SWR σημαίνει πάντα μη συντονισμένη κεραία

Το υψηλό SWR δεν σημαίνει πάντα ότι η κεραία είναι εκτός συντονισμού. Αν, για παράδειγμα, βλέπουμε Z = 200 + j0 Ω, το jX είναι μηδέν, άρα η κεραία που μετράμε είναι συντονισμένη (resonant). Το πρόβλημα είναι ότι το R είναι 200 Ω, δηλαδή απέχει πολύ από τα 50 Ω, οπότε δεν υπάρχει σωστή προσαρμογή στο σύστημα των 50 Ω. Σε αυτή την περίπτωση χρειαζόμαστε μετασχηματισμό εμπέδησης, για παράδειγμα με ένα κατάλληλο 4:1 balun, unun ή άλλο matching network, και όχι απαραίτητα επέμβαση στην ίδια την κεραία ή αλλαγή στις διαστάσεις της.

Λάθος 5: Μετράμε από το shack και νομίζουμε ότι βλέπουμε μόνο την κεραία

Αν ανάμεσα στο NanoVNA και την κεραία υπάρχουν πολλά μέτρα ομοαξονικού, βύσματα, διακόπτες, αντικεραυνικά προστασίας (lightning arrestors) ή άλλα εξαρτήματα, η μέτρηση περιλαμβάνει όλα αυτά. Από το shack βλέπουμε τη συμπεριφορά που παρουσιάζει ολόκληρο το σύστημα, όχι απαραίτητα μόνο την κεραία. Αυτό δεν είναι πάντα λάθος, γιατί μας δείχνει τι βλέπει ο πομπός, αλλά πρέπει να ξέρουμε τι ακριβώς μετράμε. Για να καταλάβουμε αν η ίδια η κεραία συμπεριφέρεται σωστά, πρέπει να κάνουμε μέτρηση στο σημείο τροφοδοσίας της (feedpoint) και όχι μόνο από το shack. Έτσι μπορούμε να ξεχωρίσουμε αν το πρόβλημα βρίσκεται στην κεραία ή σε κάποιο άλλο εξάρτημα της αλυσίδας σήματος ανάμεσα στο shack και την κεραία.

Λάθος 6: Κόβουμε την κεραία πριν καταλάβουμε το σχήμα της καμπύλης

Αν η καμπύλη είναι παράξενη, κάνει περίεργες λούπες, είναι ασταθής ή αλλάζει όταν ακουμπάμε ή μετακινούμε την κάθοδο, το πρόβλημα μπορεί να μην είναι το μήκος της κεραίας. Μπορεί να υπάρχει common mode, κακή σύνδεση, κακή γείωση, πρόβλημα στο balun, στη γραμμή μεταφοράς ή σε κάποιο άλλο σημείο της εγκατάστασης. Δεν ξεκινάμε τροποποιώντας την κεραία. Πρώτα προσπαθούμε να απομονώσουμε το πρόβλημα.

Εδώ βρίσκεται και η μεγάλη αξία του Smith Chart. Δεν βλέπουμε απλώς μια καμπύλη SWR ή μια μεμονωμένη τιμή εμπέδησης. Βλέπουμε την ηλεκτρική συμπεριφορά της κεραίας ή του φορτίου μέσα στο εύρος συχνοτήτων που μετράμε. Έτσι μπορούμε να καταλάβουμε τι χρειάζεται διόρθωση ή βελτίωση, αντί να κάνουμε τυφλές δοκιμές με τη μέθοδο δοκιμής και σφάλματος (trial and error) και να κόβουμε ή να αλλάζουμε την κεραία χωρίς να ξέρουμε αν αυτό είναι πράγματι το πρόβλημα. Ένα λάθος στην ίδια την κεραία, ειδικά αν την έχουμε κόψει, μπορεί να είναι δύσκολο να διορθωθεί.

Ανακεφαλαίωση σε βίντεο: Από το σημείο τροφοδοσίας της κεραίας μέχρι το shack

Στα παραδείγματα αυτού του οδηγού εξετάσαμε κάθε φορά ένα διαφορετικό κομμάτι της εγκατάστασής μας. Το βίντεο που ακολουθεί, Antenna Matching Explained: Resistance, Reactance, and SWR, κλείνει το πρακτικό μέρος του οδηγού συνδέοντας σχεδόν όλα όσα μάθαμε. Ξεκινάμε από τα R και jX στο σημείο τροφοδοσίας. Βλέπουμε ποιο μέρος της ισχύος ακτινοβολείται και ποιο χάνεται ως θερμότητα, καθώς και πώς η άεργη αντίδραση ενός διπόλου περνά από το μηδέν όταν αλλάζουμε το μήκος του και το φέρνουμε σε συντονισμό.

Στη συνέχεια βλέπουμε πάνω στο Smith Chart τι σημαίνει στην πράξη η σχέση του συντελεστή ανάκλασης Γ με το SWR. Όταν αλλάζουμε το μήκος ενός ομοαξονικού χωρίς απώλειες, ο marker κινείται πάνω σε κύκλο σταθερού SWR. Όταν υπάρχουν απώλειες στην κάθοδο, ο marker πλησιάζει το κέντρο και το SWR στο shack φαίνεται καλύτερο, παρόλο που η κεραία παραμένει η ίδια. Τέλος, βλέπουμε πώς ένα κύκλωμα προσαρμογής φέρνει το σημείο στο κέντρο του διαγράμματος και γιατί έχει σημασία αν η προσαρμογή γίνεται στο shack ή στο σημείο τροφοδοσίας.

Μικρό λεξικό για να μην μπερδευόμαστε

Εμπέδηση ή σύνθετη αντίσταση: Η συνολική “αντίσταση” που παρουσιάζει ένα RF φορτίο και αποτελείται από το R και το jX. Στα αγγλικά είναι το impedance.

R: Το πραγματικό ή ωμικό μέρος της εμπέδησης. Είναι το μέρος που μοιάζει με την απλή ωμική αντίσταση. Σχετίζεται με την ισχύ που ακτινοβολείται ή χάνεται ως θερμότητα.

X: Η άεργη αντίδραση. Είναι το μέρος που δείχνει αν η κεραία συμπεριφέρεται σαν πηνίο ή σαν πυκνωτής. Αν είναι θετική, η συμπεριφορά είναι επαγωγική. Αν είναι αρνητική, η συμπεριφορά είναι χωρητική.

jX: Ο τρόπος με τον οποίο γράφουμε την άεργη αντίδραση στους RF υπολογισμούς. Δεν χρειάζεται να κάνουμε πράξεις με το NanoVNA. Μας ενδιαφέρει κυρίως αν η τιμή είναι θετική, αρνητική ή κοντά στο μηδέν.

Μιγαδικός αριθμός: Αριθμός με δύο μέρη. Στο άρθρο τον συναντάμε ως R + jX. Το R είναι η ωμική πλευρά της αντίστασης και το jX δείχνει τη συμπεριφορά πηνίου ή πυκνωτή. Δεν χρειάζεται να ξέρουμε μιγαδική άλγεβρα για να χρησιμοποιήσουμε το Smith Chart.

Κανονικοποίηση: Η σύγκριση μιας τιμής εμπέδησης με την τιμή αναφοράς του συστήματος, συνήθως 50 Ω. Έτσι το NanoVNA μπορεί να εμφανίσει διαφορετικές τιμές πάνω στο ίδιο Smith Chart.

Φάση: Το χρονικό ή ηλεκτρικό “σημείο” στο οποίο βρίσκεται ένα RF κύμα καθώς ταξιδεύει. Όταν η κεραία δεν είναι σωστά προσαρμοσμένη, το μήκος του ομοαξονικού μπορεί να αλλάξει την εμπέδηση που βλέπουμε στο shack, γιατί επηρεάζει τη διαφορά φάσης ανάμεσα στο κύμα που πηγαίνει προς την κεραία και σε αυτό που επιστρέφει.

Μέτρο: Όταν μιλάμε για το μέτρο του Γ, εννοούμε πόσο μεγάλη είναι η ανάκλαση, ανεξάρτητα από τη φάση της. Στο Smith Chart σχετίζεται με την απόσταση του σημείου από το κέντρο.

RF φορτίο: Οτιδήποτε συνδέεται στην έξοδο του πομπού ή στο άκρο μιας γραμμής μεταφοράς και “δέχεται” το σήμα. Μπορεί να είναι κεραία, dummy load, tuner ή κύκλωμα προσαρμογής.

Συντονισμός: Το σημείο όπου η άεργη αντίδραση είναι κοντά στο μηδέν. Εκεί η κεραία δεν φαίνεται ούτε χωρητική ούτε επαγωγική. Δεν σημαίνει πάντα ότι η αντίσταση είναι ακριβώς 50 Ω.

Προσαρμογή στα 50 Ω: Η κατάσταση όπου το φορτίο που βλέπει ο πομπός είναι κοντά στο 50 + j0 Ω. Είναι το σημείο που κάνει χαρούμενο τον πομπό, αλλά δεν αποδεικνύει μόνο του ότι η κεραία είναι αποδοτική.

SWR: Ένδειξη του πόσο καλά ταιριάζει το φορτίο με τη γραμμή. Χρήσιμη ένδειξη, αλλά όχι πλήρης διάγνωση. Χαμηλό SWR δεν σημαίνει πάντα καλή ή αποδοτική κεραία.

Γ: Ο συντελεστής ανάκλασης. Περιγράφει πόσο σήμα επιστρέφει λόγω ασυμφωνίας προσαρμογής (mismatch). Στην πράξη, το NanoVNA τον χρησιμοποιεί για να φτιάξει το Smith Chart, αλλά εμείς κυρίως βλέπουμε το αποτέλεσμα ως απόσταση από το κέντρο.

Χαρακτηριστική εμπέδηση: Η εμπέδηση για την οποία έχει σχεδιαστεί μια γραμμή μεταφοράς RF. Στα περισσότερα ραδιοερασιτεχνικά συστήματα είναι 50 Ω. Δεν είναι κάτι που μετριέται απλά με πολύμετρο στα άκρα του καλωδίου.

Common mode: Ρεύμα που κυκλοφορεί στην εξωτερική πλευρά του ομοαξονικού. Μπορεί να κάνει το καλώδιο να ακτινοβολεί, να επηρεάζει τη μέτρηση ή να φέρνει RF μέσα στο shack.

Choke balun 1:1: Εξάρτημα που βοηθά στον περιορισμό common mode ρευμάτων στο ομοαξονικό. Δεν αλλάζει την εμπέδηση όπως ένας μετασχηματιστής 49:1. Κυρίως “φρενάρει” το ανεπιθύμητο ρεύμα στην εξωτερική πλευρά του καλωδίου.

Current balun 4:1: Μετασχηματιστής που μπορεί να μετατρέψει, πρακτικά, ένα ισορροπημένο φορτίο περίπου 200 Ω σε περίπου 50 Ω, ώστε το φορτίο να ταιριάζει με μια μη ισορροπημένη γραμμή μεταφοράς, όπως το ομοαξονικό καλώδιο. Είναι χρήσιμος όταν η κεραία είναι συντονισμένη αλλά η σύνθετη αντίστασή της δεν ταιριάζει με σύστημα 50 Ω.

Unun: Μετασχηματιστής RF για μη ισορροπημένα συστήματα, όπως ομοαξονικό προς End Fed. Συχνά χρησιμοποιείται σε λόγους 49:1 ή 64:1 για να φέρει μια πολύ υψηλή εμπέδηση πιο κοντά στα 50 Ω.

Radials: Σύρματα που λειτουργούν ως σύστημα επιστροφής ή γείωσης σε πολλές κάθετες κεραίες. Επηρεάζουν έντονα την απόδοση, την αντίσταση τροφοδοσίας και τη σταθερότητα της μέτρησης.

Feedline, transmission line, γραμμή μεταφοράς, ή κάθοδος: Η γραμμή που συνδέει τον πομπό ή το NanoVNA με την κεραία. Συνήθως είναι ομοαξονικό καλώδιο 50 Ω.

Matching ή προσαρμογή: Η διαδικασία με την οποία προσπαθούμε να κάνουμε την εμπέδηση της κεραίας να ταιριάζει καλύτερα με τα 50 Ω του συστήματος μας.

Τι να κρατήσουμε

Το Smith Chart δεν χρειάζεται να το φοβόμαστε. Δεν είναι απλώς ένα θεωρητικό διάγραμμα. Είναι ένας πρακτικός χάρτης της κεραίας μας.

Το κέντρο δείχνει καλή προσαρμογή. Το πάνω μέρος δείχνει επαγωγική συμπεριφορά. Το κάτω μέρος δείχνει χωρητική συμπεριφορά. Στον κεντρικό οριζόντιο άξονα, αριστερά από το κέντρο η ωμική αντίσταση είναι χαμηλότερη από 50 Ω και δεξιά υψηλότερη. Η απόσταση από το κέντρο δείχνει πόσο έντονη είναι η ανάκλαση.

Το πιο σημαντικό όμως είναι αυτό: ο συντονισμός φαίνεται κυρίως από το jX που πλησιάζει το μηδέν. Η τέλεια προσαρμογή στα 50 Ω φαίνεται όταν και το R είναι περίπου 50 Ω και το jX περίπου μηδέν. Αυτά τα δύο πολλές φορές συμπίπτουν, αλλά όχι πάντα.

Αν μάθουμε να διαβάζουμε αυτά τα λίγα σημεία, το NanoVNA παύει να είναι απλώς ένα όργανο που δείχνει SWR. Γίνεται εργαλείο διάγνωσης. Μας δείχνει αν πρέπει να προσθέσουμε μήκος, να αφαιρέσουμε μήκος, να ελέγξουμε common mode, να βελτιώσουμε radials, να κοιτάξουμε το ομοαξονικό, να χρησιμοποιήσουμε σωστή προσαρμογή ή ακόμη και να μην πειράξουμε την κεραία καθόλου.

Την επόμενη φορά που θα συνδέσετε το NanoVNA σας, παρατηρήστε για λίγο το Smith Chart πριν περάσετε στην ένδειξη του SWR. Χωρίς να χρειαστείτε ούτε έναν μαθηματικό τύπο, μπορείτε να διαβάσετε την καμπύλη, να καταλάβετε τι σας λέει η κεραία σας και να αποφασίσετε αν χρειάζεται κάποια ρύθμιση και, αν ναι, ποια.

Κι αυτή είναι η πραγματική αξία του Smith Chart για τον Ραδιοερασιτέχνη: όχι να κάνουμε δύσκολους υπολογισμούς, αλλά να καταλαβαίνουμε τι μας λέει η κεραία μας.

Μόλις μάθουμε να το διαβάζουμε, παύει να μοιάζει με «μαύρη μαγεία» και γίνεται αυτό που εξαρχής προοριζόταν να είναι: ένας πρακτικός χάρτης που μας δείχνει πώς συμπεριφέρεται το κεραιοσύστημά μας, πού βρίσκεται το πρόβλημα και τι χρειάζεται να κάνουμε στη συνέχεια.