TLdetails e Sim Smith a confronto

[Franco Balestrazzi]

Facciamo una ipotesi :
- Carico da 50 OHM
- Generatore da 100W con impedenza interna 50OHM
- Frequenza 7MHz (ad esempio)
- Coefficente di riflessione RHO
- Potenza consegnata al carico (delivered) Pd
- Potenza incidente Pi generata dal generatore
- Pr Potenza riflessa a causa del disadattamento del carico
- Formula che lega Pd, Pi, e RHO e' : Pd/Pi = 1- RHO^2 

Adesso vediamo con Sim SMITH che succede nella prima immagine. Come si puo' vedere I 100W sono tutti trasferiti al carico e non riflessi in quanto il Coefficente di riflrssione RHO=0 e pertanto dalla formula Pd/Pi=1 e cioe' la potenza incidente che consegno viene utilizzata completamente.

Vediamo adesso cosa succede con un carico pari a 100 OHm nella seconda immagine. In questo caso abbiamo SWR=2 in quanto abbiamo un carico da 100 OHM, Il coefficente di riflessione diventa RHO=0.333 e la potenza utilizzata dal carico diventa 88.9W perche abbiamo un disadattamento che comporta una potenza riflessa. Infatti (1-RHO^2)=(1-0.333^2)=0.889 e pertanto pla Pd=Pi*0.889=88,9W come risulta sul carico.

Adesso inseriamo una linea IDEALE ci cavo coassiale di lunghezza 10metri, ad esempio, e cioe' con i parametri K0,K1,K2=0 e fattore di velocita'=0.66. Tutti gli altri parametri rimangono i medesimi. L'immagine di riferimento e' la terza. Come si puo' vedere il coefficente di riflessione rimane 0.333 e la potenza consegnata al carico rimane 88,9. Esattamente come prima in quanto il disadattamento rimane SWR=2.

Ora, usiamo il programma TLDetails con la stessa linea coassiale e gli stessi parametri vediamo nella quarta immagine che succede. Come si puo' vedere anche lui vede lo stesso SWR=2 ma, la potenza al carico risulta 100W. Tutte le perdite ed attenuazioni sono a zero e pertanto partendo da un generatore che eroga 100W la potenza disponibile al carico e' 100W. Non tiene conto del disadattamento prodotto dall'SWR=2 che riflette la potenza Pr=100-88.9=11.1W.
Se con TLDetails si abilita la visualizzazione del RHO (cliccando in basso a sinistra al posto dell'SWR) si vede che e' 0.333 e cioe' quanto indicato da Sim Smith.
Probabilmente per "POWER at LOAD" viene intesa la potenza che arriva al carico comprensiva della potenza riflessa  mentre quella di cui puo' disporre il carico e' minore data dalla differenza con la potenza rilessa.

Queste sono considerazioni personali, se qualcuno mi puo' correggere, ad esempio Davide,  ne sarei contento. Ho preferito scrivere sul forum in modo che sia fruibile a tutti questa discussione, anche se dovessi sbagliare.
73' Franco

[IK2NJV-Franco]

Buongiorno a tutti,
si anche io avevo notato qualcosa di strano in TLD, credo che la tu conclusione sia corretta, esso indica la potenza spedita al carico, ma ai fini pratici bisogna ancora tenere conto del SWR at Load per sapere effettivamente la potenza dissipata dal carico.
Infatti usando il tuo esempio e inserendo un cavo cortissimo, il programma indica sempre una potenza al carico maggiore del 99%, il che, come tu hai indicato non è la potenza dissipata dal carico considerato che SWR=2.
Se sto sbagliando anche io qualcosa, ditemelo.
Ciao
73 de IK2njv

[davj2500]

Ciao a tutti.

Quello che calcola TLDetails è corretto.
La potenza che viene effettivamente consegnata al carico è tutta quella che la linea di trasmissione ha ricevuto in ingresso tranne quella dissipata in calore.
Se voi usate una linea ideale senza resistenza dissipativa, la potenza che arriva al carico è sempre il 100% indipendentemente dal disadattamento.

Quello che sta confondendo le acque è il fatto che il disadattamento della linea si ripercuote sul generatore che potrebbe non essere in grado di produrre il 100% della potenza.
Ma la linea di trasmissione non sa che generatore ci sia, né gliene frega niente: lei prende la potenza che gli viene data e la consegna di là. Se il generatore gliene ha data poca perché è disadattato e ha fatto fatica, è un problema del generatore. Quando si parla di potenza trasferita si intende la potenza che effettivamente è entrata nella linea. Se nella linea è entrato 1W perché avevamo un trasmettitore da 1W o perché ne avevamo uno da 100W ma che essendo disadattato è riuscito a produrne solo 1, per la linea non cambia niente: riceve 1W e trasmette 1W tranne quello che dissipa.

Guardate questo esempio. Linea a 75 ohm ideale lunga 1/4 d'onda collegata a carico da R=112.5 X=0 e generatore con R=50 X=0.



La linea è disadattata verso il suo carico da 112.5: infatti la linea a 75 ohm ha ROS 1.5. Però la trasformazione di impedenza che comportano le stazionarie ha l'effetto di produrre sull'altro lato R=50 X=0, che la rende perfettamente adattata al generatore, che è in grado di generare il 100% della potenza.
In questo sistema abbiamo ROS 1.5, quindi abbiamo stazionarie, ma abbiamo il 100% di capacità di produrre e trasferire potenza.

Ciaoo
Davide

[IK2NJV-Franco]

Grazie Davide per la spiegazione come sempre molto chiara e precisa.
Comunque a mio parere, il programma è fuorviante, perché non tenendo conto del generatore,  molti possono cadere nell'errore, soprattutto perché chi usa questo programma, lo usa proprio perché non è molto pratico con la Carta di Smith.
E' sicuramente nato per tener conto solo delle perdite dovute ai disadattamenti della linea, poi per le perdite aggiuntive, dovute al generatore che si trova un carico non adattato, ci si deve arrangiare facendo conti a parte.
Grazie ancora, sono sicuro che il dubbio sollevato da IK4MDZ e la tua spiegazione sia utile a tutti coloro che vogliono approfondire l'argomento.
Franco, ik2njv

[davj2500]

Comunque a mio parere, il programma è fuorviante, perché non tenendo conto del generatore,  molti possono cadere nell'errore, soprattutto perché chi usa questo programma, lo usa proprio perché non è molto pratico con la Carta di Smith.

Ciao Franco.

In realtà, a leggere su forum e facebook, i radioamatori fuorviati da questa cosa sono ben pochi. Infatti non so quanti trasmettano tranquillamente con ROS alti. Di solito appena il ROS alla radio sale sopra la soglia di sicurezza, si inserisce l'accordatore: a quel punto il disadattamento non c'è più e la potenza viene trasferita in toto alla linea a parte quella dissipata dall'accordatore.

La cosa che invece è fuorviante per molti è un'altra che invece capirebbero se usassero TLDetails. Prendono il dipolo dei 40m, lo accordano in 20m e non li sente nessuno. Arrivano alla conclusione che "il dipolo non risonante" non rende dando la colpa all'antenna. Oppure danno la colpa all'accordatore che si è mangiato tutta la potenza.
Con un colpo di TLDetails vedrebbero che un dipolo dei 40 sono due quarti d'onda in 40m ma sono due mezz'onda in 20m. La sua impedenza è altissima, per cui il disadattamento con la linea a 50 ohm è enorme. In quelle condizioni estreme di disadattamento, una linea che di suo perderebbe 0.8dB, perde invece 10dB, per cui te credo che non ti sente nessuno, ma raramente vedo qualcuno considerare questo fatto.

Ciaoo
Davide

[Franco Balestrazzi]

Grazie Davide,
ma io ti rispondo con un altro esempio.
Fisso il generatore ad una tensione di uscita=100V fissi.
Solito carico da 100OHm cosi' rimaniamo nel reale e vediamo che succede in figura



Come si vede la tensione sul carico e' di 70.7107V e la corrente e' 0.707A.
La potenza erogata al carico risulta 50W in quanto V^2/R=70.7107^2/100=50W
Se adesso inserisco il solito tronco di linea con perdite 0 e lungo 10 metri che succede ?



Succede che la potenza erogata al carico diventa 194W il tutto con un cavo che non avendo perdite e' come non ci fosse. Ma non e' cosi perche' le attenuazioni non ci sono, il fattore di velocita' e' considerato 1, ma esiste sempre l'influenza dei vagoncini RLC. Che risultati darebbe TLDetails ?
73' Franco

PS : Hai ragione per il primo post perche se adatto i 100 OHm il generatore vede un SWR=1
e la potenza, a meno delle piccole perdite dell'LC introdotto arriva praticamente tutta al carico.



Scusate gli eerrori di battitura ma per 3 ore devo tenere la testa diritta e non piegarla a causa delle manipolazioni fatte per la labirintite geneata da calcoli che si producono

[davj2500]

Ciao Franco.

Non ti vengono i conti perché stai "barando" sulla tensione del generatore.

Questo è lo schema di un generatore:



Tu stai forzando Va=100Vp ma non è quello che si intende quando si dice "mantengo costante il voltaggio sul generatore".
Facciamo un esempio. Dalla formula del mismatch loss sappiamo che se alimentiamo un carico con ROS=2 avremo un mismatch loss di 0.5115dB.
Questo significa che la potenza che arriverà sul carico "Load" con ROS=2 sarà -0.5115dB (cioè solo il 88.8894%) rispetto alla potenza che arriverebbe ad un Load=50Ω.

Se usiamo il tuo sistema e fissiamo Va=10Vrms, abbiamo che:
- Load=50Ω, power=V^2/R=100/50=2W
- Load=25Ω, power=V^2/R=100/25=4W
- Load=100Ω, power=V^2/R=100/100=1W

Con il tuo sistema usando un carico con resistenza 25Ω (ROS=2) avremmo potenza 4W, doppia rispetto a 50Ω! Invece con l'altro "ROS=2", cioè 100Ω, avremmo potenza ancora diversa, cioè 1W!

Invece la tensione che va fissata è Vg.

Se invece di fissare Va fissiamo Vg=10Vrms, abbiamo che:
- con 50Ω la resistenza complessiva Load+50Ω = 100Ω; la corrente I=V/R=10/100=0.1A; la potenza su Load sarà I^2*R=0.5W;
- con 100Ω la resistenza complessiva Load+50Ω = 150Ω; la corrente I=V/R=10/150=0.066A; la potenza su Load sarà I^2*R=0.444W;
- con 25Ω la resistenza complessiva Load+50Ω = 75Ω; la corrente I=V/R=10/75=0.1333A; la potenza su Load sarà I^2*R=0.444W;
Nei due casi 100Ω e 25Ω abbiamo sempre potenza 0.444W che per l'appunto è il 88.8894% della potenza di 0.5W che avevamo

La cosa funziona anche con i generatori veri. Ho impostato il mio generatore a 35.5mV.



Nell'immagine a sinistra il generatore è terminato con un carico a 50Ω e il millivoltmetro mostra che sul carico ci sono esattamente 35.50mV. In realtà il generatore ha impostato Vg=71mV in modo che su Load a 50Ω ci siano i 35.5mV che ho richiesto.
Se però gli cambio il carico come nella figura a destra (270Ω), il generatore continua a generare i 71mV che ha calcolato per un carico a 50Ω. Essendoci però 270Ω, la tensione sul carico dovrà essere 71V * 270Ω / (270Ω+50Ω)=59.9V. Nel mio caso infatti sul carico ho 55.5V che più o meno corrisponde ai 59.9V ideali.
Come vedi, un generatore di laboratorio fa del suo meglio per comportarsi come un generatore ideale a impedenza 50Ω: quando gli dici "tieni fissi 35.5V" (come ho fatto nell'esempio sopra) il generatore si comporta come quanto sopra spiegato e non tiene fissi 35.5V sui morsetti d'uscita qualunque sia l'impedenza di carico.

Nei tuoi calcoli con SimSmith hai fissato Va invece che Vg per cui la potenza che stai erogando nei vari casi è diversa.
Ad esempio, nella seconda immagine l'impedenza presentata dalla linea al generatore è (25.2026 -3.89239j). La tua tensione di picco è 100V per cui quella RMS è 70.710678V.
Se calcoliamo P=V^2/Z usando numeri complessi abbiamo P=193.7702W che sono esattamente i 194W che SimSmith ti dice che stanno arrivando sul carico.
Cioè il generatore ha generato 194W e dall'altra parte sono arrivati 194W.

I risultati diversi da caso per caso sono dovuti al fatto che non hai imposto Vg fisso ma Va fisso, per cui Vg cambia di conseguenza sballando i risultati.

Ciaoo
Davide

[Franco Balestrazzi]

Ciao Davide,
l'impostazione del generatore  "fixedV(100)"  e' proprio 100 fissi. Se vedi e' scomparsa la Zc in serie al generatore. Negli altri casi, usando "useZ0(100)" la resistenza in serie al generatore rimane. Nel caso di un carico da 25 OHm (sempre SWR=2, la potenza sul carico diventa 70.7107^2 / 25 = 200W



E questo mi sembra corretto, o no ?
73' Franco

[davj2500]

Ciao Davide,
l'impostazione del generatore  "fixedV(100)"  e' proprio 100 fissi. Se vedi e' scomparsa la Zc in serie al generatore. Negli altri casi, usando "useZ0(100)" la resistenza in serie al generatore rimane. Nel caso di un carico da 25 OHm (sempre SWR=2, la potenza sul carico diventa 70.7107^2 / 25 = 200W

Sì vedo, ma se vuoi vedere e confrontare gli effetti dell'impedenza del carico rispetto ad un generatore di una data impedenza, devi fissare la tensione del generatore prima della resistenza interna.
Se vuoi vedere se hai le impostazioni giuste, fai tre prove cambiando solo il carico:
- con carico a 50
- con carico a 25
- con carico a 100
Data P la potenza che leggi sul carico a 50, devi leggere lo stesso valore P*0.888894 sui due carichi da 25 e 100.
Se non leggi quello, non hai fissato la tensione al generatore prima della sua impedenza interna ma da qualche altra parte e non puoi banalmente confrontare i risultati per vedere gli effetti del mismatch loss.

Ciaoo
Davide

[HAWK]

Un bene questi 3D...

Sarebbe anche utile, penso, alla luce dei vari strumentini di misura che girano, farne uno che spieghi materialmente la carta di SMITH...

Grazie mille a tutti.

[Franco Balestrazzi]

Grazie per la risposta Davide,
ho fatto altre due prove con 100 e 50 OHm. e i risultati sono quelli indicati. Non trovo alcun altro parametro da settare per fissare la potenza del generatore se non XMATCH che pero' introduce una ZM che si adatta al max trasferimento di potenza al cambiare del carico, e non mi sembra quuesto il caso.

Con 50 OHm ottengo i 100W impostati (SWR=1)



Con 100 OHm ottengo 50W (SWR=2)

free picture upload

La tensione e' sempre la stessa 70.7107 ma il carico e' 50OHm e poi 100 OHm.

73' Franco

[Franco Balestrazzi]

Per usare SIM SMITH si puo' studiare il manuale. Se no per l'uso semplice della carta di Smith c'e' il SW Parsan 3.3 di cui allego il manuale.
73' Franco

[HAWK]

Grazie mille, comincio a leggere appena finisco il traffico radio.

[davj2500]

La tensione e' sempre la stessa 70.7107 ma il carico e' 50OHm e poi 100 OHm.

Se non ha una apposita impostazione e vuoi ottenere l'effetto di un generatore ideale, devi usare un "pacchetto" formato da un generatore a tensione fissa come quello che hai in serie ad una resistenza da 50 ohm (impedenza del generatore).

Ciaoo
Davide

[Franco Balestrazzi]

Allora, usando un generatore con 1 W di uscita e con Zc interna =50 OHM si ottiene tutto ,
Il primo caso e' perfettamente adattato con 50OHm



Il secondo caso e' con RL=25 OHM @SWR=2



Il terzo caso e' con RL=100 OHm  @SWR=2

picupload

Infatti il coefficente di riflessione e' 0.333 in entrambe i casi e la formula che definisce la potenza erogata al carico e' precisa : Pd=Pi *(1-RHO^2) = 11*(1-0.333^2)=0.889.
Ecco perche se faccio lo stesso ragionamento inserendo un tratto di linea a 0 perdite ma con Zc=50OHM e FV=1 non dovrei trovare differenze m cosi' e'. ma la potenza parte 1W e arriva 0.889W come nei precedenti casi. Non arriva 1W sul carico. Se il generatore non ce la facesse allora non ce la farebbe ne senza ne con la linea, metre i risultati sono identici tra loro.
Probabilmente si ricade sul fatto che sia senza che con la linea, il generatore vede un carico disadattato e quindi non riesce a fornire la poteza sufficente.
Infatti se io adatto verso il generatore ottengo praticamente 1W sul carico.

free photo host

Direi che ci siamo
Quindi TLDesign non tiene in conto questa cosa ?.

[davj2500]

Quindi TLDesign non tiene in conto questa cosa ?.

Ciao Franco.

Non ho capito esattamente cosa intendi e di cosa dovrebbe tenere in conto.
TLDetails calcola solo quello che nel tuo schema è il cubetto azzurro T1, cioè la linea di trasmissione.
Essa è una black-box a due porte che in base all'impedenza Zout che ha connessa alla porta "OUT" produce un'impedenza Zin alla porta "IN" e una dissipazione interna in dB (se non ideale).
TLDetails calcola solo questi dati.

L'insertion loss è dato dalla dissipazione interna in dB sommata al mismatch loss tra l'impedenza Zgen del generatore e lo Zin prodotto dalla linea, ma questo dipende dall'impedenza della sorgente che usi. Ciò non è un problema di competenza di TLDetails, come non lo è tutto il resto di universo che pure nella vita reale conta ma non è trattato da TLDetails.

Ciaoo
Davide

[Franco Balestrazzi]

Ciao Davide,
capisco che TLDetails non tenga conto di tutto lo universo mondo, ma non riesco a trovare, o quantomeno a vedere direttamente in TLDetails, una voce specifica che esprima il mismatch loss ma solo le voci ripartite relative all'attenuazione del cavo reale.
Saro' uno zuccone.
Altra cosa , quando collego un wattmetro con carico 50 OHm misuro la P=VA^2/50 e non la VG^2/50. Quando definisco la potenza in uscita da un TX la intendo dopo la Zc, se no quella rilasciata al carico sarebbe la meta' per il max trasferimento di potenza. Questo significa che se il TX eroga 100W misurati sul wattmetro, altri 100W devono essere dissipati dalla sua ZC interna. Quindi il TX deve essere in grado nello stadio finale di sviluppare 200W corrispondenti a VG^2/50. Corretto ?
73' Franco

[davj2500]

Ciao Franco.

capisco che TLDetails non tenga conto di tutto lo universo mondo, ma non riesco a trovare, o quantomeno a vedere direttamente in TLDetails, una voce specifica che esprima il mismatch loss ma solo le voci ripartite relative all'attenuazione del cavo reale.

Sì, TLDetails non calcola il mismatch loss ma solo le caratteristiche proprie della linea (almeno, non sono a conoscenza di opzioni che lo facciano).

Altra cosa , quando collego un wattmetro con carico 50 OHm misuro la P=VA^2/50 e non la VG^2/50. Quando definisco la potenza in uscita da un TX la intendo dopo la Zc, se no quella rilasciata al carico sarebbe la meta' per il max trasferimento di potenza. Questo significa che se il TX eroga 100W misurati sul wattmetro, altri 100W devono essere dissipati dalla sua ZC interna. Quindi il TX deve essere in grado nello stadio finale di sviluppare 200W corrispondenti a VG^2/50. Corretto ?

Sì, in un generatore ideale a 50Ω caricato con 50Ω, il 50% della potenza è dissipato dalla resistenza del generatore e l'altro 50% va al carico.
Il fatto che venga trasferita la massima potenza non vuol dire che l'efficienza sia massima.
Ad esempio, un generatore a 50Ω che eroga Vg=10V, può al massimo erogare su un carico esterno 0.5W e cioò avviene quando questo carico è a 50Ω. Per farlo deve erogare 1W ed accettare un'efficienza del 50%.

Se tu gli metti un carico da 1000Ω, la potenza che arriva al carico è di soli 0.0907W, per cui meno degli 0.5W di prima. Solo che per generare questi 0.0907W il generatore ha dovuto generare complessivamente solo 0.0952W, con un'efficienza del 95%.

I generatori da laboratorio sono concepiti come generatori ideali a 50Ω senza curarsi dell'efficienza, mentre i trasmettitori veri sono concepiti per lavorare su un carico a 50Ω ma la loro impedenza interna è scelta dal progettista tenendo conto anche dell'efficienza. Infatti se carichi con carichi diversi un generatore da laboratorio, i risultati che ottieni sono quelli di un generatore ideale. Se carichi una radio vera, vedi che la circuiteria interna si "regola" compensando in vari modi le variazioni dell'impedenza esterna. Ad esempio, l'817 finché il ROS non è così alto da mandarlo in protezione, varia la tensione sul carico affinché la potenza sia costante. Per cui se abbassi la resistenza sotto i 50Ω, lui abbassa la tensione in uscita. Se la alzi, alza anche la tensione, mantenendo costante la potenza.

Un componente che si comporta come un generatore ideale è l'antenna. L'antenna ricevente è un generatore ideale la cui impedenza interna è la stessa che mostra in trasmissione. Per cui, quando un'antenna ad impedenza Z viene caricata con Z, di tutta la potenza che riceve, metà viene trasmessa al carico e metà viene reirradiata.
Se il carico non è Z ma è disadattato, a parità di segnale presente in aria, il carico (cioè il ricevitore) riceverà un segnale attenuato secondo la regola del mismatch loss.
In altre parole, l'antenna è un generatore ideale di tensione Vg in serie con la sua impedenza Zg, e come tale si comporta.
Su antenne molto disadattate, non appena si regola l'accordatore i segnali aumentano: questo perché l'accordatore in ricezione, anche se si trova in stazione, è il carico che riceve il segnale. Quando si fa l'accordo, in ricezione l'accordatore si presenta alla linea con un'impedenza tale per cui la sua trasformata alla fine della linea è proprio la Z che si aspetta l'antenna. Tutto il sistema è adattato e le uniche perdite sono quelle dissipative.
E' importante notare che non ha alcuna importanza che nella linea vi siano stazionarie: dal punto di vista complessivo, la linea è solo una black-box che trasforma l'impedenza da A a B e dissipa tot dB. Il fatto che vi siano stazionarie è solo un dettaglio, importante perché fa aumentare poco o tanto i dB di dissipazione della linea, ma del tutto ininfluente nella visione d'insieme esterna.

Ciaoo
Davide

[Franco Balestrazzi]

Perfetto Davide,
il problema si aggrava con SWR=2 o maggiore in VHF o UHF ,misurato in stazione, in quanto quello misurato all'antenna puo' essere molto piu' elevato visto le maggiori perdite introdotte dal cavo reale e quindi rischi che anche mettendo un accordatore in stazione, l'antenna, cosi' disadattata, si comporti come un ferro da stiro. In effetti tutti i quadribanda che ho visto hanno l'ATU solo per le HF e non uno per le V o U. In quelle bande occorre lavorare di fino sull'antenna.
Per quanto riguarda il la potenza del TX allora confermi che idealmente meta' della potenza viene dissipata sulla Zc del generatore stesso e l'altra meta' raggiunge il carico secondo lo schema che raprresenta il max trasferimento di potenza.
Adesso i conti mi tornano tutti anche su TLDetails dopo il tuo ultimo chiarimento.
Ti ringrazio. A proposito ho provato un calcolatore SW di mismatch loss :

https://chemandy.com/calculators/return-loss-and-mismatch-calculator.htm

Non e' magia ma e' l'insieme delle formule successive che producono il risultato. Il mismatch loss si puo' calcolare anche a mano, cosi' e' molto chiaro per tutti.

Altra cosa che ho riportato in un nuovo 3d. Rig Expert ha rinnovato la produzione e anche su modelli  da 30MHz o 55MHz, denominati ZOOM, hanno introdotto la calibrazione SOL. Era Ora, forse spinti dal numero di vendite del nanoVNA. Comunque rimangono a prezzi enormemente lontani dal nanoVNA.Peraltro hanno solo la porta DUT. Peccato per il METROVNA, poverino.

Ciao,
Franco