Reflektometr w dziedzinie czasu (Time Domain Reflectometer – TDR) jest urządzeniem umożliwiającym obserwację zjawisk zachodzących w linii transmisyjnej. Zwykły reflektometr („SWR-miarka”) mierzy odbicie jako sumaryczną moc, reflektometr w dziedzinie czasu pozwala dokładnie zlokalizować miejsce odbicia (i innych zjawisk). Pokażę prosty układ, który wraz z oscyloskopem może być bardzo przydatny każdemu krótkofalowcowi. Nigdy więcej rozkręcania i sprawdzania wszystkich złączek na oślep po drodze do anteny! 😀

TDR służy do pomiaru linii transmisyjnych. U radioamatorów są to przeważnie kable koncentryczne. Każda linia transmisyjna ma określoną impedancję charakterystyczną, najczęściej 50 Ohm. Tak długo, jak impedancja w linii transmisyjnej jest zachowana, to sygnał propaguje się bez odbić. Jeżeli impedancje wszystkich elementów radiostacji (transceiver, feeder, antena) jest taka sama (lub bardzo zbliżona), to między anteną a transceiverem nie ma strat energii wynikających z odbić (niestety każdy kabel wprowadza tłumienie). Do odbić dochodzi w miejscach zmiany impedancji.
Mogą one wynikać np.:

• ze zwracia żyły gorącej z oplotem
• rozwarcia/urwania jednego z przewodników
• załamania kabla
• wilgoci
• złączy, beczek, przejściówek
• łączenia kabli o różnych impedancjach charakterystycznych (np. 50 i 75 Ohm)

Reflektometr w dziedzinie czasu (TDR) działa podobnie do radaru/sonaru – wysyła sygnał sondujący i nasłuchuje odbić. Radar i sonar robi to przestrzennie w dwóch lub trzech wymiarach, a TDR tylko w jednym, czyli w funkcji długości kabla. Odległość od obiektu (zdarzenia) wynika z czasu, kiedy zostało odebrane echo, czyli do wyznaczenia odległości trzeba znać prędkość propagacji sygnału. Żeby zbudować TDR będzie potrzebny generator sygnału oraz odbiornik. Z uwagi na bardzo dużą prędkość sygnału w kablu koncentrycznym długość impulsu musi być możliwie krótka, a odbiornik odpowiednio czuły oraz dokładny w pomiarze czasu (np. oscyloskop).

Długość impulsu musi być dobrana do długości trasy. Im dłuższy impuls, tym dłużej odbiornik jest przesterowany i zdarzenia na początku linii są niewidoczne (jest to tzw. strefa martwa, można ją wyeliminować stosując rozbiegówkę – kawałek znanego, dobrego przewodu/światłowodu o odpowiedniej długości przed badaną trasą). Z drugiej strony za krótki impuls zostanie stłumiony na długiej trasie i echa będą zbyt słabe, żeby je odebrać.

Urządzenie jest rewelacyjne w swojej prostocie. Schemat zaczerpnąłem z http://www.epanorama.net/circuits/tdr.html. Jedna z bramek robi za generator relaksacyjny, a pozostałe buforują impuls. Rezystory na wyjściach służą do dopasowania impedancji do 50 Ohm. W oryginalnym schemacie były różne kondensatory dla rożnych długości impulsu, ale najkrótszy impuls wystarcza do pomierzenia 100m koncentryka. Drugie złącze BNC służy do wyzwalania. Mój oscyloskop bez problemu wykrywał zbocze impulsu, więc zewnętrzne wyzwalanie nie było potrzebne. Scalak musi być z serii AC (74AC14), nie HC, HCT ani innej.

Tak wyglądałaby płytka, ale udało mi się złożyć wszystko na płytce uniwersalnej 🙂

Podłączenie

Moja instalacja antenowa składa się z ~20m kabla H-155 (UC-1 na obu końcach), przed wyjściem na zewnątrz jest beczka, następnie ok. 2m kabla RG-58 i antena MA-1300.

Tak wygląda zestaw pomiarowy: oscyloskop, TDR, krótki pigtail, trójnik BNC (od starego ethernetu), przejściówka na UC-1 i dalej feeder do anteny. Obudowa czeka na koszyk na baterie AAA 😉

Linia transmisyjna otwarta na końcu

Pierwszy jest widoczny impuls sondujący, a następnie impuls odbity od końca feedera (rezystancja na końcu = nieskończoność). Mały impuls na końcu to tzw. „duch”. Impuls sondujący dotarł do końca feedera, odbił się, wrócił do reflektometru, odbił się od niego (niedokładne, ale całkiem dobre dopasowanie), dotarł znowu do otwartego końca kabla i wrócił wytłumiony 😀

Obliczenia

Zmierzony czas przelotu impulsu to 164ns. Jest to czas tam i z powrotem (czyli odpowiada dwukrotnej długości trasy). Badany kabel to H-155, który ma prędkość propagacji 0,79 (czyli fala elektromagnetyczna rozchodzi się z 79% prędkości światła). Wystarczy wymnożyć połowę zmierzonego czasu, prędkość światła i prędkość propagacji, żeby obliczyć długość kabla. Tutaj wyszło 19,43m, co by oznaczało, że kolega sprzedający mi 20m kabla mówił całkiem prawdę 😉 . Oczywiście nie jest to pomiar wiarygodny co do centymetra, ale daje ogólne pojęcie o całej linii transmisyjnej (a na pewno przydałby się do wyboru miejsca rozkopania 10km trasy z uszkodzonym kablem 😉 ).

Na podstawie odbicia można również wywnioskować (ze sporym błedem) tłumienie trasy.
Tutaj impuls sondujący miał amplitudę 1140mV, powrócił impuls o amplitudzie 960mV. Dzieląc 960/1140 wychodzi 0,84, co daje straty ok. 16% (na dwóch długościach trasy), czyli ok. 8% tłumienia w rzeczywistości. Tłumienie koncentryka jest mocno zależne od częstotliwości, więc pomiary reflektometryczne słabo się tutaj sprawdzają.

Linia transmisyjna, beczka, pigtail i antena

Po dołączeniu anteny z pigtailem główny impuls wracający trochę się opóźnił. Antena jest rozwarta dla prądu stałego (i najwyraźniej dla częstotliwości podstawowej impulsu). Tam, gdzie był poprzednio koniec trasy (drugi marker Ta=180ns) pojawiło się małe odbicie – to beczka i dwa wtyki UC-1.

Linia transmisyjna zwarta na końcu

Zwarcie daje podobne odbicie jak rozwarcie linii, tylko o przeciwnym znaku – „do dołu” (dalej jest widoczny duch).

Zasilanie

Drobna uwaga na koniec: w układach cyfrowych (i impulsowych) bardzo ważne są pojemności na liniach zasilających. Zrobiłem pomiary napięcia zasilającego dla kondensatorów 1u+100n (tętnienia 46mV peak-to-peak) i 1u + 100n + 22u + 100n (tętnienia 24mV). Różnice są dosyć istotne, więc warto dorzucić kilka kondensatorów, żeby mieć na wyjściu stabilny i mocny impuls.

Artur SP2AGX