home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ World of Ham Radio 1994 January / AMSOFT_1994.iso / formulas / rf / rf_08 / prog / amsoft.iii next >
Encoding:
Text File  |  1993-12-31  |  10.4 KB  |  170 lines
  1.                               COMPUTER PROGRAM LINELOSS
  2.  
  3.             The program LINELOSS is a versatile program capable of doing
  4.        a   variety   of  calculations  related  to  power,   VSWR,   and
  5.        transmission  line  losses.   The  program,  and  the   following
  6.        explanatory  and  tutorial  information, is  excerpted  from  The
  7.        Meteor Burst Communications Handbook, by Jacob Z. Schanker.  This
  8.        handbook  was  prepared  under  U.S. Air  Force  Funding.  It  is
  9.        expected  that it will be available through the N.T.I.S. late  in
  10.        1988.
  11.  
  12.        TRANSMISSION LINES
  13.  
  14.        Losses  in  coaxial  transmission lines can  have  a  significant
  15.        effect on system performance. The losses negatively affect system
  16.        performance  in  several  ways.  Therefore,  reducing  coax  loss
  17.        provides multiple benefits. In fact, reducing coax loss is one of
  18.        the easiest, and least expensive, ways to improve  communications
  19.        system performance. These are the factors involved:
  20.  
  21.               1)  Loss in the transmission line between transmitter  and
  22.               the  antenna  reduce the power delivered to  the  antenna,
  23.               thus reducing the effective radiated power.
  24.  
  25.               2) Loss in the transmission line between receiving antenna
  26.               and  receiver increase the effective noise figure  of  the
  27.               receiver, reducing receiver sensitivity.
  28.  
  29.               3)  Any  standing  waves on  the  transmission  line  will
  30.               increase  the  losses  on the line. That  is,  the  actual
  31.               transmission line loss will be higher than the rated  line
  32.               loss.  This point is of particular significance  since  it
  33.               further  aggravates the negative effects of the first  two
  34.               factors.
  35.  
  36.             It's  easy  to understand how line loss  reduces  the  power
  37.        delivered  at the end of a transmission line, but the  effect  of
  38.        standing waves in increasing the loss requires some  explanation.
  39.        Whenever  the  load  at the end of a  transmission  line  is  not
  40.        perfectly  matched  to the line, that is when ZL  is  not  purely
  41.        resistive and equal in magnitude to the characteristic  impedance
  42.        of  the  line  Zo,  standing  waves  will  exist.  The  impedance
  43.        inequality at the load will cause power to be reflected back down
  44.        the  transmission  line towards the source. This  reflected  wave
  45.        undergoes  the  same  amount of attenuation  (in  dB.)  that  the
  46.        forward  wave  experienced intitially in travelling  towards  the
  47.        load.   This   attenuation   increases   the   overall,   actual,
  48.        attenuation. The actual attenuation is always greater than the
  49.        rated  line  attenuation, except when a  line  is  perfectly
  50.        "flat" (no standing waves).
  51.  
  52.             The  load in a communications system is either the  antenna,
  53.        or  the  receiver  input. In either case, it is  unlikely  to  be
  54.        perfectly  matched  to the line, which will normally  be  coaxial
  55.        cable with     50 ohm nominal characteristic impedance. A  multi-
  56.        element  Yagi  beam antenna carefully tuned to the  frequency  of
  57.        operation  may  have a relatively low VSWR, typically  less  than
  58.        1.5,  and possible as low as 1.1. On the other hand,  a  wideband
  59.        log-periodic  beam antenna may have a VSWR above 2.0.  The  input
  60.        impedance  of a typical receiver is only nominally 50  ohms.  The
  61.        actual impedance will vary quite a bit from the nominal, and  the
  62.        VSWR is often between 1.5 and 2.0.
  63.  
  64.             The   rated  attenuation  for  coaxial  cable  is   normally
  65.        expressed in terms of dB. per 100 feet or dB. per 100 meters. The
  66.        attenuation  is  a  function of frequency of  operation,  so  the
  67.        rating  must  specify the frequency at which the  attenuation  is
  68.        given.  Manufacturer's  literature, handbooks, or MIL  specs  are
  69.        possible sources of this information. Often the rated attenuation
  70.        will be given at 10 MHz. and at 100 MHz. Unfortunately, important
  71.        communications frequencies lie between these two frequencies, and
  72.        attenuation ratings are unlikely to be specified at the  specific
  73.        frequencies of operation.  Since the attenuation of coaxial cable
  74.        varies  approximately as the square-root of the frequency  ratio,
  75.        it is possible to make a useful estimate of rated attenuation  at
  76.        specific   frequencies  from  the  rated  attenuation  at   other
  77.        frequencies.
  78.  
  79.             Module  7  of  the MBC Programs, LINELOSS, may  be  used  to
  80.        calculate  the rated line loss at a particular  frequency,  given
  81.        rated line loss at some other frequency. Once the rated line loss
  82.        is  known,  the actual line loss can be calculated  for  whatever
  83.        value of VSWR exists on the line. The program also expresses true
  84.        line   loss  as  an  operating  efficiency   figure.   Additional
  85.        calculations provided in LINELOSS are conversion between  forward
  86.        and reflected power and VSWR.
  87.  
  88.             It's  useful  to plug some numbers into  LINELOSS  and  play
  89.        around a bit. The importance of low transmission line loss should
  90.        soon  be apparent. Low VSWR is also helpful, but often is not  as
  91.        easily   controllable.  As  an  example  of  the   considerations
  92.        discussed  above,  and of the use of the  program,  consider  the
  93.        following:
  94.  
  95.             A  meteor burst system operates at 40 MHz. The  remote  site
  96.        operates   in   half-duplex  with  the  meteor   burst   terminal
  97.        (transmitter/receiver)  connected  to a 5  element  Yagi  antenna
  98.        through  150 feet of RG8A/U type coaxial cable. The VSWR  of  the
  99.        antenna is 1.30. Use Module 7 to find the true loss in the  line,
  100.        the  line  operating  efficiency, and the apparent  VSWR  at  the
  101.        terminal end of the line.
  102.  
  103.             The  rated attenuation of RG8A/U, from manufacturer's  data,
  104.        is  0.56 dB. per 100 feet at 10 MHz. From the Main  Menu,  choose
  105.        selection  2, "FIND RATED LINE LOSS AT OPERATING  FREQUENCY  FROM
  106.        RATED VALUE AT ANOTHER FREQUENCY." The rated line loss, 0.56  dB.
  107.        is  entered  first. The actual line length, 150  (feet)  is  then
  108.        entered  in response to the prompt. Next, the frequency at  which
  109.        the  rating  was  given, 10 (MHz.) is entered,  followed  by  the
  110.        actual  operating  frequency  of  40  (MHz.).  The  program  then
  111.        calculates  the rated attenuation for 150 feet at 40  MHz.  using
  112.        the approximation that attenuation is proportional to the  square
  113.        root  of  the actual frequency divided by the  rating  frequency.
  114.        This  is accurate enough for most purposes. Note that  the  value
  115.        obtained from the program is 1.7 dB. Choose selection 2 to return
  116.        to the Main Menu, we then choose selection 4 "CALCULATIONS, USING
  117.        CONDITIONS AT ANTENNA END", since we know the VSWR at the antenna
  118.        end. The rated line loss for the length of line being used, which
  119.        we  just found to be 1.7 dB. is entered first. The  program  then
  120.        asks us to enter any additional losses in the transmission  path.
  121.        These  could be due to filters, diplexers, or  other  accessories
  122.        which exhibit some insertion loss. In this case, we assume  there
  123.        is no additional loss and so enter 0. Finally, we enter the known
  124.        VSWR at the antenna, 1.3, in response to the prompt.
  125.  
  126.             The program then calculates that the VSWR at the transmitter
  127.        end  is  1.19.  This  points  up  the  fact  that  for  a   lossy
  128.        transmission line, the VSWR at the transmitter (source) end  will
  129.        always be less than the VSWR at the antenna (load) end. This is a
  130.        result  of:  (1) the forward power delivered to  the  antenna  is
  131.        reduced by the line attenuation, and, (2) the resulting reflected
  132.        power caused by the antenna mismatch is further attenuated on its
  133.        return trip to the transmitter end. Since VSWR is proportional to
  134.        the  ratio of reflected power/forward power, the transmitter  end
  135.        sees a lower reflected power and a higher forward power than  the
  136.        antenna end, hence a lower VSWR.
  137.  
  138.             Then  program the calculates that the true overall  loss  in
  139.        the  line  (accounting for the effect of VSWR on the  rated  line
  140.        loss)  is  1.74  dB.,  and that  the  overall  transmission  line
  141.        operating  efficiency is 67.0%. Note that, in this  example,  the
  142.        VSWR  on  the line contributed negligible  (.04  dB.)  additional
  143.        loss.  Since  the VSWR was relatively low (1.3) this is  not  too
  144.        surprising. But what if the antenna VSWR was 2.5? This is a value
  145.        which  might be seen with a log-periodic type antenna, or with  a
  146.        field  expedient  antenna.  It is suggested that  the  reader  go
  147.        through  the calculations for this case. The result is  that  the
  148.        true line loss is 2.20 dB., an increase of 0.5 dB. over the rated
  149.        line loss which would be exhibited for unity VSWR.
  150.  
  151.             As another example, consider that in the previous example we
  152.        did  not  know  the VSWR of the antenna. However,  using  a  BIRD
  153.        wattmeter  or  similar  instrument,  the  forward  power  at  the
  154.        transmitter  end  was measured as 300 watts,  and  the  reflected
  155.        power  as  20  watts. This may seem pretty good,  but  it  isn't.
  156.        Choose  selection 1 "CONVERT BETWEEN VSWR AND  REFLECTED  POWER",
  157.        from the Main Menu. Entering our values, we find that the VSWR is
  158.        1.70.  Returning  to  the  Main Menu  and  choosing  selection  3
  159.        "CALCULATIONS, USING CONDITIONS AT TRANSMITTER END", the  program
  160.        calculates  that  the true VSWR at the antenna end is  2.24,  and
  161.        that  the true overall loss is 2.09 dB. This is 0.39  dB  greater
  162.        loss than the rated line loss of 1.7 dB. The calculated operating
  163.        efficiency  is 61.8%. This means that the actual power  delivered
  164.        to  the  antenna  to  be radiated is 0.618  X  (Forward  Power  -
  165.        Reflected Power) or   0.618 X (300 - 20) = 173 watts.
  166.  
  167.        Additional reference:
  168.  
  169. 1      "Program Finds True Transmission Line Loss" EDN, February 18, 1981
  170.