home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Hacker Chronicles 2 / HACKER2.BIN / 170.LL.DOC < prev    next >
Text File  |  1988-08-30  |  10KB  |  329 lines

  1.      
  2.  
  3.                        COMPUTER PROGRAM LINELOSS 
  4.  
  5.      
  6.  
  7.      The program LINELOSS is a versatile program capable of doing 
  8.  
  9. a   variety   of  calculations  related  to  power,   VSWR,   and 
  10.  
  11. transmission  line  losses.   The  program,  and  the   following 
  12.  
  13. explanatory  and  tutorial  information, is  excerpted  from  The 
  14.  
  15. Meteor Burst Communications Handbook, by Jacob Z. Schanker.  This 
  16.  
  17. handbook  was  prepared  under  U.S. Air  Force  Funding.  It  is 
  18.  
  19. expected  that it will be available through the N.T.I.S. late  in 
  20.  
  21. 1988. 
  22.  
  23.  
  24. TRANSMISSION LINES 
  25.  
  26.  
  27.  
  28. Losses  in  coaxial  transmission lines can  have  a  significant 
  29.  
  30. effect on system performance. The losses negatively affect system 
  31.  
  32. performance  in  several  ways.  Therefore,  reducing  coax  loss 
  33.  
  34. provides multiple benefits. In fact, reducing coax loss is one of 
  35.  
  36. the easiest, and least expensive, ways to improve  communications 
  37.  
  38. system performance. These are the factors involved: 
  39.  
  40.  
  41.        1)  Loss in the transmission line between transmitter  and 
  42.  
  43.        the  antenna  reduce the power delivered to  the  antenna, 
  44.  
  45.        thus reducing the effective radiated power. 
  46.  
  47.        2) Loss in the transmission line between receiving antenna 
  48.  
  49.        and  receiver increase the effective noise figure  of  the 
  50.  
  51.        receiver, reducing receiver sensitivity. 
  52.  
  53.        3)  Any  standing  waves on  the  transmission  line  will 
  54.  
  55.        increase  the  losses  on the line. That  is,  the  actual 
  56.  
  57.        transmission line loss will be higher than the rated  line 
  58.  
  59.        loss.  This point is of particular significance  since  it 
  60.  
  61.        further  aggravates the negative effects of the first  two 
  62.  
  63.        factors. 
  64.  
  65.  
  66.      It's  easy  to understand how line loss  reduces  the  power 
  67.  
  68. delivered  at the end of a transmission line, but the  effect  of 
  69.  
  70. standing waves in increasing the loss requires some  explanation. 
  71.  
  72. Whenever  the  load  at the end of a  transmission  line  is  not 
  73.  
  74. perfectly  matched  to the line, that is when ZL  is  not  purely 
  75.  
  76. resistive and equal in magnitude to the characteristic  impedance 
  77.  
  78. of  the  line  Zo,  standing  waves  will  exist.  The  impedance 
  79.  
  80. inequality at the load will cause power to be reflected back down 
  81.  
  82. the  transmission  line towards the source. This  reflected  wave 
  83.  
  84. undergoes  the  same  amount of attenuation  (in  dB.)  that  the 
  85.  
  86. forward  wave  experienced intitially in travelling  towards  the 
  87.  
  88. load.   This   attenuation   increases   the   overall,   actual, 
  89.  
  90. attenuation. The actual attenuation is always greater than the 
  91.  
  92. rated  line  attenuation, except when a  line  is  perfectly 
  93.  
  94. "flat" (no standing waves). 
  95.  
  96.      
  97.  
  98.      The  load in a communications system is either the  antenna, 
  99.  
  100. or  the  receiver  input. In either case, it is  unlikely  to  be 
  101.  
  102. perfectly  matched  to the line, which will normally  be  coaxial 
  103.  
  104. cable with     50 ohm nominal characteristic impedance. A  multi-
  105.  
  106. element  Yagi  beam antenna carefully tuned to the  frequency  of 
  107.  
  108. operation  may  have a relatively low VSWR, typically  less  than 
  109.  
  110. 1.5,  and possible as low as 1.1. On the other hand,  a  wideband 
  111.  
  112. log-periodic  beam antenna may have a VSWR above 2.0.  The  input 
  113.  
  114. impedance  of a typical receiver is only nominally 50  ohms.  The 
  115.  
  116. actual impedance will vary quite a bit from the nominal, and  the 
  117.  
  118. VSWR is often between 1.5 and 2.0. 
  119.  
  120.      
  121.  
  122.      The   rated  attenuation  for  coaxial  cable  is   normally 
  123.  
  124. expressed in terms of dB. per 100 feet or dB. per 100 meters. The 
  125.  
  126. attenuation  is  a  function of frequency of  operation,  so  the 
  127.  
  128. rating  must  specify the frequency at which the  attenuation  is 
  129.  
  130. given.  Manufacturer's  literature, handbooks, or MIL  specs  are 
  131.  
  132. possible sources of this information. Often the rated attenuation 
  133.  
  134. will be given at 10 MHz. and at 100 MHz. Unfortunately, important 
  135.  
  136. communications frequencies lie between these two frequencies, and 
  137.  
  138. attenuation ratings are unlikely to be specified at the  specific 
  139.  
  140. frequencies of operation.  Since the attenuation of coaxial cable 
  141.  
  142. varies  approximately as the square-root of the frequency  ratio, 
  143.  
  144. it is possible to make a useful estimate of rated attenuation  at 
  145.  
  146. specific   frequencies  from  the  rated  attenuation  at   other 
  147.  
  148. frequencies. 
  149.  
  150.  
  151.      Module  7  of  the MBC Programs, LINELOSS, may  be  used  to 
  152.  
  153. calculate  the rated line loss at a particular  frequency,  given 
  154.  
  155. rated line loss at some other frequency. Once the rated line loss 
  156.  
  157. is  known,  the actual line loss can be calculated  for  whatever 
  158.  
  159. value of VSWR exists on the line. The program also expresses true 
  160.  
  161. line   loss  as  an  operating  efficiency   figure.   Additional 
  162.  
  163. calculations provided in LINELOSS are conversion between  forward 
  164.  
  165. and reflected power and VSWR. 
  166.  
  167.  
  168.      It's  useful  to plug some numbers into  LINELOSS  and  play 
  169.  
  170. around a bit. The importance of low transmission line loss should 
  171.  
  172. soon  be apparent. Low VSWR is also helpful, but often is not  as 
  173.  
  174. easily   controllable.  As  an  example  of  the   considerations 
  175.  
  176. discussed  above,  and of the use of the  program,  consider  the 
  177.  
  178. following: 
  179.  
  180.      
  181.  
  182.      A  meteor burst system operates at 40 MHz. The  remote  site 
  183.  
  184. operates   in   half-duplex  with  the  meteor   burst   terminal 
  185.  
  186. (transmitter/receiver)  connected  to a 5  element  Yagi  antenna 
  187.  
  188. through  150 feet of RG8A/U type coaxial cable. The VSWR  of  the 
  189.  
  190. antenna is 1.30. Use Module 7 to find the true loss in the  line, 
  191.  
  192. the  line  operating  efficiency, and the apparent  VSWR  at  the 
  193.  
  194. terminal end of the line. 
  195.  
  196.  
  197.      The  rated attenuation of RG8A/U, from manufacturer's  data, 
  198.  
  199. is  0.56 dB. per 100 feet at 10 MHz. From the Main  Menu,  choose 
  200.  
  201. selection  2, "FIND RATED LINE LOSS AT OPERATING  FREQUENCY  FROM 
  202.  
  203. RATED VALUE AT ANOTHER FREQUENCY." The rated line loss, 0.56  dB. 
  204.  
  205. is  entered  first. The actual line length, 150  (feet)  is  then 
  206.  
  207. entered  in response to the prompt. Next, the frequency at  which 
  208.  
  209. the  rating  was  given, 10 (MHz.) is entered,  followed  by  the 
  210.  
  211. actual  operating  frequency  of  40  (MHz.).  The  program  then 
  212.  
  213. calculates  the rated attenuation for 150 feet at 40  MHz.  using 
  214.  
  215. the approximation that attenuation is proportional to the  square 
  216.  
  217. root  of  the actual frequency divided by the  rating  frequency. 
  218.  
  219. This  is accurate enough for most purposes. Note that  the  value 
  220.  
  221. obtained from the program is 1.7 dB. Choose selection 2 to return 
  222.  
  223. to the Main Menu, we then choose selection 4 "CALCULATIONS, USING 
  224.  
  225. CONDITIONS AT ANTENNA END", since we know the VSWR at the antenna 
  226.  
  227. end. The rated line loss for the length of line being used, which 
  228.  
  229. we  just found to be 1.7 dB. is entered first. The  program  then 
  230.  
  231. asks us to enter any additional losses in the transmission  path. 
  232.  
  233. These  could be due to filters, diplexers, or  other  accessories 
  234.  
  235. which exhibit some insertion loss. In this case, we assume  there 
  236.  
  237. is no additional loss and so enter 0. Finally, we enter the known 
  238.  
  239. VSWR at the antenna, 1.3, in response to the prompt. 
  240.  
  241.      
  242.  
  243.      The program then calculates that the VSWR at the transmitter 
  244.  
  245. end  is  1.19.  This  points  up  the  fact  that  for  a   lossy 
  246.  
  247. transmission line, the VSWR at the transmitter (source) end  will 
  248.  
  249. always be less than the VSWR at the antenna (load) end. This is a 
  250.  
  251. result  of:  (1) the forward power delivered to  the  antenna  is 
  252.  
  253. reduced by the line attenuation, and, (2) the resulting reflected 
  254.  
  255. power caused by the antenna mismatch is further attenuated on its 
  256.  
  257. return trip to the transmitter end. Since VSWR is proportional to 
  258.  
  259. the  ratio of reflected power/forward power, the transmitter  end 
  260.  
  261. sees a lower reflected power and a higher forward power than  the 
  262.  
  263. antenna end, hence a lower VSWR. 
  264.  
  265.      
  266.  
  267.      Then  program the calculates that the true overall  loss  in 
  268.  
  269. the  line  (accounting for the effect of VSWR on the  rated  line 
  270.  
  271. loss)  is  1.74  dB.,  and that  the  overall  transmission  line 
  272.  
  273. operating  efficiency is 67.0%. Note that, in this  example,  the 
  274.  
  275. VSWR  on  the line contributed negligible  (.04  dB.)  additional 
  276.  
  277. loss.  Since  the VSWR was relatively low (1.3) this is  not  too 
  278.  
  279. surprising. But what if the antenna VSWR was 2.5? This is a value 
  280.  
  281. which  might be seen with a log-periodic type antenna, or with  a 
  282.  
  283. field  expedient  antenna.  It is suggested that  the  reader  go 
  284.  
  285. through  the calculations for this case. The result is  that  the 
  286.  
  287. true line loss is 2.20 dB., an increase of 0.5 dB. over the rated 
  288.  
  289. line loss which would be exhibited for unity VSWR. 
  290.  
  291.      
  292.  
  293.      As another example, consider that in the previous example we 
  294.  
  295. did  not  know  the VSWR of the antenna. However,  using  a  BIRD 
  296.  
  297. wattmeter  or  similar  instrument,  the  forward  power  at  the 
  298.  
  299. transmitter  end  was measured as 300 watts,  and  the  reflected 
  300.  
  301. power  as  20  watts. This may seem pretty good,  but  it  isn't. 
  302.  
  303. Choose  selection 1 "CONVERT BETWEEN VSWR AND  REFLECTED  POWER", 
  304.  
  305. from the Main Menu. Entering our values, we find that the VSWR is 
  306.  
  307. 1.70.  Returning  to  the  Main Menu  and  choosing  selection  3 
  308.  
  309. "CALCULATIONS, USING CONDITIONS AT TRANSMITTER END", the  program 
  310.  
  311. calculates  that  the true VSWR at the antenna end is  2.24,  and 
  312.  
  313. that  the true overall loss is 2.09 dB. This is 0.39  dB  greater 
  314.  
  315. loss than the rated line loss of 1.7 dB. The calculated operating 
  316.  
  317. efficiency  is 61.8%. This means that the actual power  delivered 
  318.  
  319. to  the  antenna  to  be radiated is 0.618  X  (Forward  Power  - 
  320.  
  321. Reflected Power) or   0.618 X (300 - 20) = 173 watts. 
  322.  
  323.      
  324. Additional reference:
  325.  
  326.  
  327. "Program Finds True Transmission Line Loss" EDN, February 18, 1981
  328.  
  329.