Jaki jest współczynnik fali stojącej napięcia? Jak obliczyć VSWR?
„VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)” to miara tego, jak skutecznie moc o częstotliwości radiowej jest przesyłana ze źródła zasilania przez linię transmisyjną do obciążenia (na przykład ze wzmacniacza mocy przez linię transmisyjną do anteny ). ” Taka jest koncepcja VSWR. Więcej o VSWR, takich jak czynniki wpływające na VSWR, wpływ na system transmisji, różnicę z SWR, itp. Ten artykuł może dać szczegółowe wyjaśnienie.
Według Wikipedii współczynnik fali stojącej (SWR) zdefiniowany jako:
"miara dopasowania impedancji obciążeń do impedancji charakterystycznej linii transmisyjnej lub falowodu. Niedopasowanie impedancji powoduje powstawanie fal stojących wzdłuż linii przesyłowej, a SWR jest definiowane jako stosunek częściowej amplitudy fali stojącej na antinodzie (maksimum) do amplituda w węźle (minimum) wzdłuż linii. "
SWR jest zwykle mierzony za pomocą dedykowanego instrumentu zwanego Miernik SWR. Ponieważ SWR jest miarą impedancji obciążenia w stosunku do impedancji charakterystycznej używanej linii transmisyjnej (które razem określają współczynnik odbicia, jak opisano poniżej), dany miernik SWR może zinterpretować impedancję, którą widzi, jako WFS tylko wtedy, gdy ma został zaprojektowany dla tej szczególnej charakterystycznej impedancji. W praktyce większość linii transmisyjnych używanych w tych zastosowaniach to kable koncentryczne o impedancji 50 lub 75 omów, więc większość mierników SWR odpowiada jednemu z nich.
Sprawdzanie SWR jest standardową procedurą w stacji radiowej. Chociaż te same informacje można uzyskać mierząc impedancję obciążenia za pomocą analizatora impedancji (lub „mostka impedancyjnego”), miernik SWR jest do tego celu prostszy i solidniejszy. Mierząc wielkość niedopasowania impedancji na wyjściu nadajnika, ujawnia problemy związane z anteną lub linią transmisyjną.
Nawiasem mówiąc, jeśli myślisz, że nigdy osobiście nie doświadczyłeś fali stojącej, jest to bardzo mało prawdopodobne. Fale stojące w kuchence mikrofalowej są przyczyną nierównomiernego gotowania potraw (talerz obrotowy jest częściowym rozwiązaniem tego problemu). Długość fali sygnału 2.45 GHz wynosi około 12 centymetrów, czyli około pięciu cali. Zera w promieniowaniu (i nagrzewaniu) zostaną oddzielone w odległości podobnej do długości fali.
Współczynnik odbicia wynosi a parametr który opisuje, jak duża część fali elektromagnetycznej jest odbijana przez nieciągłość impedancji w medium transmisyjnym, równa stosunkowi amplitudy fali odbitej do fali padającej. Współczynnik odbicia jest bardzo przydatną cechą przy określaniu VSWR lub badaniu dopasowania, na przykład, podajnika i ładunku. Grecka litera Γ jest zwykle używana do określenia współczynnika odbicia, chociaż często występuje również σ.
Współczynnik odbicia
Korzystając z podstawowej definicji współczynnika odbicia, można go obliczyć na podstawie wiedzy incydent i napięcia odbite.
Dopasowanie jest utratą mocy sygnału spowodowaną odbiciem lub powrotem sygnału przez nieciągłość w łączu światłowodowym lub linii transmisyjnej, a jej jednostką ekspresji jest również decybel (dB). To niedopasowanie impedancji może dotyczyć urządzenia podłączonego do linii lub obciążenia końcowego. Co więcej, strata odbicia jest związkiem zarówno współczynnika odbicia (and), jak i współczynnika fali stojącej (SWR) i jest zawsze liczbą dodatnią, a wysoka strata odbicia jest korzystnym parametrem pomiaru i zwykle koreluje z niskim współczynnikiem wtrącenia utrata. Nawiasem mówiąc, jeśli zwiększysz stratę zwrotu, będzie to skorelowane z niższym SWR.
Utrata sygnału, która występuje na całej długości łącza światłowodowego, nazywa się utratą wtrąceniową. Tłumienie jest jednak naturalnym zjawiskiem, które występuje przy wszystkich typach transmisji, niezależnie od tego, czy są to dane, czy elektryczne. Ponadto, podobnie jak w przypadku wszystkich fizycznych linii przesyłowych lub ścieżek przewodzących, im dłuższa ścieżka, tym większe straty. Ponadto straty te występują również w każdym punkcie połączenia wzdłuż linii, w tym w spawach i złączach. Ten konkretny parametr pomiaru jest wyrażany w decybelach i zawsze powinien być liczbą dodatnią. Jednak powinno, nie zawsze, a jeśli przypadkiem jest ujemne, to nie jest to korzystny parametr pomiarowy. W niektórych przypadkach tłumienność wtrąceniowa może pojawić się jako ujemny pomiar parametru.
Utrata zwrotu i strata wtrąceniowa
Przyjrzyjmy się teraz szczegółowo powyższemu diagramowi, abyśmy mogli lepiej zrozumieć, jak oddziałują na siebie tłumienie wtrąceniowe i tłumienie odbiciowe. Jak widać, padająca moc przemieszcza się wzdłuż linii przesyłowej od lewej strony, aż dotrze do komponentu. Po dotarciu do komponentu część sygnału jest odbijana z powrotem w dół linii transmisyjnej w kierunku źródła, z którego przyszedł. Pamiętaj też, że ta część sygnału nie przechodzi do komponentu.
Pozostała część sygnału rzeczywiście dociera do komponentu. Tam część zostaje wchłonięta, a reszta przechodzi przez komponent do linii przesyłowej po drugiej stronie. Moc, która wychodzi z komponentu, nazywana jest mocą przesyłanąi jest mniejsza niż moc incydentu z dwóch powodów:
① Część sygnału zostaje odbita.
② Komponent pochłania część sygnału.
Podsumowując, tłumienie wtrąceniowe wyrażamy w decybelach i jest to stosunek mocy padającej do mocy transmitowanej. Ponadto możemy podsumować tę stratę zwrotną, którą również wyrażamy w decybelach, to stosunek mocy padającej do mocy odbitej. Dlatego możemy zobaczyć, w jaki sposób dwa typy parametrów pomiaru strat pomagają dokładnie zmierzyć ogólną wydajność mierzalnego sygnału i komponentu w systemie lub na ścieżce przelotowej.
W dzisiejszych praktykach elektronicznych, pod względem użytkowania, strata odbicia jest lepsza niż SWR, ponieważ zapewnia lepszą rozdzielczość dla mniejszych wartości fal odbitych.
3) Co to jest dopasowywanie impedancji
Dopasowanie impedancji to projektowanie źródła i impedancje obciążenia aby zminimalizować odbicie sygnału lub zmaksymalizować transfer mocy. W obwodach prądu stałego źródło i obciążenie powinny być równe. W obwodach prądu przemiennego źródło powinno być równe obciążeniu lub złożonemu sprzężeniu obciążenia, w zależności od celu. Impedancja (Z) jest miarą opozycji do przepływu elektrycznego, która jest wartością zespoloną, w której część rzeczywistą definiuje się jako opór (R), a część urojoną nazywamy reaktancją (X). Równanie impedancji jest zatem z definicji Z = R + jX, gdzie j jest jednostką urojoną. W systemach prądu stałego reaktancja wynosi zero, więc impedancja jest taka sama jak rezystancja.
3. Co to jest VSWR (współczynnik fali stojącej napięcia)
1) Jakie jest znaczenie VSWR
Współczynnik fali stojącej napięcia (VSWR) to wskazanie wielkości niedopasowania między anteną a podłączonym do niej przewodem zasilającym. (Kliknij tutaj aby wybrać nasze produkty antenowe) Jest to również znane jako współczynnik fali stojącej (SWR). Zakres wartości VSWR wynosi od 1 do ∞. Uwzględniono wartość VSWR poniżej 2 odpowiedni do większości zastosowań antenowych. Antena może być opisana jako posiadająca „dobre dopasowanie”. Kiedy więc ktoś mówi, że antena jest źle dopasowana, bardzo często oznacza to, że wartość VSWR przekracza 2 dla interesującej nas częstotliwości. Utrata zwrotu jest kolejną interesującą specyfikacją i jest omówiona bardziej szczegółowo w sekcji Teoria anten. Powszechnie wymagana konwersja dotyczy strat zwrotnych i VSWR, a niektóre wartości są zestawione w tabeli na wykresie wraz z wykresem tych wartości w celu szybkiego odniesienia.
Zróbmy krótki film o VSWR!
2) czynniki Wpływa na VSWR
· Częstotliwość
· Uziemienie anteny
· W pobliżu metalowe przedmioty
· Rodzaj konstrukcji anteny
· Temperatura
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR to pojęcie, czyli współczynnik fali stojącej. VSWR to właściwie sposób, w jaki dokonujesz pomiaru, mierząc napięcia w celu określenia SWR. Możesz również zmierzyć SWR, mierząc prądy lub nawet moc (ISWR i PSWR). Ale w większości zamiarów i celów, kiedy ktoś mówi SWR, ma na myśli VSWR, w zwykłej rozmowie są one wymienne.
· SWR: SWR oznacza współczynnik fali stojącej. Opisuje fale stojące napięcia i prądu pojawiające się na linii. Jest to ogólny opis fal stojących zarówno prądu, jak i napięcia. Jest często używany w połączeniu z miernikami używanymi do wykrywania współczynnika fali stojącej. Zarówno prąd, jak i napięcie rosną i maleją w tej samej proporcji dla danego niedopasowania. · VSWR: VSWR lub współczynnik fali stojącej napięcia odnosi się w szczególności do fal stojących napięcia, które są ustawione na linii zasilającej lub przesyłowej. Ponieważ łatwiej jest wykryć fale stojące napięcia, aw wielu przypadkach napięcia są ważniejsze z punktu widzenia awarii urządzenia, często używa się terminu VSWR, szczególnie w obszarach projektowania RF.
W większości praktycznych celów ISWR jest tym samym, co VSWR. W idealnych warunkach napięcie RF na linii przesyłowej sygnału jest takie samo we wszystkich punktach linii, pomijając straty mocy spowodowane oporem elektrycznym w przewodach linii i niedoskonałościami w materiale dielektrycznym oddzielającym przewody linii. Idealny VSWR to zatem 1: 1. (Często wartość SWR jest zapisywana po prostu jako pierwsza liczba lub licznik stosunku, ponieważ druga liczba lub mianownik to zawsze 1.) Kiedy VSWR wynosi 1, ISWR również wynosi 1. Ten optymalny warunek może istnieją tylko wtedy, gdy obciążenie (takie jak antena lub odbiornik bezprzewodowy), do którego dostarczana jest moc RF, ma impedancję identyczną z impedancją linii transmisyjnej. Oznacza to, że rezystancja obciążenia musi być taka sama jak impedancja charakterystyczna linii przesyłowej, a obciążenie nie może zawierać reaktancji (to znaczy, że obciążenie nie może mieć indukcyjności ani pojemności). W każdej innej sytuacji napięcie i prąd zmieniają się w różnych punktach wzdłuż linii, a SWR nie wynosi 1.
4. Jak VSWR wpływa na wydajność w systemie przesyłowym
Istnieje wiele sposobów, w jakie VSWR wpływa na działanie systemu transmisyjnego lub dowolnego systemu, który może wykorzystywać częstotliwości radiowe i identyczne impedancje. Chociaż VSWR jest używany normalnie, zarówno fale napięcia, jak i prądu mogą powodować problemy.
· Wzmacniacze mocy nadajnika mogą ulec uszkodzeniu: Zwiększone poziomy napięcia i prądu widoczne na zasilaczu w wyniku fal stojących mogą uszkodzić tranzystory wyjściowe nadajnika. Urządzenia półprzewodnikowe są bardzo niezawodne, jeśli działają w określonych granicach, ale fale stojące napięcia i prądu na podajniku mogą spowodować katastrofalne uszkodzenia, jeśli spowodują pracę urządzenia poza ich granicami.
· Ochrona PA zmniejsza moc wyjściową: Ze względu na bardzo realne niebezpieczeństwo wysokiego poziomu SWR powodującego uszkodzenie wzmacniacza mocy, wiele nadajników zawiera obwód zabezpieczający, który zmniejsza moc wyjściową nadajnika, gdy wzrasta SWR. Oznacza to, że słabe dopasowanie między podajnikiem a anteną spowoduje wysoki WFS, co powoduje zmniejszenie mocy wyjściowej, a tym samym znaczną utratę mocy nadawanej.
· Wysokie poziomy napięcia i prądu mogą uszkodzić podajnik: Jest możliwe, że wysokie poziomy napięcia i prądu spowodowane wysokim współczynnikiem fali stojącej mogą spowodować uszkodzenie podajnika. Chociaż w większości przypadków zasilacze będą działały dobrze w ich granicach i powinno być możliwe uwzględnienie podwojenia napięcia i prądu, istnieją pewne okoliczności, w których może dojść do uszkodzenia. Aktualne wartości maksymalne mogą powodować nadmierne lokalne ogrzewanie, które może zniekształcić lub stopić zastosowane tworzywa sztuczne, a wysokie napięcia są znane z tego, że w niektórych okolicznościach powodują wyładowania łukowe.
· Opóźnienia spowodowane odbiciami mogą powodować zniekształcenia: Gdy sygnał jest odbity przez niedopasowanie, jest odbijany z powrotem w kierunku źródła, a następnie może być ponownie odbity z powrotem w kierunku anteny. Wprowadzane jest opóźnienie równe dwukrotności czasu transmisji sygnału wzdłuż podajnika. Jeśli przesyłane są dane, może to powodować interferencje między symbolami, aw innym przykładzie, w którym transmitowano telewizję analogową, zaobserwowano „widmo” obrazu.
· Redukcja sygnału w porównaniu z idealnie dopasowanym systemem: Co ciekawe, utrata poziomu sygnału spowodowana słabym VSWR nie jest tak duża, jak niektórzy mogą sobie wyobrazić. Każdy sygnał odbity przez ładunek jest odbijany z powrotem do nadajnika, a ponieważ dopasowanie w nadajniku może umożliwić ponowne odbicie sygnału z powrotem do anteny, poniesione straty są zasadniczo tymi, które są wprowadzane przez podajnik. Dla porównania, 30-metrowy kabel koncentryczny RG213 z utratą około 1.5 dB przy 30 MHz będzie oznaczać, że antena pracująca z VSWR przy tej częstotliwości będzie dawała stratę tylko nieco ponad 1 dB w porównaniu z doskonale dopasowaną anteną.
Do pomiaru współczynnika fali stojącej można zastosować wiele różnych metod. Najbardziej intuicyjna metoda używa linii szczelinowej który jest odcinkiem linii transmisyjnej z otwartą szczeliną, która umożliwia sondzie wykrycie rzeczywistego napięcia w różnych punktach wzdłuż linii. W ten sposób można bezpośrednio porównać wartości maksymalne i minimalne. Ta metoda jest stosowana na częstotliwościach VHF i wyższych. Przy niższych częstotliwościach takie linie są niepraktycznie długie. Sprzęgacze kierunkowe mogą być używane w zakresie HF poprzez częstotliwości mikrofalowe. Niektóre mają długość ćwierćfalową lub dłuższą, co ogranicza ich użycie do wyższych częstotliwości. Inne typy sprzęgaczy kierunkowych próbkują prąd i napięcie w jednym punkcie ścieżki transmisji i matematycznie łączą je w taki sposób, aby reprezentować moc płynącą w jednym kierunku. Powszechny typ miernika SWR / miernika mocy używany w amatorskich zastosowaniach może zawierać sprzęgacz dwukierunkowy. Inne typy wykorzystują pojedynczy łącznik, który można obracać o 180 stopni w celu próbkowania mocy przepływającej w dowolnym kierunku. Sprzęgacze jednokierunkowe tego typu są dostępne dla wielu zakresów częstotliwości i poziomów mocy oraz z odpowiednimi wartościami sprzężenia dla zastosowanego miernika analogowego.
Linia szczelinowa
Moc do przodu i odbitą mierzone przez sprzęgacze kierunkowe można wykorzystać do obliczenia WFS. Obliczenia mogą być wykonywane matematycznie w formie analogowej lub cyfrowej lub przy użyciu metod graficznych wbudowanych w miernik jako dodatkowa skala lub poprzez odczyt z punktu przecięcia się dwóch igieł tego samego miernika.
Powyższe przyrządy pomiarowe mogą być używane „w linii”, tzn. Pełna moc przetwornika może przepływać przez urządzenie pomiarowe, aby umożliwić ciągłe monitorowanie SWR. Inne przyrządy, takie jak analizatory sieci, kierunkowe sprzęgacze małej mocy i mostki antenowe używają małej mocy do pomiaru i muszą być podłączone zamiast nadajnika. Obwody mostkowe mogą być używane do bezpośredniego pomiaru rzeczywistych i urojonych części impedancji obciążenia oraz do wykorzystywania tych wartości do wyznaczania SWR. Metody te mogą dostarczyć więcej informacji niż tylko SWR lub moc do przodu i odbitej. Samodzielne analizatory antenowe wykorzystują różne metody pomiarowe i mogą wyświetlać SWR i inne parametry wykreślone w funkcji częstotliwości. Używając sprzęgaczy kierunkowych i mostka w połączeniu, możliwe jest wykonanie przyrządu liniowego, który odczytuje bezpośrednio w złożonej impedancji lub w SWR. Dostępne są również samodzielne analizatory antenowe, które mierzą wiele parametrów.
Miernik mocy
UWAGA: Jeśli odczyt SWR jest poniżej 1, masz problem. Możesz mieć zły miernik SWR, coś jest nie tak z anteną lub połączeniem antenowym lub możliwe, że masz uszkodzone lub wadliwe radio.
Gdy transmitowana fala uderza w granicę, taką jak ta między bezstratną linią przesyłową a obciążeniem (rysunek 1), część energii zostanie przekazana do obciążenia, a część zostanie odbita. Współczynnik odbicia odnosi fale przychodzące i odbite jako:
= V-/V+ (Równ. 1)
Gdzie V- to fala odbita, a V + to fala nadchodząca. VSWR jest związany z wielkością współczynnika odbicia napięcia (Γ) przez:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Równanie 2)
Rysunek 1. Obwód linii przesyłowej ilustrujący granicę niedopasowania impedancji między linią przesyłową a obciążeniem. Odbicia pojawiają się na granicy wyznaczonej przez Γ. Fala padająca to V +, a fala odblaskowa to V-.
VSWR można mierzyć bezpośrednio za pomocą miernika SWR. Do pomiaru współczynników odbicia portu wejściowego (S11) i portu wyjściowego (S22) można użyć przyrządu testowego RF, takiego jak wektorowy analizator sieci (VNA). S11 i S22 są równoważne Γ odpowiednio na porcie wejściowym i wyjściowym. VNA z trybami matematycznymi mogą również bezpośrednio obliczać i wyświetlać wynikową wartość VSWR.
Stratę powrotną na portach wejściowych i wyjściowych można obliczyć ze współczynnika odbicia, S11 lub S22, w następujący sposób:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (równanie 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (równanie 4)
Współczynnik odbicia oblicza się z impedancji charakterystycznej linii przesyłowej i impedancji obciążenia w następujący sposób:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (Równanie 5)
Gdzie ZL to impedancja obciążenia, a ZO to impedancja charakterystyczna linii przesyłowej (rysunek 1).
VSWR można również wyrazić w kategoriach ZL i ZO. Podstawiając równanie 5 do równania 2, otrzymujemy:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Dla ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
W związku z tym:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Równ. 7)
Zauważyliśmy powyżej, że VSWR jest specyfikacją podaną w formie stosunku w stosunku do 1, jako przykład 1.5: 1. Istnieją dwa specjalne przypadki VSWR, ∞: 1 i 1: 1. Stosunek nieskończoności do jednego występuje, gdy obciążenie jest obwodem otwartym. Stosunek 1: 1 występuje, gdy obciążenie jest idealnie dopasowane do impedancji charakterystycznej linii przesyłowej.
VSWR jest definiowany na podstawie fali stojącej, która powstaje na samej linii przesyłowej przez:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Równ. 8)
Gdzie VMAX to maksymalna amplituda, a VMIN to minimalna amplituda fali stojącej. W przypadku dwóch narzuconych fal maksimum występuje przy konstruktywnej interferencji między falami przychodzącymi i odbijanymi. A zatem:
VMAX = V + + V- (równanie 9)
dla maksymalnej konstruktywnej ingerencji. Minimalna amplituda występuje przy interferencji dekonstrukcyjnej lub:
VMIN = V + - V- (równanie 10)
Podstawianie równań 9 i 10 do równań wydajności 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (Równanie 11)
Gdy fala elektryczna przechodzi przez różne części systemu antenowego (odbiornik, przewód zasilający, antena, wolna przestrzeń), może napotkać różnice w impedancjach. Na każdym interfejsie pewna część energii fali odbija się z powrotem do źródła, tworząc falę stojącą w linii zasilającej. Stosunek mocy maksymalnej do mocy minimalnej na fali można zmierzyć i nazywa się go współczynnikiem fali stojącej napięcia (VSWR). VSWR poniżej 1.5: 1 jest idealny, VSWR 2: 1 jest uważany za marginalnie akceptowalny w zastosowaniach o małej mocy, gdzie strata mocy jest bardziej krytyczna, chociaż VSWR tak wysoki jak 6: 1 może nadal być użyteczny z odpowiednim ekwipunek. Na wypadek, gdybyście nie przejmowali się równaniami matematycznymi, oto mała tabela „ściągawki”, która pomoże zrozumieć korelację VSWR z procentem mocy odbitej, która powróci.
VSWR
Zwrócona moc
(przybliżony)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. co powoduje wysoki VSWR?
Jeśli VSWR jest zbyt wysoki, potencjalnie może być zbyt dużo energii odbijanej z powrotem do wzmacniacza mocy, powodując uszkodzenie obwodów wewnętrznych. W idealnym systemie byłoby VSWR 1: 1. Przyczyną wysokiego współczynnika VSWR może być użycie niewłaściwego obciążenia lub coś nieznanego, na przykład uszkodzona linia transmisyjna.
