Aký je pomer napätia v stojatej vlne? Ako vypočítať VSWR?
„VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), je miera toho, ako efektívne sa vysokofrekvenčný výkon prenáša zo zdroja energie cez prenosové vedenie do záťaže (napríklad zo zosilňovača výkonu cez prenosové vedenie do antény) ). ““ Toto je koncept VSWR. Viac informácií o VSWR, ako sú ovplyvňujúce faktory VSWR, vplyv na prenosovú sústavu, rozdiel oproti SWR atď. V tomto článku nájdete podrobné vysvetlenie.
Podľa Wikipédie je pomer stojatých vĺn (SWR) definovaný ako:
„miera impedančného prispôsobenia záťaží charakteristickej impedancii prenosového vedenia alebo vlnovodu. Nesúlady impedancie vedú k stojatým vlnám pozdĺž prenosového vedenia a SWR je definované ako pomer amplitúdy čiastočnej stojatej vlny pri antinóde (maximum) k amplitúda v uzle (minimálna) pozdĺž čiary. “
SWR sa zvyčajne meria pomocou špeciálneho prístroja nazývaného Merač SWR. Pretože SWR je mierou impedancie záťaže vo vzťahu k charakteristickej impedancii použitého prenosového vedenia (ktorá spoločne určuje koeficient odrazu, ako je opísané nižšie), môže daný merač SWR interpretovať impedanciu, ktorú vidí, z hľadiska SWR, iba ak má boli navrhnuté pre konkrétnu charakteristickú impedanciu. V praxi väčšina prenosových vedení používaných v týchto aplikáciách predstavuje koaxiálny kábel s impedanciou 50 alebo 75 ohmov, takže väčšina meračov SWR zodpovedá jednému z nich.
Kontrola SWR je štandardným postupom v rádiovej stanici. Aj keď rovnaké informácie možno získať meraním impedancie záťaže pomocou impedančného analyzátora (alebo „impedančného mostíka“), je merač SWR pre tento účel jednoduchší a robustnejší. Meraním veľkosti nesúladu impedancie na výstupe vysielača odhaľuje problémy spôsobené buď anténou, alebo prenosovým vedením.
Mimochodom, ak si myslíte, že ste stojatú vlnu osobne nikdy nezažili, je to veľmi nepravdepodobné. Stojaté vlny v mikrovlnnej rúre sú dôvodom, že sa jedlo varí nerovnomerne (otočný tanier je čiastočným riešením tohto problému). Vlnová dĺžka signálu 2.45 GHz je asi 12 centimetrov alebo asi päť palcov. Nuly v žiarení (a ohreve) budú oddelené vo vzdialenosti podobnej vlnovej dĺžke.
Koeficient odrazu je a parameter ktorý popisuje, koľko elektromagnetickej vlny sa odráža od impedančnej diskontinuity v prenosovom médiu, ktorá sa rovná pomeru amplitúdy odrazenej vlny k dopadajúcej vlne. Koeficient odrazu je veľmi užitočná kvalita pri určovaní VSWR alebo pri skúmaní zhody napríklad medzi podávačom a zaťažením. Pre koeficient odrazu sa zvyčajne používa grécke písmeno Γ, aj keď σ je tiež často viditeľné.
Koeficient odrazu
Pomocou základnej definície koeficientu odrazu je možné ho vypočítať z poznatku incident a odrazené napätie.
kde:
Γ = koeficient odrazu
Vref = odrazené napätie
Vfwd = dopredné napätie
2) Strata pri návrate a strata pri rezervácii
Návrat straty je strata sily signálu v dôsledku odrazu alebo návratu signálu diskontinuitou vo vláknovej optickej linke alebo prenosovom vedení a jej jednotka vyjadrenia je tiež v decibeloch (dBs). Tento nesúlad impedancie môže byť so zariadením vloženým do vedenia alebo s ukončovacím zaťažením. Strata spätného toku je navyše vzťahom medzi koeficientom odrazu (Γ) a pomerom stojatých vĺn (SWR) a je vždy kladným číslom. Vysoká strata návratnosti je priaznivým parametrom merania a zvyčajne koreluje s nízkym vložením. strata. Mimochodom, ak zvýšite stratu návratnosti, bude to súvisieť s nižším SWR.
Strata signálu, ktorá sa vyskytuje po dĺžke spojenia z optických vlákien, sa nazýva vkladacia strata. Strata vloženia je však prirodzeným javom, ku ktorému dochádza pri všetkých druhoch prenosov, či už dátových alebo elektrických. Ďalej, ako je to v zásade u všetkých fyzických prenosových vedení alebo vodivých ciest, čím dlhšia je cesta, tým vyššia je strata. Tieto straty sa navyše vyskytujú aj v každom spojovacom bode pozdĺž vedenia, vrátane spojov a konektorov. Tento konkrétny parameter merania je vyjadrený v decibeloch a mal by vždy predstavovať kladné číslo. To by však nemalo znamenať vždy, a ak je náhodou negatívne, nejde o priaznivý parameter merania. V niektorých prípadoch sa strata vloženia môže javiť ako záporné meranie parametrov.
Strata návratnosti a strata vloženia
Takže poďme preskúmať vyššie uvedený diagram podrobne, aby sme mohli lepšie porozumieť tomu, ako vzájomne pôsobia vložná strata a návratová strata. Ako vidíte, dopadajúca energia cestuje dole prenosovým vedením zľava, kým nedosiahne komponent. Akonáhle dosiahne komponent, časť signálu sa odráža späť nadol po prenosovej linke smerom k zdroju, z ktorého vyšiel. Majte tiež na pamäti, že táto časť signálu nevstupuje do komponentu.
Zvyšok signálu skutočne vstupuje do komponentu. Tam sa časť absorbuje a zvyšok prechádza komponentom do prenosového vedenia na druhej strane. Sila, ktorá vychádza z komponentu, sa nazýva prenášaný výkon, a je menšia ako sila dopadajúceho zásahu, a to z dvoch dôvodov:
① Časť signálu sa odrazí.
② Komponent absorbuje časť signálu.
V súhrne teda vyjadrujeme stratu vloženia v decibeloch a je to pomer dopadajúcej sily k prenášanej. Ďalej môžeme zhrnúť, že návratová strata, ktorú tiež vyjadrujeme v decibeloch, je pomer dopadajúcej sily k odrazenej. Preto vidíme, ako dva typy parametrov merania strát pomáhajú presne merať celkovú účinnosť merateľného signálu a komponentu v systéme alebo v priechodnej ceste.
V dnešných elektronických praktikách je z hľadiska použitia návratnosť straty výhodnejšia ako SWR, pretože poskytuje lepšie rozlíšenie pre menšie hodnoty odrazených vĺn.
3) Čo je to zhoda impedancie
Zhoda impedancie je projektovací zdroj a zaťažovacie impedancie aby sa minimalizoval odraz signálu alebo maximalizoval prenos sily. V jednosmerných obvodoch by zdroj a záťaž mali byť rovnaké. V striedavých obvodoch by sa zdroj mal podľa cieľa rovnať zaťaženiu alebo komplexnej konjugácii zaťaženia. Impedancia (Z) je miera opozície voči elektrickému toku, čo je komplexná hodnota, pričom skutočná časť je definovaná ako odpor (R) a imaginárna časť sa nazýva reaktancia (X). Rovnica pre impedanciu je potom podľa definície Z = R + jX, kde j je imaginárna jednotka. V jednosmerných systémoch je reaktancia nulová, takže impedancia je rovnaká ako odpor.
Pomer stojatých vĺn napätia (VSWR) je údaj o miere nesúladu medzi anténou a napájacím vedením, ktoré je k nej pripojené. (Kliknite tu vybrať si naše anténne produkty) Toto je tiež známe ako Standing Wave Ratio (SWR). Rozsah hodnôt pre VSWR je od 1 do ∞. Zvažuje sa hodnota VSWR pod 2 vhodný pre väčšinu anténnych aplikácií. Anténu možno označiť ako „dobrú zhodu“. Takže keď niekto hovorí, že anténa je zle zosúladená, veľmi často to znamená, že hodnota VSWR presahuje 2 pre záujmovú frekvenciu. Strata návratnosti je ďalšou špecifikáciou záujmu a je podrobnejšie pokrytá v časti Anténna teória. Bežne požadovaná konverzia je medzi stratou návratnosti a VSWR a niektoré hodnoty sú uvedené v tabuľke, spolu s grafom týchto hodnôt pre rýchlu orientáciu.
Poďme si rýchlo prezrieť video o VSWR!
2) Faktory Ovplyvňuje VSWR
· Frekvencia
· Uzemnenie antény
· V blízkosti kovové predmety
· Typ konštrukcie antény
· Teplota
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR je koncept, tj pomer stojatých vĺn. VSWR je vlastne spôsob, akým vykonávate meranie, a to meraním napätia na stanovenie SWR. SWR môžete tiež merať meraním prúdov alebo dokonca výkonu (ISWR a PSWR). Ale pre väčšinu zámerov a účelov, keď niekto povie SWR, znamená to VSWR, v bežnom rozhovore sú zameniteľné.
· SWR: SWR znamená pomer stojatých vĺn. Opisuje stojaté vlny napätia a prúdu, ktoré sa objavujú na linke. Je to všeobecný popis pre prúdové aj napäťové stojaté vlny. Často sa používa v spojení s meračmi používanými na zisťovanie pomeru stojatých vĺn. Prúd aj napätie stúpajú a klesajú v rovnakom pomere pre daný nesúlad. · PSV: Pomer stojatých vĺn VSWR alebo napätia sa vzťahuje konkrétne na stojaté vlny napätia, ktoré sú nastavené na prívodnom alebo prenosovom vedení. Pretože je ľahšie detegovať stojaté vlny napätia a v mnohých prípadoch sú napätia dôležitejšie z hľadiska poruchy prístroja, často sa používa pojem VSWR, najmä v oblastiach návrhu RF.
Z praktických dôvodov je ISWR rovnaká ako VSWR. Za ideálnych podmienok je vysokofrekvenčné napätie na signálnom prenosovom vedení rovnaké vo všetkých bodoch vedenia, čím sa zanedbávajú energetické straty spôsobené elektrickým odporom v linkách a nedokonalosťami v dielektrickom materiáli oddeľujúcom linkové vodiče. Ideálny VSWR je preto 1: 1. (Hodnota SWR sa často píše jednoducho pomocou prvého čísla alebo čitateľa pomeru, pretože druhé číslo alebo menovateľ je vždy 1.) Keď je VSWR 1, ISWR je tiež 1. Táto optimálna podmienka môže byť existujú iba vtedy, keď záťaž (napríklad anténa alebo bezdrôtový prijímač), do ktorej sa dodáva vysokofrekvenčné napájanie, má impedanciu identickú s impedanciou prenosového vedenia. To znamená, že odpor záťaže musí byť rovnaký ako charakteristická impedancia prenosového vedenia a záťaž nesmie obsahovať žiadnu reaktanciu (to znamená, že záťaž musí byť bez indukčnosti alebo kapacity). V akejkoľvek inej situácii napätie a prúd kolíšu v rôznych bodoch pozdĺž čiary, a SWR nie je 1.
Existuje mnoho spôsobov, ako VSWR ovplyvňuje výkon prenosovej sústavy alebo ľubovoľného systému, ktorý môže využívať rádiové frekvencie a identické impedancie. Aj keď sa VSWR používa normálne, napäťové aj prúdové vlny môžu spôsobiť problémy.
· Mohli by sa poškodiť výkonové zosilňovače vysielača: Zvýšená úroveň napätia a prúdu pozorovaná na napájacom zdroji v dôsledku stojatých vĺn môže poškodiť výstupné tranzistory vysielača. Polovodičové zariadenia sú veľmi spoľahlivé, ak sú prevádzkované v ich stanovených medziach, ale stojaté vlny napätia a prúdu na napájacom zdroji môžu spôsobiť katastrofické škody, ak spôsobia, že zariadenie bude fungovať mimo ich hraníc.
· Ochrana PA znižuje výstupný výkon: Z hľadiska skutočného nebezpečenstva vysokých úrovní SWR, ktoré spôsobujú poškodenie výkonového zosilňovača, obsahuje mnoho vysielačov ochranné obvody, ktoré znižujú výkon vysielača pri zvýšení SWR. To znamená, že slabá zhoda medzi podávačom a anténou bude mať za následok vysoké SWR, ktoré spôsobí zníženie výstupu a tým aj výraznú stratu prenášaného výkonu.
· Vysoké napätie a prúd môžu poškodiť napájací zdroj: Je možné, že vysoké úrovne napätia a prúdu spôsobené vysokým pomerom stojatých vĺn môžu spôsobiť poškodenie napájacieho zdroja. Aj keď vo väčšine prípadov budú napájače fungovať v rámci svojich možností a zdvojnásobenie napätia a prúdu by malo byť schopné vyrovnať sa, existujú určité okolnosti, kedy môže dôjsť k poškodeniu. Súčasné maximá môžu spôsobiť nadmerné miestne zahriatie, ktoré by mohlo narušiť alebo roztaviť použité plasty, a je známe, že vysoké napätie za určitých okolností spôsobuje vznik oblúka.
· Oneskorenie spôsobené odrazmi môže spôsobiť skreslenie: Keď je signál odrážaný nesúladom, odráža sa späť k zdroju a potom sa môže odrážať späť späť k anténe. Zavádza sa oneskorenie, ktoré sa rovná dvojnásobku času prenosu signálu pozdĺž podávača. Ak sa prenášajú údaje, môže to spôsobiť interferenciu medzi symbolmi. V inom príklade, keď sa prenáša analógová televízia, bol videný „duchovný“ obraz.
· Zníženie signálu v porovnaní s dokonale zhodným systémom: Je zaujímavé, že strata úrovne signálu spôsobená zlým VSWR nie je ani zďaleka taká veľká, ako si niektorí môžu predstaviť. Akýkoľvek signál odrážaný od záťaže sa odráža späť do vysielača a keďže prispôsobenie vo vysielači môže umožniť opätovné odrazenie signálu späť do antény, vzniknuté straty sú v zásade straty spôsobené privádzačom. Ako vodítko 30 metrov dlhý koaxiálny kábel RG213 so stratou okolo 1.5 dB pri 30 MHz bude znamenať, že anténa pracujúca s VSWR spôsobí pri tejto frekvencii stratu iba niečo málo cez 1 dB v porovnaní s dokonale zladenou anténou.
Na meranie pomeru stojatých vĺn je možné použiť veľa rôznych metód. Najintuitívnejšia metóda používa štrbinovú čiaru čo je časť prenosového vedenia s otvorenou štrbinou, ktorá umožňuje sonde detegovať skutočné napätie v rôznych bodoch vedenia. Maximálnu a minimálnu hodnotu je možné priamo porovnať. Táto metóda sa používa pri VHF a vyšších frekvenciách. Pri nižších frekvenciách sú takéto vedenia neprakticky dlhé. Smerové spojky možno použiť pri vysokofrekvenčných vlnách prostredníctvom mikrovlnných frekvencií. Niektoré majú dĺžku štvrť vlny alebo viac, čo obmedzuje ich použitie na vyššie frekvencie. Iné typy smerových väzobných väzieb vzorkujú prúd a napätie v jednom bode prenosovej cesty a matematicky ich kombinujú tak, aby predstavovali výkon prúdiaci jedným smerom. Bežný typ merača SWR / výkonu používaný v amatérskej prevádzke môže obsahovať dvojsmerný väzobný člen. Iné typy používajú jediný spojovací člen, ktorý je možné otočiť o 180 stupňov, aby sa získala vzorka energie prúdiacej v oboch smeroch. Jednosmerné spojky tohto typu sú k dispozícii pre mnoho frekvenčných rozsahov a úrovní výkonu a s príslušnými hodnotami prepojenia pre použitý analógový merač.
Drážkovaná čiara
Predný a odrazený výkon meraný smerovými väzobnými silami sa môže použiť na výpočet SWR. Výpočty sa môžu robiť matematicky v analógovej alebo digitálnej forme alebo pomocou grafických metód zabudovaných do merača ako dodatočná stupnica alebo odčítaním z bodu kríženia medzi dvoma ihlami na tom istom meradle.
Vyššie uvedené meracie prístroje sa môžu používať „in line“, to znamená, že plný výkon vysielača môže prechádzať cez meracie zariadenie tak, aby umožňoval nepretržité sledovanie SWR. Ostatné prístroje, ako napríklad sieťové analyzátory, smerové spojovacie členy s nízkym výkonom a anténne mostíky, používajú na meranie nízky výkon a musia byť pripojené namiesto vysielača. Mostové obvody možno použiť na priame meranie reálnych a imaginárnych častí impedancie záťaže a na ich použitie na odvodenie SWR. Tieto metódy môžu poskytnúť viac informácií ako len SWR alebo dopredný a odrazený výkon. Samostatné anténne analyzátory používajú rôzne meracie metódy a dokážu zobraziť SWR a ďalšie parametre vynesené proti frekvencii. Použitím kombinovaných smerových väzbových členov a mostíka je možné vytvoriť prístroj v rade, ktorý číta priamo so zložitou impedanciou alebo v SWR. K dispozícii sú aj samostatné anténne analyzátory, ktoré merajú viac parametrov.
Merač výkonu
POZNÁMKA: Ak je váš SWR nižší ako 1, máte problém. Možno máte zlý merač SWR, niečo s anténou alebo pripojením antény nie je v poriadku, alebo je možné, že máte poškodené alebo chybné rádio.
Keď vysielaná vlna zasiahne hranicu, ako je napríklad medzi bezstratovou prenosovou linkou a záťažou (obrázok 1), určitá energia sa prenesie do záťaže a časť sa odrazí. Koeficient odrazu označuje prichádzajúce a odrážané vlny ako:
Γ = V-/V+ (Rovnica 1)
Kde V- je odrazená vlna a V + je prichádzajúca vlna. VSWR súvisí s veľkosťou koeficientu odrazu napätia (Γ):
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (rovnica 2)
Obrázok 1. Obvod prenosového vedenia ilustrujúci hranicu nesúladu impedancie medzi prenosovým vedením a záťažou. Odrazy sa vyskytujú na hranici označenej Γ. Dopadajúca vlna je V + a reflexná vlna je V-.
VSWR je možné merať priamo pomocou SWR metra. Na meranie koeficientov odrazu vstupného portu (S11) a výstupného portu (S22) možno použiť RF testovací prístroj, ako je vektorový sieťový analyzátor (VNA). S11 a S22 sú ekvivalentné Γ na vstupnom a výstupnom porte. VNA s matematickými režimami môžu tiež priamo vypočítať a zobraziť výslednú hodnotu VSWR.
Strata návratnosti na vstupných a výstupných portoch sa môže vypočítať z koeficientu odrazu S11 alebo S22 takto:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (ekv. 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (ekv. 4)
Koeficient odrazu sa vypočíta z charakteristickej impedancie prenosového vedenia a impedancie záťaže takto:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (rovnica 5)
Kde ZL je impedancia záťaže a ZO je charakteristická impedancia prenosového vedenia (obrázok 1).
VSWR možno vyjadriť aj ako ZL a ZO. Nahradením rovnice 5 do rovnice 2 získame:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL-ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Pre ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Z tohto dôvodu:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Rovnica 7)
Vyššie sme poznamenali, že VSWR je špecifikácia uvedená vo forme pomeru vzhľadom na 1, ako príklad 1.5: 1. Existujú dva špeciálne prípady VSWR: ∞: 1 a 1: 1. Pomer nekonečna k jednému nastane, keď je záťaž otvoreným obvodom. Pomer 1: 1 sa vyskytuje, keď je záťaž dokonale prispôsobená charakteristickej impedancii prenosového vedenia.
VSWR je definovaná zo stojatej vlny, ktorá vzniká na samotnej prenosovej linke:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Rov. 8)
Kde VMAX je maximálna amplitúda a VMIN je minimálna amplitúda stojatej vlny. Pri dvoch vysoko uložených vlnách sa maximum dosiahne konštruktívnym rušením medzi prichádzajúcimi a odrazenými vlnami. teda:
VMAX = V + + V- (rovnica 9)
pre maximálne konštruktívne rušenie. Minimálna amplitúda sa vyskytuje pri dekonštruktívnom interferencii alebo:
VMIN = V + - V- (rovnica 10)
Nahradenie rovníc 9 a 10 do výnosov rovnice 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (rovnica 11)
Keď elektrická vlna prechádza rôznymi časťami anténneho systému (prijímač, napájacie vedenie, anténa, voľný priestor), môžu sa vyskytnúť rozdiely v impedanciách. Na každom rozhraní sa určitá časť energie vlny odrazí späť k zdroju a vytvorí stojatú vlnu v napájacom potrubí. Pomer maximálneho výkonu k minimálnemu výkonu vo vlne možno merať a nazýva sa pomer napätia stojatej vlny (VSWR). Ideálna je VSWR menšia ako 1.5: 1, VSWR 2: 1 sa považuje za okrajovo prijateľnú v aplikáciách s nízkym výkonom, kde je strata energie kritickejšia, aj keď s pravou stranou môže byť stále použiteľná VSWR až 6: 1. vybavenie. Len v prípade, že sa nestaráte o matematické rovnice, tu je malá tabuľka „cheat sheet“, ktorá pomáha pochopiť koreláciu VSWR s percentom odrazeného výkonu, ktorý sa vráti.
PSV
Vrátená sila
(Približné)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. Čo spôsobuje vysoké VSWR?
Ak je VSWR príliš vysoký, mohlo by sa potenciálne odraziť príliš veľa energie späť do výkonového zosilňovača a spôsobiť poškodenie vnútorných obvodov. V ideálnom systéme by bola VSWR 1: 1. Príčinou vysokého hodnotenia VSWR môže byť použitie nesprávneho zaťaženia alebo niečoho neznámeho, napríklad poškodené prenosové vedenie.
