Co je poměr napětí a stálých vln? Jak vypočítat VSWR?
„VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), je měřítkem toho, jak efektivně je vysokofrekvenční energie přenášena ze zdroje energie, přes přenosové vedení, do zátěže (například ze zesilovače výkonu přes přenosové vedení, na anténu) ). “ Toto je koncept VSWR. Více o VSWR, jako jsou ovlivňující faktory VSWR, dopad na přenosovou soustavu, rozdíl oproti SWR atd. Tento článek vám může poskytnout podrobné vysvětlení.
Podle Wikipedie je poměr stojatých vln (SWR) definován jako:
"míra impedančního přizpůsobení zátěží charakteristické impedanci přenosového vedení nebo vlnovodu. Nesoulady impedance mají za následek stojaté vlny podél přenosového vedení a SWR je definován jako poměr amplitudy částečné stojaté vlny při antinodě (maximum) k amplituda v uzlu (minimální) podél čáry. "
SWR se obvykle měří pomocí speciálního nástroje zvaného an SWR metr. Vzhledem k tomu, že SWR je měřítkem impedance zátěže ve vztahu k charakteristické impedanci používaného přenosového vedení (které společně určují koeficient odrazu, jak je popsáno níže), může daný měřič SWR interpretovat impedanci, kterou vidí, ve smyslu SWR, pouze pokud má byly navrženy pro konkrétní charakteristickou impedanci. V praxi je většina přenosových vedení používaných v těchto aplikacích koaxiální kabel s impedancí 50 nebo 75 ohmů, takže většina měřičů SWR odpovídá jednomu z nich.
Kontrola SWR je u rozhlasové stanice standardním postupem. Ačkoli stejné informace lze získat měřením impedance zátěže pomocí analyzátoru impedance (nebo „impedančního můstku“), je měřič SWR pro tento účel jednodušší a robustnější. Měřením velikosti nesouladu impedance na výstupu vysílače odhaluje problémy způsobené buď anténou nebo přenosovým vedením.
Mimochodem, pokud si myslíte, že jste nikdy nezažili stojatou vlnu osobně, je to velmi nepravděpodobné. Stálé vlny v mikrovlnné troubě jsou důvodem, proč se jídlo vaří nerovnoměrně (otočný talíř je částečným řešením tohoto problému). Vlnová délka signálu 2.45 GHz je asi 12 centimetrů nebo asi pět palců. Nuly v záření (a ohřevu) budou odděleny ve vzdálenosti podobné vlnové délce.
Koeficient odrazu je a parametr který popisuje, kolik elektromagnetické vlny se odráží od impedanční diskontinuity v přenosovém médiu, což se rovná poměru amplitudy odražené vlny k dopadající vlně. Koeficient odrazu je velmi užitečná kvalita při určování VSWR nebo zkoumání shody mezi například podavačem a zatížením. Řecké písmeno Γ se obvykle používá pro koeficient odrazu, i když σ je také často vidět.
Koeficient odrazu
Pomocí základní definice koeficientu odrazu lze vypočítat ze znalosti incident a odražené napětí.
Kde:
Γ = koeficient odrazu
Vref = odražené napětí
Vfwd = dopředné napětí
2) Ztráta zpátečky a ztráta reserce
Návrat ztráty je ztráta signálu v důsledku odrazu nebo návratu signálu diskontinuitou ve vláknově optickém spoji nebo přenosovém vedení a jeho jednotka vyjádření je také v decibelech (dBs). Tento nesoulad impedance může být se zařízením vloženým do vedení nebo s ukončovací zátěží. Návratová ztráta je navíc vztah mezi koeficientem odrazu (Γ) a poměrem stojatých vln (SWR) a je vždy kladným číslem a vysoká návratová ztráta je příznivým parametrem měření a obvykle koreluje s nízkým vložením ztráta. Mimochodem, pokud zvýšíte ztrátu návratnosti, bude to korelovat s nižším SWR.
Ztráta signálu, která dochází po délce odkazu z optických vláken, se nazývá vložná ztráta. Ztráta vložení je však přirozeným jevem, ke kterému dochází u všech typů přenosů, ať už datových nebo elektrických. Dále, jak je to v podstatě se všemi fyzickými přenosovými linkami nebo vodivými cestami, čím delší je cesta, tím vyšší je ztráta. Kromě toho k těmto ztrátám dochází také v každém spojovacím bodě podél linky, včetně spojů a konektorů. Tento konkrétní parametr měření je vyjádřen v decibelech a měl by vždy představovat kladné číslo. Nemělo by to však vždy znamenat, a pokud je to náhodou záporné, nejedná se o příznivý parametr měření. V některých případech se ztráta vložení může jevit jako záporné měření parametrů.
Ztráta z vrácení a ztráta z vložení
Prozkoumejme tedy výše uvedený diagram podrobně, abychom mohli lépe porozumět tomu, jak interakční ztráta a ztráta návratu interagují. Jak vidíte, dopadající síla cestuje po přenosovém vedení zleva, dokud nedosáhne komponenty. Jakmile dosáhne komponenty, část signálu se odráží zpět dolů po přenosové lince směrem ke zdroji, ze kterého vycházel. Pamatujte také, že tato část signálu nevstupuje do komponenty.
Zbytek signálu skutečně vstupuje do komponenty. Tam se část absorbuje a zbytek prochází komponentou do přenosového vedení na druhé straně. Síla, která vychází z komponenty, se nazývá přenášený výkon, a je menší než dopadající síla ze dvou důvodů:
① Část signálu se odrazí.
② Komponenta absorbuje část signálu.
Souhrnně tedy vyjádříme útlum vložení v decibelech a je to poměr dopadajícího výkonu k přenášenému výkonu. Dále můžeme shrnout, že ztráta návratnosti, kterou také vyjadřujeme v decibelech, je poměr dopadající síly k odražené síle. Proto můžeme vidět, jak dva typy parametrů měření ztrát pomáhají přesně měřit celkovou účinnost měřitelného signálu a komponenty v systému nebo v průchozí cestě.
V dnešních praktikách elektroniky je z hlediska použití výhodnější ztráta návratnosti než SWR, protože poskytuje lepší rozlišení pro menší hodnoty odražených vln.
3) Co je Impedence Matching
Impedanční shoda je projektování zdroje a zatěžovací impedance minimalizovat odraz signálu nebo maximalizovat přenos energie. Ve stejnosměrných obvodech by zdroj a zátěž měly být stejné. V střídavých obvodech by se měl zdroj podle zátěže rovnat zátěži nebo složité konjugaci zátěže. Impedance (Z) je míra opozice vůči elektrickému toku, což je komplexní hodnota, přičemž skutečná část je definována jako odpor (R) a imaginární část se nazývá reaktance (X). Rovnice pro impedanci je pak podle definice Z = R + jX, kde j je imaginární jednotka. Ve stejnosměrných systémech je reaktance nulová, takže impedance je stejná jako odpor.
Poměr stojatých vln napětí (VSWR) je údaj o množství nesouladu mezi anténou a napájecím vedením k ní připojeným. (Klikněte.) zde vybrat naše anténní produkty) Toto se také nazývá Standing Wave Ratio (SWR). Rozsah hodnot pro VSWR je od 1 do ∞. Je brána v úvahu hodnota VSWR pod 2 vhodný pro většinu anténních aplikací. Anténu lze popsat jako „dobrou shodu“. Takže když někdo říká, že anténa je špatně sladěna, velmi často to znamená, že hodnota VSWR přesahuje 2 pro sledovanou frekvenci. Ztráta návratnosti je další specifikací zájmu a je podrobněji popsána v části Teorie antény. Běžně požadovaná konverze je mezi návratovou ztrátou a VSWR a některé hodnoty jsou uvedeny v tabulce, spolu s grafem těchto hodnot pro rychlou referenci.
Pojďme si rychle prohlédnout video o VSWR!
2) faktory Ovlivňuje VSWR
· Frekvence
· Anténa zem
· V blízkosti kovové předměty
· Typ konstrukce antény
· teplota
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR je koncept, tj. Poměr stojatých vln. VSWR je vlastně způsob, jakým provádíte měření, měřením napětí k určení SWR. Můžete také měřit SWR měřením proudů nebo dokonce výkonu (ISWR a PSWR). Ale pro většinu záměrů a účelů, když někdo říká SWR, znamená to VSWR, v běžné konverzaci jsou zaměnitelné.
· SWR: SWR znamená poměr stojatých vln. Popisuje stojaté vlny napětí a proudu, které se objevují na vedení. Jedná se o obecný popis proudových i napěťových stojatých vln. Často se používá ve spojení s měřiči používanými k detekci poměru stojatých vln. Proud i napětí rostou a klesají o stejný poměr pro daný nesoulad. · PSV: Poměr VSWR nebo napěťových stojatých vln platí konkrétně pro napěťové stojaté vlny, které jsou nastaveny na napájecím nebo přenosovém vedení. Protože je snazší detekovat stojaté vlny napětí a v mnoha případech jsou napětí důležitější z hlediska poruchy zařízení, často se používá pojem VSWR, zejména v oblastech návrhu RF.
Pro většinu praktických účelů je ISWR stejný jako VSWR. Za ideálních podmínek je vysokofrekvenční napětí na přenosovém vedení signálu ve všech bodech vedení stejné, zanedbávají se ztráty energie způsobené elektrickým odporem v drátech vedení a nedokonalostmi v dielektrickém materiálu oddělujícím vodiče vedení. Ideální VSWR je tedy 1: 1. (Hodnota SWR se často zapisuje jednoduše pomocí prvního čísla nebo čitatele poměru, protože druhé číslo nebo jmenovatel je vždy 1.) Když je VSWR 1, ISWR je také 1. Tato optimální podmínka může být existují pouze v případě, že zátěž (například anténa nebo bezdrátový přijímač), do které je dodáván vysokofrekvenční výkon, má impedanci shodnou s impedancí přenosového vedení. To znamená, že odpor zátěže musí být stejný jako charakteristická impedance přenosového vedení a zátěž nesmí obsahovat žádnou reaktanci (to znamená, že zátěž musí být bez indukčnosti nebo kapacity). V jakékoli jiné situaci napětí a proud kolísají v různých bodech podél čáry, a SWR není 1.
Existuje mnoho způsobů, jak VSWR ovlivňuje výkon přenosového systému nebo jakéhokoli systému, který může používat rádiové frekvence a identické impedance. Přestože se VSWR používá normálně, mohou způsobit problémy napěťové i proudové vlny.
· Mohou být poškozeny výkonové zesilovače vysílače: Zvýšené úrovně napětí a proudu pozorované na podavači v důsledku stojatých vln mohou poškodit výstupní tranzistory vysílače. Polovodičová zařízení jsou velmi spolehlivá, pokud jsou provozována ve stanovených mezích, ale stojaté vlny napětí a proudu na napáječi mohou způsobit katastrofické poškození, pokud způsobí, že zařízení bude fungovat mimo jejich meze.
· Ochrana PA snižuje výstupní výkon: Vzhledem k velmi reálnému nebezpečí vysokých úrovní SWR, které způsobují poškození výkonového zesilovače, obsahuje mnoho vysílačů ochranné obvody, které snižují výstup z vysílače, jak SWR stoupá. To znamená, že špatná shoda mezi podavačem a anténou bude mít za následek vysokou SWR, která způsobí snížení výstupu a tím i významnou ztrátu přenášeného výkonu.
· Vysoké napětí a proud mohou poškodit podavač: Je možné, že vysoké úrovně napětí a proudu způsobené vysokým poměrem stojatých vln mohou způsobit poškození napájecího zdroje. I když ve většině případů budou napáječe provozovány v rámci svých mezí a zdvojnásobení napětí a proudu by mělo být možné vyrovnat, mohou nastat určité okolnosti, kdy může dojít k poškození. Současná maxima mohou způsobit nadměrné místní zahřívání, které by mohlo narušit nebo roztavit použité plasty, a je známo, že vysoké napětí za určitých okolností způsobuje vznik elektrického oblouku.
· Zpoždění způsobená odrazy mohou způsobit zkreslení: Když se signál neodpovídá nesouladem, odráží se zpět ke zdroji a poté se může zpětně odrážet zpět k anténě. Zavádí se zpoždění rovnající se dvojnásobku doby přenosu signálu podél podavače. Pokud se přenáší data, může to způsobit interference mezi symboly a v jiném příkladu, kde se přenáší analogová televize, byl viděn „duchový“ obraz.
· Snížení signálu ve srovnání s dokonale shodným systémem: Je zajímavé, že ztráta úrovně signálu způsobená špatným VSWR není zdaleka tak velká, jak si někteří mohou představovat. Jakýkoli signál odražený od zátěže se odráží zpět do vysílače a protože přizpůsobení ve vysílači může umožnit opětovné odražení signálu zpět do antény, vzniklé ztráty jsou v zásadě ztráty způsobené podavačem. Jako vodítko bude 30 metrů dlouhý koaxiální kabel RG213 se ztrátou kolem 1.5 dB na 30 MHz znamenat, že anténa pracující s VSWR způsobí při této frekvenci ztrátu jen něco málo přes 1 dB ve srovnání s dokonale sladěnou anténou.
K měření poměru stojatých vln lze použít mnoho různých metod. Nejintuitivnější metoda používá štěrbinovou čáru což je část přenosového vedení s otevřenou drážkou, která umožňuje sondě detekovat skutečné napětí v různých bodech vedení. Maximální a minimální hodnoty lze tedy přímo porovnat. Tato metoda se používá při VHF a vyšších frekvencích. Na nižších frekvencích jsou takové linky neprakticky dlouhé. Směrové vazební členy lze použít při vysokofrekvenčních vlnách prostřednictvím mikrovlnných frekvencí. Některé mají délku čtvrt vlny nebo více, což omezuje jejich použití na vyšší frekvence. Jiné typy směrových vazebních členů vzorkují proud a napětí v jednom bodě přenosové cesty a matematicky je kombinují takovým způsobem, aby představovaly energii tekoucí v jednom směru. Běžný typ měřiče SWR / výkonu používaný v amatérském provozu může obsahovat dvousměrný vazební člen. Jiné typy používají jediný vazební člen, který lze otočit o 180 stupňů, aby odebíral energii proudící v obou směrech. Jednosměrné vazební členy tohoto typu jsou k dispozici pro mnoho frekvenčních rozsahů a úrovní výkonu as příslušnými hodnotami vazeb pro použitý analogový měřič.
Drážkovaná čára
Dopředný a odražený výkon měřený směrovými vazebními členy lze použít k výpočtu SWR. Výpočty lze provádět matematicky v analogové nebo digitální formě nebo pomocí grafických metod zabudovaných do měřicího přístroje jako další stupnice nebo odečtem z místa křížení mezi dvěma jehlami na stejném měřicím přístroji.
Výše uvedené měřicí přístroje lze použít „in line“, to znamená, že plný výkon vysílače může procházet měřicím zařízením tak, aby umožňoval nepřetržité monitorování SWR. Jiné přístroje, jako jsou síťové analyzátory, nízkonapěťové směrové vazební členy a anténní můstky, používají pro měření nízký výkon a musí být připojeny místo vysílače. Můstkové obvody lze použít k přímému měření skutečné a imaginární části impedance zátěže ak použití těchto hodnot k odvození SWR. Tyto metody mohou poskytnout více informací než jen SWR nebo dopředný a odražený výkon. Samostatné anténní analyzátory používají různé měřicí metody a mohou zobrazovat SWR a další parametry vynesené proti frekvenci. Při použití směrových vazebních členů a můstku v kombinaci je možné vytvořit lineární přístroj, který čte přímo se složitou impedancí nebo v SWR. K dispozici jsou také samostatné anténní analyzátory, které měří více parametrů.
Měřič výkonu
POZNÁMKA: Pokud je hodnota SWR nižší než 1, máte problém. Můžete mít špatný měřič SWR, něco v nepořádku s anténou nebo připojením antény, nebo možná máte poškozené nebo vadné rádio.
Když přenášená vlna zasáhne hranici, jako je například hranice mezi bezeztrátovým přenosovým vedením a zátěží (obrázek 1), bude do zátěže přenesena určitá energie a část se odrazí. Koeficient odrazu označuje příchozí a odražené vlny jako:
Γ = V-/V+ (Rov. 1)
Kde V- je odražená vlna a V + je příchozí vlna. VSWR souvisí s velikostí koeficientu odrazu napětí (Γ):
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (rovnice 2)
Obrázek 1. Obvod přenosového vedení ilustrující hranici nesouladu impedance mezi přenosovým vedením a zátěží. Odrazy se vyskytují na hranici označené Γ. Dopadající vlna je V + a reflexní vlna je V-.
VSWR lze měřit přímo pomocí SWR měřiče. K měření koeficientů odrazu vstupního portu (S11) a výstupního portu (S22) lze použít testovací přístroj RF, jako je vektorový síťový analyzátor (VNA). S11 a S22 jsou ekvivalentní Γ na vstupním a výstupním portu. VNA s matematickými režimy mohou také přímo vypočítat a zobrazit výslednou hodnotu VSWR.
Ztráta návratu na vstupních a výstupních portech lze vypočítat z koeficientu odrazu, S11 nebo S22, takto:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (rovnice 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (rovnice 4)
Koeficient odrazu se vypočte z charakteristické impedance přenosového vedení a impedance zátěže takto:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (rovnice 5)
Kde ZL je impedance zátěže a ZO je charakteristická impedance přenosového vedení (obrázek 1).
VSWR lze také vyjádřit jako ZL a ZO. Nahrazením rovnice 5 do rovnice 2 získáme:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Pro ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Proto:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Rovnice 7)
Výše jsme poznamenali, že VSWR je specifikace uvedená ve formě poměru vzhledem k 1, jako příklad 1.5: 1. Existují dva zvláštní případy VSWR: ∞: 1 a 1: 1. Poměr nekonečna k jednomu nastane, když je zátěž otevřeným obvodem. Poměr 1: 1 nastane, když je zátěž dokonale přizpůsobena impedanci přenosové linky.
VSWR je definována ze stojaté vlny, která vzniká na samotné přenosové lince:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Rov. 8)
Kde VMAX je maximální amplituda a VMIN je minimální amplituda stojaté vlny. Se dvěma super-uvalenými vlnami dochází k maximálnímu konstruktivnímu rušení mezi příchozími a odraženými vlnami. Tím pádem:
VMAX = V + + V- (rovnice 9)
pro maximální konstruktivní interference. Minimální amplituda nastává při dekonstrukčním rušení, nebo:
VMIN = V + - V- (rovnice 10)
Nahrazení rovnic 9 a 10 do výnosů rovnice 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (Rov. 11)
Když elektrická vlna prochází různými částmi anténního systému (přijímač, napájecí vedení, anténa, volný prostor), může dojít k rozdílům v impedancích. Na každém rozhraní se určitá část energie vlny odráží zpět ke zdroji a vytvoří stojatou vlnu v přívodním potrubí. Poměr maximálního výkonu k minimálnímu výkonu ve vlně lze měřit a nazývá se poměr napětí stojaté vlny (VSWR). Ideální je VSWR menší než 1.5: 1, VSWR 2: 1 se považuje za okrajově přijatelný v aplikacích s nízkým výkonem, kde je ztráta energie kritičtější, ačkoli VSWR až 6: 1 může být stále použitelný se správným zařízení. V případě, že se nestaráte o matematické rovnice, je zde malá tabulka „cheat sheet“, která vám pomůže pochopit korelaci VSWR s procentem odraženého výkonu, který se vrátí.
PSV
Vrácená síla
(přibližný)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. Co způsobuje vysoké VSWR?
Pokud je VSWR příliš vysoký, může se potenciálně odrážet příliš mnoho energie zpět do výkonového zesilovače, což by způsobilo poškození vnitřních obvodů. V ideálním systému by byla VSWR 1: 1. Příčinou vysokého hodnocení VSWR může být použití nesprávného zatížení nebo něco neznámého, například poškozené přenosové vedení.
