Ce este raportul de undă permanentă de tensiune? Cum se calculează VSWR?
„VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), este o măsură a eficienței transmiterii puterii de radiofrecvență de la o sursă de energie, printr-o linie de transmisie, într-o sarcină (de exemplu, de la un amplificator de putere printr-o linie de transmisie, la o antenă ). " Acesta este conceptul VSWR. Mai multe despre VSWR, cum ar fi factorii de influență ai VSWR, impactul asupra sistemului de transmisie, diferența cu SWR etc. Acest articol vă poate oferi o explicație detaliată.
Conform Wikipedia, raportul undei staționare (SWR) definit ca:
"o măsură de potrivire a impedanței sarcinilor cu impedanța caracteristică a unei linii de transmisie sau a unui ghid de undă. Nepotrivirile de impedanță au ca rezultat unde permanente de-a lungul liniei de transmisie, iar SWR este definit ca raportul dintre amplitudinea undei staționare parțiale la un antinod (maxim) la amplitudinea la un nod (minim) de-a lungul liniei. "
SWR este de obicei măsurat folosind un instrument dedicat numit Contor SWR. Deoarece SWR este o măsură a impedanței de sarcină în raport cu impedanța caracteristică a liniei de transmisie utilizate (care împreună determină coeficientul de reflexie descris mai jos), un contor SWR dat poate interpreta impedanța pe care o vede în termeni de SWR numai dacă a fost proiectat pentru acea impedanță caracteristică specială. În practică, majoritatea liniilor de transmisie utilizate în aceste aplicații sunt cabluri coaxiale cu o impedanță de 50 sau 75 ohmi, deci majoritatea contoarelor SWR corespund uneia dintre acestea.
Verificarea SWR este o procedură standard într-un post de radio. Deși aceleași informații ar putea fi obținute prin măsurarea impedanței sarcinii cu un analizor de impedanță (sau „punte de impedanță”), contorul SWR este mai simplu și mai robust în acest scop. Măsurând magnitudinea nepotrivirii impedanței la ieșirea emițătorului, acesta relevă probleme cauzate fie de antenă, fie de linia de transmisie.
Apropo, dacă credeți că nu ați experimentat niciodată un val permanent, este foarte puțin probabil. Valurile staționare într-un cuptor cu microunde sunt motivul pentru care alimentele sunt gătite inegal (platanul este o soluție parțială la această problemă). Lungimea de undă a semnalului de 2.45 GHz este de aproximativ 12 centimetri sau aproximativ cinci inci. Nulurile din radiație (și încălzire) vor fi separate la o distanță similară cu lungimea de undă.
Coeficientul de reflexie este a parametru care descrie cât de multă undă electromagnetică este reflectată de o discontinuitate de impedanță în mediul de transmisie, egal cu raportul dintre amplitudinea undei reflectate și unda incidentă. Coeficientul de reflecție este o calitate foarte utilă la determinarea VSWR sau la investigarea potrivirii dintre, de exemplu, un alimentator și o sarcină. Litera greacă Γ este de obicei utilizată pentru coeficientul de reflexie, deși σ este, de asemenea, adesea văzut.
Coeficient de reflecție
Folosind definiția de bază a coeficientului de reflexie, acesta poate fi calculat dintr-o cunoaștere a incidentele și tensiunile reflectate.
Unde:
Γ = coeficient de reflecție
Vref = tensiunea reflectată
Vfwd = tensiune înainte
2) Pierdere înapoi și pierdere de rezerție
Reveni pierderea este pierderea puterii semnalului datorată reflectării sau revenirii semnalului printr-o discontinuitate într-o legătură de fibră optică sau o linie de transmisie, iar unitatea sa de expresie este, de asemenea, în decibeli (dB). Această nepotrivire a impedanței poate fi cu un dispozitiv introdus în linie sau cu sarcina de terminare. Mai mult, pierderea de revenire este relația dintre coeficientul de reflecție (Γ) și raportul undei staționare (SWR) și este întotdeauna un număr pozitiv, iar o pierdere de revenire ridicată este un parametru de măsurare favorabil și se corelează de obicei cu o inserție scăzută pierderi. De altfel, dacă creșteți pierderea de rentabilitate, aceasta se va corela cu un SWR mai mic.
Pierderea semnalului, care apare de-a lungul unei legături de fibră optică, se numește pierdere de inserție. Pierderea prin inserție este, totuși, o apariție naturală care apare cu toate tipurile de transmisii, indiferent dacă este vorba de date sau electrice. Mai mult, așa cum se întâmplă practic cu toate liniile de transmisie fizică sau căile conductive, cu cât este mai lungă calea, cu atât este mai mare pierderea. Mai mult, aceste pierderi apar și la fiecare punct de conectare de-a lungul liniei, inclusiv îmbinări și conectori. Acest parametru particular de măsurare este exprimat în decibeli și ar trebui să fie întotdeauna un număr pozitiv. Cu toate acestea, ar trebui, nu înseamnă întotdeauna și, dacă întâmplător, este negativ, acesta nu este un parametru de măsurare favorabil. În unele cazuri, o pierdere de inserție poate apărea ca măsurare a parametrilor negativi.
Return Loss & Insertion Loss
Deci, acum, să examinăm în detaliu diagrama de mai sus, astfel încât să putem înțelege mai bine modul în care interacționează pierderea prin inserție și pierderea de revenire. După cum puteți vedea, puterea incidentă parcurge o linie de transmisie de la stânga până ajunge la componentă. Odată ce ajunge la componentă, o porțiune a semnalului este reflectată înapoi pe linia de transmisie spre sursa din care a provenit. De asemenea, rețineți că această porțiune a semnalului nu intră în componentă.
Restul semnalului intră într-adevăr în componentă. Acolo o parte din el este absorbit, iar restul trece prin componentă în linia de transmisie de cealaltă parte. Puterea care iese din componentă se numește putere transmisă, și este mai mică decât puterea incidentă din două motive:
① O parte din semnal se reflectă.
② Componenta absoarbe o parte din semnal.
Deci, pe scurt, exprimăm pierderea de inserție în decibeli și este raportul dintre puterea incidentă și puterea transmisă. Mai mult, putem rezuma că pierderea de rentabilitate, pe care o exprimăm și în decibeli, este raportul dintre puterea incidentă și puterea reflectată. Prin urmare, putem vedea cum cele două tipuri de parametri de măsurare a pierderilor ajută la măsurarea precisă a eficienței globale a unui semnal și a unei componente măsurabile într-un sistem sau într-o cale de trecere.
În practicile electronice de astăzi, în ceea ce privește utilizarea, pierderea de retur este preferabilă SWR, deoarece oferă o rezoluție mai bună pentru valori mai mici ale undelor reflectate.
3) Ce este potrivirea prin impedanță
Potrivirea impedanței este sursa de proiectare și impedanțe de încărcare pentru a minimiza reflexia semnalului sau pentru a maximiza transferul de putere. În circuitele de curent continuu, sursa și sarcina trebuie să fie egale. În circuitele de curent alternativ, sursa trebuie să fie egală cu sarcina sau conjugatul complex al sarcinii, în funcție de obiectiv. Impedanța (Z) este o măsură a opoziției la fluxul electric, care este o valoare complexă, partea reală fiind definită ca rezistență (R), iar partea imaginară se numește reactanța (X). Ecuația pentru impedanță este apoi prin definiție Z = R + jX, unde j este unitatea imaginară. În sistemele de curent continuu, reactanța este zero, deci impedanța este aceeași cu rezistența.
Raportul de undă permanentă de tensiune (VSWR) este o indicație a cantității de nepotrivire între o antenă și linia de alimentare care se conectează la aceasta. (Clic aici pentru a alege produsele noastre de antenă) Acest lucru este, de asemenea, cunoscut sub numele de Standing Wave Ratio (SWR). Gama de valori pentru VSWR este de la 1 la ∞. Se consideră o valoare VSWR sub 2 potrivit pentru majoritatea aplicațiilor de antenă. Antena poate fi descrisă ca având o „potrivire bună”. Deci, atunci când cineva spune că antena este slab potrivită, de foarte multe ori înseamnă că valoarea VSWR depășește 2 pentru o frecvență de interes. Pierderea din profit este o altă specificație a dobânzii și este tratată mai detaliat în secțiunea Teoria antenei. O conversie necesară în mod obișnuit este între pierderea de returnare și VSWR, iar unele valori sunt tabelate în diagramă, împreună cu un grafic al acestor valori pentru referință rapidă.
Să facem o vizionare rapidă a videoclipului despre VSWR!
2) Factori Afectează VSWR
· Frecvență
· Solul antenei
· Obiecte metalice din apropiere
· Tipul construcției antenei
· Temperatura
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR este un concept, adică raportul undei staționare. VSWR este de fapt modul în care efectuați măsurarea, măsurând tensiunile pentru a determina SWR. De asemenea, puteți măsura SWR măsurând curenții sau chiar puterea (ISWR și PSWR). Dar, în majoritatea scopurilor, atunci când cineva spune SWR înseamnă VSWR, în conversația obișnuită sunt interschimbabile.
· SWR: SWR înseamnă raportul undei staționare. Descrie undele staționare de tensiune și curent care apar pe linie. Este o descriere generică atât pentru undele staționare de curent, cât și de tensiune. Este adesea utilizat în asociere cu contoare utilizate pentru a detecta raportul undei staționare. Atât curentul, cât și tensiunea cresc și scad cu aceeași proporție pentru o anumită nepotrivire. · VSWR: VSWR sau raportul undei staționare de tensiune se aplică în mod special undelor staționare de tensiune care sunt configurate pe un alimentator sau pe o linie de transmisie. Deoarece este mai ușor să detectați undele staționare de tensiune și, în multe cazuri, tensiunile sunt mai importante în ceea ce privește defectarea dispozitivului, termenul VSWR este adesea folosit, în special în zonele de proiectare RF.
În cele mai multe scopuri practice, ISWR este același cu VSWR. În condiții ideale, tensiunea RF pe o linie de transmisie a semnalului este aceeași în toate punctele liniei, neglijând pierderile de putere cauzate de rezistența electrică în firele de linie și imperfecțiunile materialului dielectric care separă conductorii de linie. VSWR ideal este, prin urmare, 1: 1. (Adesea valoarea SWR este scrisă pur și simplu în termeni de primul număr sau numărător al raportului deoarece al doilea număr sau numitor este întotdeauna 1.) Când VSWR este 1, ISWR este, de asemenea, 1. Această condiție optimă poate există numai atunci când sarcina (cum ar fi o antenă sau un receptor wireless), în care este livrată puterea RF, are o impedanță identică cu impedanța liniei de transmisie. Aceasta înseamnă că rezistența la sarcină trebuie să fie aceeași cu impedanța caracteristică a liniei de transmisie, iar sarcina nu trebuie să conțină nici o reactanță (adică sarcina trebuie să fie lipsită de inductanță sau capacitate). În orice altă situație, tensiunea și curentul fluctuează în diferite puncte de-a lungul liniei, iar SWR nu este 1.
4. Cum afectează VSWR performanța în sistemul de transmisie
Există multe moduri în care VSWR afectează performanța unui sistem de transmisie sau a oricărui sistem care poate utiliza frecvențe radio și impedanțe identice. Deși VSWR este utilizat în mod normal, atât undele de tensiune, cât și cele de curent pot provoca probleme.
· Amplificatoarele de putere ale emițătorului pot fi deteriorate: Nivelurile crescute de tensiune și curent văzute pe alimentator ca urmare a undelor staționare pot deteriora tranzistoarele de ieșire ale transmițătorului. Dispozitivele semiconductoare sunt foarte fiabile dacă sunt acționate în limitele specificate, dar undele permanente de tensiune și curent de pe alimentator pot provoca daune catastrofale dacă fac ca aparatul să funcționeze în afara limitelor lor.
· Protecția PA reduce puterea de ieșire: Având în vedere pericolul real al nivelurilor SWR ridicate care provoacă daune amplificatorului de putere, multe emițătoare încorporează circuite de protecție care reduc ieșirea de la emițător pe măsură ce SWR crește. Aceasta înseamnă că o potrivire slabă între alimentator și antenă va avea ca rezultat un SWR ridicat, ceea ce face ca ieșirea să fie redusă și, prin urmare, o pierdere semnificativă a puterii transmise.
· Nivelurile de înaltă tensiune și curent pot deteriora alimentatorul: Este posibil ca nivelurile de înaltă tensiune și curent cauzate de raportul de undă în picioare ridicat să poată provoca daune unui alimentator. Deși, în majoritatea cazurilor, alimentatoarele vor funcționa bine în limitele lor, iar dublarea tensiunii și curentului ar trebui să poată fi adaptată, există unele circumstanțe în care pot fi cauzate daune. Maximele curente pot provoca încălzirea locală excesivă, care ar putea distorsiona sau topi materialele plastice utilizate, iar tensiunile înalte sunt cunoscute ca provocând arcuri în unele circumstanțe.
· Întârzierile cauzate de reflexii pot provoca distorsiuni: Când un semnal este reflectat prin nepotrivire, acesta este reflectat înapoi spre sursă și poate fi apoi reflectat din nou spre antenă. Se introduce o întârziere egală cu dublul timpului de transmisie al semnalului de-a lungul alimentatorului. Dacă datele sunt transmise, aceasta poate provoca interferențe între simboluri și, într-un alt exemplu în care se transmitea televiziune analogică, a fost văzută o imagine „fantomă”.
· Reducerea semnalului în comparație cu sistemul de potrivire perfectă: Interesant este că pierderea nivelului semnalului cauzată de un VSWR slab nu este nici pe departe atât de mare pe cât și-ar putea imagina unii. Orice semnal reflectat de sarcină este reflectat înapoi la transmițător și, deoarece potrivirea la transmițător poate permite semnalului să fie reflectat din nou la antenă, pierderile suportate sunt în principal cele introduse de alimentator. Ca un ghid, o lungime de 30 de metri RG213 coaxială cu o pierdere de aproximativ 1.5 dB la 30 MHz va însemna că o antenă care funcționează cu un VSWR va da doar o pierdere de puțin peste 1 dB la această frecvență în comparație cu o antenă perfect potrivită.
Multe metode diferite pot fi utilizate pentru a măsura raportul undei staționare. Cea mai intuitivă metodă utilizează o linie cu fante care este o secțiune a liniei de transmisie cu un slot deschis care permite unei sonde să detecteze tensiunea reală în diferite puncte de-a lungul liniei. Astfel valorile maxime și minime pot fi comparate direct. Această metodă este utilizată la frecvențe VHF și mai mari. La frecvențe mai mici, astfel de linii sunt impracticabile de lungi. Cuplajele direcționale pot fi utilizate la HF prin frecvențe cu microunde. Unele au un sfert de undă sau mai mult, ceea ce le restrânge utilizarea la frecvențe mai mari. Alte tipuri de cuplaje direcționale probează curentul și tensiunea într-un singur punct al căii de transmisie și le combină matematic în așa fel încât să reprezinte puterea care curge într-o singură direcție. Tipul obișnuit de contor SWR / putere utilizat în funcționarea amatorilor poate conține un cuplaj cu două direcții. Alte tipuri utilizează un cuplaj unic care poate fi rotit cu 180 de grade pentru a preleva puterea care curge în ambele direcții. Cuplele unidirecționale de acest tip sunt disponibile pentru mai multe game de frecvențe și niveluri de putere și cu valori de cuplare adecvate pentru contorul analogic utilizat.
Linie slotată
Puterea directă și reflectată măsurată prin cuplaje direcționale poate fi utilizată pentru calcularea SWR. Calculele pot fi realizate matematic în formă analogică sau digitală sau folosind metode grafice încorporate în contor ca o scară suplimentară sau citind din punctul de trecere între două ace pe același contor.
Instrumentele de măsurare de mai sus pot fi utilizate „în linie”, adică întreaga putere a transmițătorului poate trece prin dispozitivul de măsurare, astfel încât să permită monitorizarea continuă a SWR. Alte instrumente, cum ar fi analizatoare de rețea, cuplaje direcționale de mică putere și punți de antenă utilizează o putere redusă pentru măsurare și trebuie conectate în locul transmițătorului. Circuitele de punte pot fi utilizate pentru a măsura direct părțile reale și imaginare ale unei impedanțe de încărcare și pentru a utiliza acele valori pentru a obține SWR. Aceste metode pot furniza mai multe informații decât doar SWR sau înainte și puterea reflectată. Analizoarele de antenă independente utilizează diverse metode de măsurare și pot afișa SWR și alți parametri reprezentate în funcție de frecvență. Utilizând cuplaje direcționale și o punte în combinație, este posibil să se realizeze un instrument în linie care citește direct în impedanță complexă sau în SWR. Sunt disponibile, de asemenea, analizoare de antene independente care măsoară mai mulți parametri.
Un contor de putere
NOTĂ: Dacă citirea SWR este sub 1, aveți o problemă. Este posibil să aveți un contor SWR defect, ceva în neregulă cu antena sau conexiunea la antenă sau posibil să aveți un radio deteriorat sau defect.
Când o undă transmisă atinge o graniță, cum ar fi cea dintre linia de transmisie fără pierderi și sarcină (Figura 1), o anumită energie va fi transmisă sarcinii și altele vor fi reflectate. Coeficientul de reflecție se referă la valurile de intrare și reflectate ca:
Γ = V-/V+ (Ec. 1)
Unde V- este unda reflectată și V + este unda de intrare. VSWR este legat de mărimea coeficientului de reflecție a tensiunii (Γ) prin:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (ecuația 2)
Figura 1. Circuitul liniei de transmisie care ilustrează limita de nepotrivire a impedanței dintre linia de transmisie și sarcină. Reflecțiile au loc la limita desemnată de Γ. Unda incidentă este V + iar unda reflectorizantă este V-.
VSWR poate fi măsurat direct cu un contor SWR. Un instrument de testare RF cum ar fi un analizor de rețea vectorială (VNA) poate fi utilizat pentru a măsura coeficienții de reflectare a portului de intrare (S11) și a portului de ieșire (S22). S11 și S22 sunt echivalente cu Γ la portul de intrare și respectiv de ieșire. VNA-urile cu moduri matematice pot calcula și afișa direct valoarea VSWR rezultată.
Pierderea de retur la porturile de intrare și ieșire poate fi calculată din coeficientul de reflecție, S11 sau S22, după cum urmează:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (ec. 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (ec. 4)
Coeficientul de reflexie este calculat din impedanța caracteristică a liniei de transmisie și impedanța de sarcină după cum urmează:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (Ec. 5)
În cazul în care ZL este impedanța de încărcare și ZO este impedanța caracteristică a liniei de transmisie (Figura 1).
VSWR poate fi exprimat și în termeni de ZL și ZO. Substituind ecuația 5 în ecuația 2, obținem:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Pentru ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Prin urmare:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Ec. 7)
Am remarcat mai sus că VSWR este o specificație dată în formă de raport în raport cu 1, ca exemplu 1.5: 1. Există două cazuri speciale de VSWR, ∞: 1 și 1: 1. Un raport între infinit și unul apare atunci când sarcina este un circuit deschis. Un raport 1: 1 apare atunci când sarcina este perfect potrivită cu impedanța caracteristică a liniei de transmisie.
VSWR este definit din unda permanentă care apare pe linia de transmisie în sine prin:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Ec. 8)
În cazul în care VMAX este amplitudinea maximă și VMIN este amplitudinea minimă a undei permanente. Cu două unde super-impuse, maximul apare cu interferențe constructive între undele de intrare și cele reflectate. Prin urmare:
VMAX = V + + V- (ecuația 9)
pentru o interferență constructivă maximă. Amplitudinea minimă apare cu interferențe deconstructive sau:
VMIN = V + - V- (ecuația 10)
Substituirea ecuațiilor 9 și 10 în randamentele ecuației 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (Ec. 11)
Pe măsură ce unda electrică se deplasează prin diferitele părți ale sistemului de antenă (receptor, linie de alimentare, antenă, spațiu liber), aceasta poate întâmpina diferențe de impedanțe. La fiecare interfață, o parte din energia undei se va reflecta înapoi la sursă, formând o undă staționară în linia de alimentare. Raportul dintre puterea maximă și puterea minimă din undă poate fi măsurat și se numește raportul undei staționare de tensiune (VSWR). Un VSWR mai mic de 1.5: 1 este ideal, un VSWR de 2: 1 este considerat a fi marginal acceptabil în aplicațiile cu putere redusă, unde pierderile de energie sunt mai critice, deși un VSWR de până la 6: 1 poate fi încă utilizabil cu dreptul echipament. Doar în cazul în care nu vă pasă de ecuații matematice, iată un mic tabel „trișare” pentru a înțelege corelația VSWR cu procentul de putere reflectată care va reveni.
VSWR
Puterea returnată
(aproximativ)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. Care sunt cauzele VSWR ridicate?
Dacă VSWR este prea ridicat, ar putea exista prea multă energie reflectată înapoi într-un amplificator de putere, provocând daune circuitelor interne. Într-un sistem ideal, ar exista un VSWR de 1: 1. Cauzele unui rating VSWR ridicat ar putea fi utilizarea unei sarcini necorespunzătoare sau ceva necunoscut, cum ar fi o linie de transmisie deteriorată.
