Какво е отношението на напрежението в постоянна вълна? Как да изчислим VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), е мярка за това колко ефективно радиочестотната мощност се предава от източник на захранване, през преносна линия, в товар (например от усилвател на мощност през предавателна линия, към антена ). " Това е концепцията на VSWR. Повече за VSWR, като влияещите фактори на VSWR, въздействието върху преносната система, разликата с SWR и др. Тази статия може да ви даде подробно обяснение.
Според Wikipedia съотношението на стоящи вълни (SWR) се определя като:
"мярка за съответствие на импеданса на натоварванията с характерния импеданс на преносна линия или вълновод. Несъответствията на импеданса водят до стоящи вълни по преносната линия и SWR се определя като съотношението на амплитудата на частичната стояща вълна в антинод (максимум) към амплитудата в възел (минимум) по линията. "
SWR обикновено се измерва с помощта на специален инструмент, наречен SWR метър. Тъй като SWR е мярка на импеданса на товара спрямо характерния импеданс на използваната предавателна линия (които заедно определят коефициента на отражение, както е описано по-долу), даден SWR метър може да интерпретира импеданса, който вижда по отношение на SWR, само ако са проектирани за този специфичен характеристичен импеданс. На практика повечето предавателни линии, използвани в тези приложения, са коаксиални кабели с импеданс 50 или 75 ома, така че повечето SWR измервателни уреди съответстват на един от тях.
Проверката на SWR е стандартна процедура в радиостанция. Въпреки че същата информация може да бъде получена чрез измерване на импеданса на товара с импедансен анализатор (или "импедансен мост"), SWR измервателят е по-прост и по-здрав за тази цел. Измервайки величината на несъответствието на импеданса на изхода на предавателя, той разкрива проблеми, дължащи се или на антената, или на предавателната линия.
Между другото, ако смятате, че никога не сте изпитвали постоянна вълна лично, това е много малко вероятно. Постоянните вълни в микровълнова фурна са причината храната да се приготвя неравномерно (грамофонът е частично решение на този проблем). Дължината на вълната на сигнала 2.45 GHz е около 12 сантиметра или около пет инча. Нулите в радиацията (и нагряването) ще бъдат разделени на разстояние, подобно на дължината на вълната.
Коефициентът на отражение е a параметър което описва каква част от електромагнитната вълна се отразява от прекъсване на импеданса в предавателната среда, равно на съотношението на амплитудата на отразената вълна към падащата вълна. Коефициентът на отражение е много полезно качество при определяне на VSWR или изследване на съвпадението между, например, подаващо устройство и товар. Гръцката буква Γ обикновено се използва за коефициент на отражение, въпреки че σ също често се вижда.
Коефициент на отражение
Използвайки основната дефиниция на коефициента на отражение, той може да бъде изчислен от познаване на инцидента и отразените напрежения.
Върни загуба е загубата на мощност на сигнала поради отражение или връщане на сигнала от прекъсване в оптична връзка или предавателна линия, а неговата изразителна единица също е в децибели (dBs). Това несъответствие на импеданса може да бъде с устройство, поставено в линията, или с крайното натоварване. Освен това загубата на връщане е връзката между коефициента на отражение (Γ) и коефициента на стояща вълна (SWR) и винаги е положително число, а високата загуба на връщане е благоприятен параметър за измерване и обикновено корелира с ниско вмъкване загуба. Между другото, ако увеличите загубата на възвръщаемост, тя ще съответства на по-нисък коефициент на SWR.
Загубата на сигнал, която възниква по дължината на оптична връзка, се нарича загуба на вмъкване. Загубата на вмъкване обаче е естествено явление, което се случва при всички видове предавания, независимо дали става въпрос за данни или електрически. Освен това, както е при всички физически преносни линии или проводими пътища, колкото по-дълъг е пътят, толкова по-голяма е загубата. Освен това тези загуби също възникват във всяка точка на свързване по линията, включително сплайси и съединители. Този конкретен параметър за измерване се изразява в децибели и винаги трябва да бъде положително число. Обаче трябва, не означава винаги и ако случайно е отрицателно, това не е благоприятен параметър за измерване. В някои случаи загубата на вмъкване може да се появи като отрицателно измерване на параметъра.
Връщане на загуба и загуба на вмъкване
И така, нека разгледаме подробно горната диаграма, за да можем да разберем по-добре как взаимодействат загубите при вмъкване и връщането. Както можете да видите, падащата мощност се движи по предавателна линия отляво, докато достигне компонента. След като достигне компонента, част от сигнала се отразява обратно по предавателната линия към източника, от който е дошъл. Също така имайте предвид, че тази част от сигнала не влиза в компонента.
Останалата част от сигнала наистина влиза в компонента. Там част от него се абсорбира, а останалата част преминава през компонента в преносната линия от другата страна. Мощността, която излиза от компонента, се нарича предавана мощности е по-малко от инцидентната мощност по две причини:
① Част от сигнала се отразява.
② Компонентът поглъща част от сигнала.
Така че, накратко, изразяваме загуба на вмъкване в децибели и това е съотношението на падащата мощност към предаваната мощност. Освен това можем да обобщим тази загуба на връщане, която също изразяваме в децибели, е съотношението на падащата мощност към отразената мощност. Следователно можем да видим как двата типа параметри за измерване на загубите помагат точно да се прецени общата ефективност на измерим сигнал и компонент в системата или в проходен път.
В днешните електронни практики по отношение на използването загубата на връщане е за предпочитане пред КСВ, тъй като осигурява по-добра разделителна способност за по-малки стойности на отразените вълни.
3) Какво е съвпадение на импеданса
Съответствието на импеданса е проектиране на източник намлява импеданси на натоварване за минимизиране на отражението на сигнала или максимизиране на преноса на мощност. В постояннотокови вериги източникът и натоварването трябва да са равни. В веригите с променлив ток източникът трябва да е равен на товара или сложното конюгат на товара, в зависимост от целта. Импеданс (Z) е мярка за противопоставянето на електрическия поток, което е комплексна стойност, като реалната част се определя като съпротивление (R), а въображаемата част се нарича реактивно съпротивление (X). Тогава уравнението за импеданс е по дефиниция Z = R + jX, където j е имагинерната единица. В DC системи реактивното съпротивление е нула, така че импедансът е същият като съпротивлението.
Съотношението на постоянната вълна на напрежението (VSWR) е индикация за размера на несъответствието между антена и захранващата линия, свързваща се към нея. (Щракнете върху тук за да изберем нашите антенни продукти) Това е известно още като коефициент на постоянна вълна (SWR). Диапазонът на стойностите за VSWR е от 1 до ∞. Разглежда се стойност на VSWR под 2 подходящ за повечето приложения на антената. Антената може да бъде описана като “Good Match”. Така че, когато някой каже, че антената не е съвпаднала много често, това означава, че стойността на VSWR надвишава 2 за честота от интерес. Загубата на връщане е друга спецификация на интереса и е разгледана по-подробно в раздела Теория на антената. Често се изисква преобразуване между загуба на връщане и VSWR, а някои стойности са таблици в таблица, заедно с графика на тези стойности за бърза справка.
Да вземем видео за бърз преглед за VSWR!
2) Фактори Засяга VSWR
· Честота
· Антена земя
· Наблизо метални предмети
· Тип конструкция на антената
· температура
3) SWR срещу VSWR срещу ISWR срещу PSWR
SWR е концепция, т.е. съотношението на стоящата вълна. VSWR всъщност е начина, по който правите измерването, като измервате напреженията, за да определите SWR. Можете също така да измерите SWR чрез измерване на токове или дори мощност (ISWR и PSWR). Но за повечето намерения и цели, когато някой казва SWR, има предвид VSWR, в общ разговор те са взаимозаменяеми.
· SWR: SWR означава съотношение на стояща вълна. Той описва напрежението и текущите стоящи вълни, които се появяват на линията. Това е общо описание за постоянни вълни на ток и напрежение. Често се използва заедно с измервателни уреди, използвани за откриване на съотношението на стоящите вълни. Както токът, така и напрежението нарастват и падат с една и съща пропорция за дадено несъответствие. · VSWR: VSWR или коефициентът на постоянна вълна на напрежение се отнася конкретно за постоянните вълни на напрежение, които са настроени на захранваща или предавателна линия. Тъй като е по-лесно да се открият постоянните вълни на напрежението и в много случаи напреженията са по-важни по отношение на повредата на устройството, терминът VSWR често се използва, особено в областите на RF проектиране.
За повечето практически цели ISWR е същото като VSWR. При идеални условия радиочестотното напрежение на предавателната линия на сигнала е еднакво във всички точки на линията, пренебрегвайки загубите на мощност, причинени от електрическото съпротивление в проводниците на линията и несъвършенствата в диелектричния материал, разделящ линейните проводници. Следователно идеалният VSWR е 1: 1. (Често стойността на SWR се записва просто по отношение на първото число или числител на съотношението, тъй като второто число или знаменателят винаги е 1.) Когато VSWR е 1, ISWR също е 1. Това оптимално условие може съществуват само когато натоварването (като антена или безжичен приемник), в който се доставя RF мощност, има импеданс, идентичен с импеданса на преносната линия. Това означава, че съпротивлението на натоварването трябва да бъде същото като характерния импеданс на преносната линия, а натоварването не трябва да съдържа реактивно съпротивление (т.е. натоварването да е без индуктивност или капацитет). Във всяка друга ситуация напрежението и токът се колебаят в различни точки по линията, и SWR не е 1.
4. Как VSWR влияе върху производителността в трансмисионната система
Има много начини, по които VSWR влияе върху производителността на предавателна система или която и да е система, която може да използва радиочестоти и идентични импеданси. Въпреки че VSWR се използва нормално, както напрежението, така и токовите вълни могат да създадат проблеми.
· Усилвателите на мощността на предавателя могат да бъдат повредени: Повишените нива на напрежение и ток, наблюдавани на подаващото устройство в резултат на стоящите вълни, могат да повредят изходните транзистори на предавателя. Полупроводниковите устройства са много надеждни, ако работят в определените им граници, но напрежението и постоянните вълни на подаващото устройство могат да причинят катастрофални щети, ако причинят устройството да работи извън техните граници.
· PA защита намалява изходната мощност: С оглед на много реалната опасност от високи нива на КСВ, причиняващи щети на усилвателя на мощност, много предаватели включват защитна схема, която намалява изхода от предавателя при нарастване на КСВ. Това означава, че лошото съвпадение между подаващото устройство и антената ще доведе до висок коефициент на SWR, което води до намаляване на изхода и оттам до значителна загуба на предавана мощност.
· Високите нива на напрежение и ток могат да повредят подаващото устройство: Възможно е високите нива на напрежение и ток, причинени от високото съотношение на стояща вълна, да причинят повреда на подаващото устройство. Въпреки че в повечето случаи захранващите устройства ще работят добре в рамките на техните граници и удвояването на напрежението и тока трябва да може да бъде приспособено, има някои обстоятелства, при които могат да бъдат причинени щети. Настоящите максимуми могат да причинят прекомерно локално нагряване, което може да изкриви или разтопи използваните пластмаси, а при високи напрежения е известно, че причиняват дъга при някои обстоятелства.
· Закъсненията, причинени от отражения, могат да причинят изкривяване: Когато сигнал се отразява от несъответствие, той се отразява обратно към източника и след това може да се отразява отново към антената. Въвежда се закъснение, равно на удвоеното време за предаване на сигнала по подаващото устройство. Ако данните се предават, това може да причини интерсимволни смущения, а в друг пример, когато се предава аналогова телевизия, се вижда изображение „призрак“.
· Намаляване на сигнала в сравнение с перфектно съвпадаща система: Интересното е, че загубата на ниво на сигнала, причинена от лош VSWR, не е толкова голяма, колкото някои могат да си представят. Всеки сигнал, отразен от товара, се отразява обратно към предавателя и тъй като съвпадението на предавателя може да даде възможност сигналът да бъде отразен отново към антената, възникналите загуби са основно тези, които се въвеждат от подаващото устройство. Като ориентир, 30-метровата дължина на RG213 коаксиал със загуба от около 1.5 dB при 30 MHz ще означава, че антена, работеща с VSWR, ще даде загуба от малко над 1 dB при тази честота в сравнение с перфектно съчетаната антена.
Много различни методи могат да се използват за измерване на съотношението на стоящите вълни. Най-интуитивният метод използва шлицова линия което представлява участък от преносната линия с отворен слот, който позволява на сондата да открие действителното напрежение в различни точки по линията. По този начин максималните и минималните стойности могат да бъдат сравнени директно. Този метод се използва при УКВ и по-високи честоти. При по-ниски честоти такива линии са непрактично дълги. Насочените съединители могат да се използват при високочестотни честоти чрез микровълнови честоти. Някои са с четвърт вълна или повече, което ограничава използването им до по-високите честоти. Други видове насочени разклонители вземат проби от тока и напрежението в една точка на пътя на предаване и математически ги комбинират по такъв начин, че да представят мощността, протичаща в една посока. Често използваният тип SWR / измервател на мощност, използван в аматьорски операции, може да съдържа двупосочен съединител. Други типове използват единичен съединител, който може да се завърти на 180 градуса, за да вземе проба мощност, която тече във всяка посока. Еднопосочни съединители от този тип се предлагат за много честотни диапазони и нива на мощност и с подходящи стойности на свързване за използвания аналогов измервателен уред.
Линия с прорези
Предавателната и отразената мощност, измерена от насочени съединители, може да се използва за изчисляване на КСВ. Изчисленията могат да се извършват математически в аналогова или цифрова форма или чрез използване на графични методи, вградени в измервателния уред като допълнителна скала, или чрез отчитане от точката на пресичане между две игли на един и същ измервателен уред.
Горните измервателни уреди могат да се използват "в линия", т.е. пълната мощност на предавателя може да премине през измервателното устройство, така че да позволява непрекъснато наблюдение на КСВ. Други инструменти, като мрежови анализатори, насочени разклонители с ниска мощност и антенни мостове, използват ниска мощност за измерване и трябва да бъдат свързани на мястото на предавателя. Мостовите вериги могат да се използват за директно измерване на реалните и въображаемите части на импеданса на товара и за използване на тези стойности за извличане на SWR. Тези методи могат да предоставят повече информация, отколкото само КСВ или напред и отразена мощност. Самостоятелните антенни анализатори използват различни методи за измерване и могат да показват SWR и други параметри, нанесени спрямо честотата. Чрез използване на насочени съединители и мост в комбинация е възможно да се направи вграден инструмент, който чете директно в сложен импеданс или в SWR. Предлагат се и самостоятелни антенни анализатори, които измерват множество параметри.
Измервател на мощност
ЗАБЕЛЕЖКА: Ако четенето на SWR е под 1, имате проблем. Може да имате лош SWR измервател, нещо нередно с антената или връзката на антената или е възможно да имате повредено или дефектно радио.
Когато предавана вълна удари граница, като тази между линията на загуба без загуба и натоварване (Фигура 1), част от енергията ще бъде предадена на товара, а част ще бъде отразена. Коефициентът на отражение свързва входящите и отразените вълни като:
Γ = V-/V+ (Уравнение 1)
Където V- е отразената вълна, а V + е входящата вълна. VSWR е свързан с величината на коефициента на отражение на напрежението (Γ) от:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (уравнение 2)
Фигура 1. Верига на предавателната линия, илюстрираща границата на несъответствието на импеданса между преносната линия и товара. Отражения възникват на границата, обозначена с Γ. Падащата вълна е V +, а отразяващата вълна е V-.
VSWR може да се измерва директно с SWR метър. RF инструмент за изпитване, като анализатор на векторна мрежа (VNA), може да се използва за измерване на коефициентите на отражение на входния порт (S11) и изходния порт (S22). S11 и S22 са еквивалентни на Γ на входа и изхода съответно. VNA с математически режими също могат директно да изчислят и покажат получената VSWR стойност.
Загубата на връщане във входните и изходните портове може да бъде изчислена от коефициента на отражение, S11 или S22, както следва:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (уравнение 3)
ROLOUT = 20log10 | S22 | dB (уравнение 4)
Коефициентът на отражение се изчислява от характеристичния импеданс на електропровода и импеданса на натоварването, както следва:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (уравнение 5)
Където ZL е импедансът на товара, а ZO е характерният импеданс на преносната линия (Фигура 1).
VSWR може да се изрази и като ZL и ZO. Замествайки уравнение 5 в уравнение 2, получаваме:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
За ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Следователно:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Уравнение 7)
По-горе отбелязахме, че VSWR е спецификация, дадена в съотношение форма спрямо 1, като пример 1.5: 1. Има два специални случая на VSWR, ∞: 1 и 1: 1. Съотношение безкрайност към едно възниква, когато натоварването е отворена верига. Съотношение 1: 1 възниква, когато натоварването е перфектно съчетано с характеристичния импеданс на електропровода.
VSWR се дефинира от стоящата вълна, възникваща в самата електропровода чрез:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Уравнение 8)
Където VMAX е максималната амплитуда и VMIN е минималната амплитуда на стоящата вълна. При две супер-наложени вълни, максимумът се получава при конструктивна намеса между входящите и отразените вълни. По този начин:
VMAX = V + + V- (уравнение 9)
за максимална конструктивна намеса. Минималната амплитуда възниква при деконструктивна намеса или:
VMIN = V + - V- (уравнение 10)
Заместване на уравнения 9 и 10 в уравнения 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (уравнение 11)
Заместваме уравнението 1 в уравнение 11, получаваме:
Тъй като електрическата вълна пътува през различните части на антенната система (приемник, захранваща линия, антена, свободно пространство), тя може да срещне разлики в импедансите. Във всеки интерфейс част от енергията на вълната ще се отразява обратно към източника, образувайки постоянна вълна в захранващата линия. Съотношението на максималната мощност към минималната мощност във вълната може да бъде измерено и се нарича съотношение на постоянна вълна на напрежението (VSWR). VSWR по-малко от 1.5: 1 е идеален, VSWR от 2: 1 се счита за минимално приемлив в приложения с ниска мощност, където загубата на мощност е по-критична, въпреки че VSWR до 6: 1 все още може да се използва с право оборудване. Само в случай, че не ви е грижа за математически уравнения, ето една малка таблица с мами, за да разберете корелацията на VSWR с процента на отразената мощност, която ще се върне.
VSWR
Върната мощност
(приблизително)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. Какво причинява високо VSWR?
Ако VSWR е твърде висок, потенциално може да има прекалено много енергия, отразена обратно в усилвател на мощността, причинявайки повреда на вътрешната схема. В идеална система би имало коефициент на шумоподтискане 1: 1. Причини за висок рейтинг на VSWR може да бъде използването на неправилен товар или нещо неизвестно, като например повредена преносна линия.
