Kakšno je razmerje napetosti stoječega vala? Kako izračunati VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) je merilo, kako učinkovito se radiofrekvenčna moč prenaša iz vira električne energije prek daljnovoda v breme (na primer iz ojačevalnika moči skozi daljnovod do antene ). " To je koncept VSWR. Več o VSWR, kot so vplivni dejavniki VSWR, vpliv na prenosni sistem, razlika s SWR itd. Ta članek vam lahko podrobno pojasni.
Po Wikipediji je razmerje stoječih valov (SWR) opredeljeno kot:
"merilo ujemanja impedance bremen z značilno impedanco daljnovoda ali valovoda. Neujemanje impedance povzroči stoječe valove vzdolž daljnovoda, SWR pa je opredeljen kot razmerje med amplitudo delnega stoječega vala na antinodi (največ) do amplituda na vozlišču (najmanjša) vzdolž črte. "
SWR se običajno meri z namenskim instrumentom, imenovanim Merilnik SWR. Ker je SWR mera impedance obremenitve glede na značilno impedanco uporabljenega daljnovoda (ki skupaj določa koeficient odboja, kot je opisano spodaj), lahko dani merilnik SWR interpretira impedanco, ki jo vidi kot SWR, le če ima je bil zasnovan za določeno karakteristično impedanco V praksi je večina daljnovodov, ki se uporabljajo v teh aplikacijah, koaksialni kabli z impedanco 50 ali 75 ohmov, zato večina merilnikov SWR ustreza enemu od teh.
Preverjanje SWR je standardni postopek v radijski postaji. Čeprav bi lahko iste podatke dobili z merjenjem impedance bremena z analizatorjem impedance (ali "mostom impedance"), je SWR merilnik za ta namen preprostejši in robustnejši. Z merjenjem velikosti neusklajenosti impedance na izhodu oddajnika razkrije težave zaradi antene ali daljnovoda.
Mimogrede, če mislite, da osebnega vala nikoli niste doživeli, je zelo malo verjetno. Stoječi valovi v mikrovalovni pečici so razlog, da se hrana neenakomerno kuha (gramofon je delna rešitev te težave). Valovna dolžina signala 2.45 GHz je približno 12 centimetrov ali približno pet centimetrov. Nule v sevanju (in ogrevanju) bodo ločene na razdalji, podobni valovni dolžini.
Koeficient odboja je a parameter ki opisuje, koliko elektromagnetnega vala se odraža z diskontinuiteto impedance v prenosnem mediju, enako razmerju med amplitudo odbitega vala in vpadnim valom. Koeficient odboja je zelo koristna kakovost pri določanju VSWR ali preiskovanju ujemanja med, na primer, podajalnikom in tovorom. Grška črka Γ se običajno uporablja za koeficient odboja, čeprav se pogosto vidi tudi σ.
Koeficient refleksije
Z uporabo osnovne definicije koeficienta odboja ga lahko izračunamo iz znanja o vpadne in odbojne napetosti.
Vrnitev izgubo je izguba moči signala zaradi odboja ali vrnitve signala z diskontinuiteto v optični povezavi ali daljnovodu, njegova izrazna enota pa je tudi v decibelih (dB). Ta neusklajenost impedance je lahko z napravo, vstavljeno v vod, ali s končno obremenitvijo. Poleg tega je povratna izguba razmerje med odbojnim koeficientom (Γ) in razmerjem stoječih valov (SWR) in je vedno pozitivno število, velika povratna izguba pa je ugoden merilni parameter in običajno ustreza nizki vstavitvi izguba. Mimogrede, če povečate donosno izgubo, bo to povezano z nižjim SWR.
Izguba signala, ki se pojavlja po dolžini optične povezave, se imenuje izguba pri vstavljanju. Izguba zaradi vstavljanja pa je naravni pojav, ki se pojavi pri vseh vrstah prenosov, bodisi da gre za podatkovne ali električne. Poleg tega je, tako kot pri vseh fizičnih daljnovodih ali prevodnih poteh, daljša je pot, večje so izgube. Poleg tega se te izgube pojavijo tudi na vsaki priključni točki vzdolž proge, vključno s spojnicami in spojniki. Ta poseben merilni parameter je izražen v decibelih in mora biti vedno pozitivno število. Vendar bi moral, ne pomeni vedno in če je po naključju negativen, to ni ugoden merilni parameter. V nekaterih primerih se izguba vstavljanja lahko prikaže kot negativna meritev parametra.
Vrnitev izgube in izgube pri vstavljanju
Zdaj pa podrobno preučimo zgornji diagram, da bomo lahko bolje razumeli, kako medsebojno vplivata izguba pri vstavljanju in izguba zaradi vrnitve. Kot lahko vidite, padajoča moč potuje po daljnovodu od leve, dokler ne doseže komponente. Ko doseže komponento, se del signala odbije nazaj po daljnovodu proti viru, iz katerega je prišel. Upoštevajte tudi, da ta del signala ne vstopi v komponento.
Preostali del signala dejansko vstopi v komponento. Tam se nekaj absorbira, ostalo pa gre skozi komponento v daljnovod na drugi strani. Moč, ki prihaja iz komponente, se imenuje oddana moč, in je manjša od vpadne moči iz dveh razlogov:
① Del signala se odraža.
② Komponenta absorbira del signala.
Torej, povzamemo, da izražamo izgubo pri vstavljanju v decibelih in je razmerje med vpadno močjo in oddano močjo. Poleg tega lahko povzamemo, da je povratna izguba, ki jo prav tako izražamo v decibelih, razmerje med vpadno močjo in odbojno močjo. Zato lahko vidimo, kako dve vrsti parametrov merjenja izgub pomagata natančno izmeriti celotno učinkovitost merljivega signala in komponente znotraj sistema ali na prehodni poti.
V današnji elektronski praksi je pri uporabi povratna izguba boljša od SWR, saj omogoča boljšo ločljivost za manjše vrednosti odbitega valovanja.
3) Kaj je ujemanje impedence
Ujemanje impedance je oblikovanje vira in impedance obremenitve da zmanjšate odboj signala ali povečate prenos moči. V enosmernih tokokrogih morata biti vir in obremenitev enaka. V tokokrogih z izmeničnim tokom mora biti vir enak obremenitvi ali kompleksnemu konjugatu obremenitve, odvisno od cilja. Impedanca (Z) je mera nasprotovanja električnemu toku, ki je kompleksna vrednost, pri čemer je realni del opredeljen kot upor (R), namišljeni del pa se imenuje reaktanca (X). Enačba za impedanco je potem po definiciji Z = R + jX, kjer je j namišljena enota. V enosmernih sistemih je reaktanca enaka nič, zato je impedanca enaka uporu.
Razmerje napetosti stoječega vala (VSWR) je navedba količine neusklajenosti med anteno in napajalnim vodom, ki je povezan z njo. (Kliknite tukaj da izberemo naše antenske izdelke) To je znano tudi kot razmerje stoječih valov (SWR). Območje vrednosti za VSWR je od 1 do ∞. Upošteva se vrednost VSWR pod 2 primerna za večino aplikacij antene. Anteno lahko opišemo kot "dobro ujemanje". Ko torej nekdo reče, da je antena slabo usklajena, zelo pogosto to pomeni, da vrednost VSWR presega 2 za zanimivo frekvenco. Donosna izguba je še ena specifikacija obresti in je podrobneje zajeta v poglavju Teorija anten. Pogosto se zahteva pretvorba med povratno izgubo in VSWR, nekatere vrednosti pa so razporejene v grafikonu, skupaj z grafom teh vrednosti za hitro sklicevanje.
Na hitro si oglejmo video o VSWR!
2) Dejavniki Vpliva na VSWR
· frekvenca
· Ozemljitev antene
· V bližini kovinski predmeti
· Vrsta konstrukcije antene
· temperature
3) SWR proti VSWR proti ISWR proti PSWR
SWR je koncept, tj. Razmerje stoječih valov. VSWR je pravzaprav način merjenja z merjenjem napetosti za določitev SWR. SWR lahko izmerite tudi z merjenjem tokov ali celo moči (ISWR in PSWR). Toda v večini namenov, ko nekdo reče SWR, pomeni VSWR, so v skupnem pogovoru zamenljivi.
· SWR: SWR pomeni razmerje stoječih valov. Opisuje napetost in trenutne stoječe valove, ki se pojavijo na progi. To je splošni opis tako za sedanje kot napetostne stoječe valove. Pogosto se uporablja skupaj z merilniki, ki se uporabljajo za zaznavanje razmerja stoječih valov. Tako tok kot napetost naraščata in padata za enak delež za določeno neskladje. · VSWR: Razmerje VSWR ali napetost stoječih valov velja posebej za napetosti stoječih valov, ki so postavljene na napajalnem ali prenosnem vodu. Ker je enostavnejše zaznavanje napetostnih stojnih valov in so v mnogih primerih napetosti pomembnejše pri okvari naprave, se izraz VSWR pogosto uporablja, zlasti na področjih RF-načrtovanja.
Za večino praktičnih namenov je ISWR enak VSWR. V idealnih pogojih je RF napetost na signalnem daljnovodu enaka na vseh točkah linije, pri čemer se zanemarijo izgube moči, ki jih povzročijo električni upori v vodnikih in pomanjkljivosti dielektričnega materiala, ki ločuje vodnike. Idealni VSWR je torej 1: 1. (Vrednost SWR je pogosto zapisana preprosto v smislu prve številke ali števca razmerja, ker je drugo število ali imenovalec vedno 1.) Ko je VSWR 1, je tudi ISWR 1. Ta optimalni pogoj lahko obstajajo le, kadar ima obremenitev (na primer antena ali brezžični sprejemnik), v katero se odda RF moč, impedanco, enako impedanci daljnovoda. To pomeni, da mora biti odpornost proti obremenitvi enaka značilni impedanci daljnovoda, obremenitev pa ne sme vsebovati reaktanca (to pomeni, da mora biti obremenitev brez induktivnosti ali kapacitivnosti). V vseh drugih situacijah napetost in tok nihata na različnih točkah vzdolž črte, in SWR ni 1.
4. Kako VSWR vpliva na zmogljivost prenosnega sistema
VSWR vpliva na delovanje prenosnega sistema ali katerega koli sistema, ki lahko uporablja radijske frekvence in enake impedance, na številne načine. Čeprav se VSWR uporablja normalno, lahko napetostni in tokovni valovi povzročajo težave.
· Ojačevalniki moči oddajnika se lahko poškodujejo: Povečane ravni napetosti in toka, ki so vidne na podajalniku zaradi stoječih valov, lahko poškodujejo izhodne tranzistorje oddajnika. Polprevodniške naprave so zelo zanesljive, če delujejo v določenih mejah, vendar napetostni in trenutni stoječi valovi na podajalniku lahko povzročijo katastrofalno škodo, če povzročijo, da naprava deluje zunaj svojih meja.
· PA zaščita zmanjša izhodno moč: Glede na zelo resnično nevarnost visokih ravni SWR, ki povzročajo škodo na ojačevalniku, imajo številni oddajniki zaščitno vezje, ki zmanjšuje izhod iz oddajnika, ko SWR narašča. To pomeni, da bo slabo ujemanje med podajalnikom in anteno povzročilo visok SWR, kar bo povzročilo zmanjšanje moči in s tem znatno izgubo oddane moči.
· Visoka napetost in tok lahko poškodujejo napajalnik: Možno je, da lahko visoke napetosti in tokovi zaradi visokega razmerja stoječih valov poškodujejo napajalnik. Čeprav bodo napajalniki v večini primerov delovali dobro v svojih mejah in bi bilo treba omogočiti podvojitev napetosti in toka, lahko v nekaterih okoliščinah pride do škode. Trenutni maksimumi lahko povzročijo prekomerno lokalno segrevanje, ki bi lahko izkrivilo ali stopilo uporabljeno plastiko, visoke napetosti pa v nekaterih okoliščinah povzročajo oblok.
· Zamude zaradi odsevov lahko povzročijo popačenje: Ko se signal odbije z neujemanjem, se odbije nazaj proti viru in se nato lahko odbije nazaj proti anteni. Uvede se zakasnitev, enaka dvakratnemu času oddajanja signala vzdolž podajalnika. Če se podatki prenašajo, lahko to povzroči intersimbolne motnje, v drugem primeru, kjer se je prenašala analogna televizija, pa je bila videti slika "duh".
· Zmanjšanje signala v primerjavi s popolnoma ujemajočim se sistemom: Zanimivo je, da izguba ravni signala zaradi slabega VSWR ni niti približno tako velika, kot si nekateri morda predstavljajo. Vsak signal, ki ga odbije obremenitev, se odbije nazaj na oddajnik in ker lahko ujemanje na oddajniku omogoči, da se signal ponovno odbije nazaj na anteno, nastale izgube so v osnovi tiste, ki jih povzroči napajalnik. Kot vodilo 30-metrska dolžina koaksialnega signala RG213 z izgubo približno 1.5 dB pri 30 MHz pomeni, da bo antena, ki deluje z VSWR, pri tej frekvenci izgubila le nekaj več kot 1 dB v primerjavi s popolnoma usklajeno anteno.
Za merjenje razmerja stoječih valov je mogoče uporabiti veliko različnih metod. Najbolj intuitivna metoda uporablja črtasto črto ki je odsek daljnovoda z odprto režo, ki omogoča sondi zaznavanje dejanske napetosti na različnih točkah vzdolž linije. Tako je mogoče neposredno primerjati največjo in najmanjšo vrednost. Ta metoda se uporablja pri VHF in višjih frekvencah. Pri nižjih frekvencah so takšne črte nepraktično dolge. Usmerjene spenjače se lahko uporabljajo pri VF preko mikrovalovnih frekvenc. Nekateri so dolgi četrt vala ali več, kar omejuje njihovo uporabo na višje frekvence. Druge vrste usmerjenih spenjač vzorčijo tok in napetost na eni točki prenosne poti in jih matematično kombinirajo tako, da predstavljajo moč, ki teče v eno smer. Običajni tip SWR / merilnika moči, ki se uporablja v amaterskem delovanju, lahko vsebuje dvosmerno spojko. Drugi tipi uporabljajo enojni spojnik, ki ga je mogoče zasukati za 180 stopinj za vzorčenje moči, ki teče v katero koli smer. Enosmerne spojnice te vrste so na voljo za številne frekvenčne razpone in ravni moči ter z ustreznimi vrednostmi sklopke za uporabljeni analogni števec.
Linija z režami
Moč naprej in odseva, izmerjena s smernimi spojniki, se lahko uporablja za izračun SWR. Izračune lahko izvedemo matematično v analogni ali digitalni obliki ali z uporabo grafičnih metod, vgrajenih v števec kot dodatno lestvico, ali z branjem s križišča med dvema iglama na istem števcu.
Zgornje merilne instrumente lahko uporabljamo "v vrsti", to pomeni, da lahko celotna moč oddajnika prehaja skozi merilno napravo tako, da omogoča stalno spremljanje SWR. Drugi instrumenti, kot so omrežni analizatorji, usmerjene spenjače z nizko močjo in antenski mostovi, za merjenje uporabljajo nizko moč in jih je treba priključiti namesto oddajnika. Mostna vezja se lahko uporabljajo za neposredno merjenje dejanskih in namišljenih delov impedance obremenitve in za uporabo teh vrednosti za izpeljavo SWR. Te metode lahko zagotovijo več informacij kot samo SWR ali naprej in odsevno moč. Samostojni antenski analizatorji uporabljajo različne merilne metode in lahko prikažejo SWR in druge parametre, narisane glede na frekvenco. Z uporabo usmerjenih spojnic in mostu v kombinaciji je mogoče izdelati linijski instrument, ki se bere neposredno s kompleksno impedanco ali v SWR. Na voljo so tudi samostojni antenski analizatorji, ki merijo več parametrov.
Merilnik moči
OPOMBA: Če je odčitek SWR pod 1, imate težavo. Morda imate slab SWR merilnik, kaj narobe z anteno ali antensko povezavo ali pa imate poškodovan ali pokvarjen radio.
Ko preneseni val doseže mejo, kot je tista med daljnovodom brez izgube in obremenitvijo (slika 1), se bo nekaj energije preneslo na obremenitev, nekaj pa se bo odrazilo. Koeficient odboja povezuje dohodne in odbojne valove kot:
Γ = V-/V+ (Enačba 1)
Kjer je V- odbojni val in V + prihajajoči val. VSWR je povezan z velikostjo koeficienta odbojnosti napetosti (Γ) glede na:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (enačba 2)
Slika 1. Vezje daljnovoda, ki prikazuje mejo neusklajenosti impedance med daljnovodom in obremenitvijo. Odsevi se pojavijo na meji, ki jo označuje Γ. Vpadni val je V +, odsevni val pa V-.
VSWR je mogoče izmeriti neposredno z merilnikom SWR. RF merilni instrument, kot je vektorski mrežni analizator (VNA), se lahko uporablja za merjenje koeficientov odbojnosti vhodnega priključka (S11) in izhodnih vrat (S22). S11 in S22 sta enakovredna Γ na vhodnem in izhodnem pristanišču. VNA z matematičnimi načini lahko tudi neposredno izračunajo in prikažejo rezultat VSWR.
Izguba povratka na vhodnih in izhodnih vratih se lahko izračuna iz koeficienta odbojnosti, S11 ali S22, kot sledi:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (enačba 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (enačba 4)
Koeficient odboja se izračuna iz značilne impedance daljnovoda in impedance obremenitve, kot sledi:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (enačba 5)
Kjer je ZL impedanca obremenitve, ZO pa značilna impedanca daljnovoda (slika 1).
VSWR se lahko izrazi tudi z ZL in ZO. Če enačbo 5 zamenjamo z enačbo 2, dobimo:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Za ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Zato:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Enačba 7)
Zgoraj smo zapisali, da je VSWR specifikacija, podana v razmerju v razmerju do 1, kot primer 1.5: 1. Obstajata dva posebna primera VSWR, ∞: 1 in 1: 1. Ko je obremenitev odprtega tokokroga, pride do razmerja neskončnosti in ena. Razmerje 1: 1 nastane, ko se obremenitev popolnoma ujema z značilno impedanco daljnovoda.
VSWR je opredeljen iz stoječega vala, ki nastane na samem daljnovodu:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Enačba 8)
Kjer je VMAX največja amplituda in VMIN najmanjša amplituda stoječega vala. Pri dveh super vsiljenih valovih se največ doseže s konstruktivnimi motnjami med dohodnimi in odsevanimi valovi. Tako:
VMAX = V + + V- (enačba 9)
za maksimalno konstruktivno motnjo. Najmanjša amplituda se pojavi pri dekonstruktivnih motnjah ali:
VMIN = V + - V- (enačba 10)
Nadomestitev enačb 9 in 10 v enačbi donosi 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (enačba 11)
Ko električni val potuje skozi različne dele antenskega sistema (sprejemnik, napajalni vod, antena, prosti prostor), lahko naleti na razlike v impedancah. Na vsakem vmesniku se bo del energije vala odseval nazaj do vira in v napajalni liniji ustvaril stoječi val. Razmerje med največjo močjo in najmanjšo močjo vala je mogoče izmeriti in se imenuje napetostno razmerje stoječih valov (VSWR). VSWR manjši od 1.5: 1 je idealen, VSWR 2: 1 je mejno sprejemljiv v aplikacijah z nizko porabo, kjer je izguba energije bolj kritična, čeprav je VSWR do 6: 1 še vedno uporaben s pravico opremo. Če vas matematične enačbe ne zanimajo, je tukaj majhna tabela z goljufijami, ki vam bo pomagala razumeti korelacijo VSWR z odstotkom odsevne moči, ki se bo vrnila.
VSWR
Vrnjena moč
(približno)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. Kaj povzroča visok VSWR?
Če je VSWR previsok, lahko pride do preveč energije, ki se odbije nazaj v ojačevalnik, kar povzroči poškodbe notranjega vezja. V idealnem sistemu bi bil VSWR 1: 1. Vzroki za visoko oceno VSWR so lahko neustrezna obremenitev ali kaj neznanega, na primer poškodovan daljnovod.
