Mekkora a feszültség álló hullámaránya? Hogyan kell kiszámítani a VSWR-t?
"A VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) annak mérése, hogy a rádiófrekvenciás energiát mennyire hatékonyan továbbítják az áramforrásból egy távvezetéken keresztül egy terhelésbe (például egy erősítőből egy távvezetéken keresztül egy antennáig). ). " Ez a VSWR fogalma. További információ a VSWR-ről, például a VSWR befolyásoló tényezőiről, az átviteli rendszerre gyakorolt hatásról, az SWR-rel való különbségről stb. Ez a cikk részletes magyarázatot adhat Önnek.
A Wikipedia szerint az állóhullám arány (SWR) a következőképpen definiálva:
"a terhelések impedanciájának egy mértéke, amely megegyezik egy távvezeték vagy hullámvezető jellemző impedanciájával. Az impedancia eltérések az átviteli vonal mentén álló hullámokat eredményeznek, és az SWR az antinódon a parciális állóhullám amplitúdójának (legnagyobb) az amplitúdó egy csomópontnál (minimum) a vonal mentén. "
Az SWR-t általában egy dedikált eszköznek nevezik SWR mérő. Mivel az SWR a terhelés impedanciájának mértéke a használt távvezeték jellemző impedanciájához viszonyítva (amelyek együttesen meghatározzák a reflexiós együtthatót az alábbiakban leírtak szerint), egy adott SWR mérő csak akkor tudja értelmezni az általa látott impedanciát az SWR szempontjából, ha az adott jellemző impedanciára tervezték. A gyakorlatban az ezekben az alkalmazásokban használt átviteli vezetékek koaxiális kábelek, amelyek impedanciája 50 vagy 75 ohm, így a legtöbb SWR mérő megfelel ezeknek.
Az SWR ellenőrzése egy rádióállomás szokásos eljárása. Bár ugyanez az információ megszerezhető a terhelés impedanciájának impedancia-analizátorral (vagy "impedancia-híddal") történő mérésével, az SWR-mérő egyszerűbb és robusztusabb erre a célra. Az adó kimenetén az impedancia-eltérés nagyságának mérésével kiderül az antenna vagy a távvezeték miatti problémák.
Egyébként, ha úgy gondolja, hogy még soha nem tapasztalt személyesen állóhullámot, az nagyon valószínűtlen. A mikrohullámú sütőben állandó hullámok okozzák az étel egyenetlen főzését (a lemezjátszó részleges megoldás erre a problémára). A 2.45 GHz-es jel hullámhossza körülbelül 12 centiméter, vagyis körülbelül öt hüvelyk. A sugárzás (és a fűtés) nullpontjait a hullámhosszhoz hasonló távolságban választják el egymástól.
A reflexiós együttható a paraméter ez azt írja le, hogy az elektromágneses hullám mekkora részét tükrözi az átviteli közegben az impedancia megszakítás, amely megegyezik a visszavert hullám és a beeső hullám amplitúdójának arányával. A reflexiós együttható nagyon hasznos tulajdonság a VSWR meghatározásakor, vagy például az adagoló és a terhelés egyezésének vizsgálatakor. A görög letter betűt általában a reflexiós együtthatóra használják, bár σ is gyakran látható.
Tükrözési együttható
A reflexiós együttható alapdefiníciójának felhasználásával kiszámítható a az esemény és a visszavert feszültségek.
2) Visszatérési veszteség és visszaállítási veszteség
Vissza veszteség a jel teljesítményének elvesztése a jel visszaverődése vagy a száloptikai összeköttetésben vagy az átviteli vezetékben bekövetkező folytonosság miatt bekövetkező visszatérés következtében, és kifejezési egysége szintén decibelben (dBs) van. Ez az impedancia-eltérés lehet a vezetékbe illesztett eszközzel vagy a végződő terheléssel. Ezenkívül a visszatérési veszteség mind a reflexiós együttható (Γ), mind az állóhullám-arány (SWR) közötti kapcsolat, és mindig pozitív szám, és a magas visszatérési veszteség kedvező mérési paraméter, és jellemzően alacsony behelyezéssel korrelál veszteség. Egyébként, ha növeli a megtérülési veszteséget, az alacsonyabb SWR-rel fog korrelálni.
A jelvesztés, ami száloptikai összeköttetés hosszában történik, nevezzük behelyezési veszteségnek. A behelyezési veszteség azonban természetes esemény, amely minden típusú adás esetén bekövetkezik, legyen az adat vagy elektromos. Továbbá, mivel alapvetően az összes fizikai átviteli vezeték vagy vezető út esetében van, minél hosszabb az út, annál nagyobb a veszteség. Sőt, ezek a veszteségek a vonal minden csatlakozási pontjánál bekövetkeznek, beleértve a csatlakozókat és csatlakozókat is. Ez a mérési paraméter decibelben van kifejezve, és mindig pozitív számnak kell lennie. Azonban nem, nem mindig azt jelenti, és ha véletlenül negatív, akkor ez nem kedvező mérési paraméter. Bizonyos esetekben a beillesztési veszteség negatív paramétermérésként jelenhet meg.
Visszatérési veszteség és beillesztési veszteség
Tehát most vizsgáljuk meg részletesen a fenti diagramot, hogy jobban megértsük, hogyan hatnak egymásra a beillesztési veszteség és a visszatérési veszteség. Amint láthatja, a beeső áram egy távvezetéken balról halad lefelé, amíg el nem éri az alkatrészt. Amint eléri a komponenst, a jel egy része visszaveri a távvezetéket a forrás felé, ahonnan jött. Ne feledje továbbá, hogy a jelnek ez a része nem jut be az alkatrészbe.
A jel fennmaradó része valóban belép az alkatrészbe. Ott egy része felszívódik, és a többi átmegy az alkatrészen a másik oldalon lévő távvezetékbe. A komponensből kilépő energiát továbbított energiának nevezzük, és két okból kisebb a beesési teljesítménynél:
① A jel egy része visszaverődik.
② A komponens elnyeli a jel egy részét.
Összefoglalva tehát a beillesztési veszteséget decibelben fejezzük ki, és ez a beeső teljesítmény és az átvitt teljesítmény aránya. Összefoglalhatjuk továbbá azt a visszatérési veszteséget, amelyet decibelben is kifejezünk a beeső teljesítmény és a visszavert teljesítmény arányában. Ezért láthatjuk, hogy a kétféle veszteségmérési paraméter hogyan segít pontosan mérni egy mérhető jel és komponens teljes hatékonyságát egy rendszeren belül vagy egy átmenő úton.
A mai elektronikai gyakorlatban a visszatérés vesztesége előnyösebb az SWR helyett, mivel jobb felbontást biztosít a visszavert hullámok kisebb értékei esetén.
3) Mi az impedencia egyezés
Az impedancia egyeztetése forrás tervezése és a terhelési impedanciák a jel visszaverődésének minimalizálása vagy az energiaátadás maximalizálása érdekében. DC áramkörökben a forrásnak és a terhelésnek egyenlőnek kell lennie. AC áramkörökben a forrásnak meg kell egyeznie a terheléssel vagy a terhelés komplex konjugátumával, a céltól függően. Az impedancia (Z) az elektromos áramlással való szembenállás mértéke, amely komplex érték, a valós részt ellenállásként (R) definiáljuk, a képzeletbeli részt pedig reaktivitásnak (X) nevezzük. Az impedancia egyenlete definíció szerint ekkor Z = R + jX, ahol j a képzeletbeli egység. DC rendszerekben a reaktancia nulla, tehát az impedancia megegyezik az ellenállással.
A feszültség álló hullám aránya (VSWR) az eltérés mértékének feltüntetése egy antenna és az ahhoz csatlakozó tápvezeték között. (Kattintson a gombra itt hogy megválasszuk antennatermékeinket) Ezt hívják Standing Wave Ratio (SWR) néven is. A VSWR értéktartománya 1 és ∞ között van. A 2 alatti VSWR értéket vesszük figyelembe megfelelő a legtöbb antennalkalmazáshoz. Az antenna leírása szerint „Jó egyezés”. Tehát, ha valaki azt mondja, hogy az antenna rosszul illeszkedik, nagyon gyakran ez azt jelenti, hogy a VSWR értéke meghaladja a 2-t egy érdekes frekvencia szempontjából. A visszatérési veszteség az érdeklődés másik specifikációja, és részletesebben az Antennaelmélet szakaszban található. Általában megkövetelt konverzió a visszatérési veszteség és a VSWR között, és néhány értéket táblázatban, ezen értékek grafikonjával együtt mutatunk be a gyors áttekintés érdekében.
Vegyünk egy gyors videót a VSWR-ről!
2) Tényezők Hatással van a VSWR-re
· Frekvencia
· Antenna föld
· Közeli fémtárgyak
· Az antenna felépítésének típusa
· Hőmérséklet
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
Az SWR egy fogalom, azaz az állóhullám arány. A VSWR valójában az, ahogyan elvégzi a mérést, a feszültségek mérésével az SWR meghatározásához. Az SWR-t az áramok vagy akár a teljesítmény (ISWR és PSWR) mérésével is mérheti. De a legtöbb célból, amikor valaki azt mondja, hogy SWR, akkor VSWR-re gondol, a közös beszélgetés során felcserélhetők.
· SWR: Az SWR az állóhullám arányt jelenti. Leírja a vonalon megjelenő feszültség- és áramhullámokat. Ez általános leírás mind az áram, mind a feszültség állóhullámaira. Gyakran használják az állóhullám-arány kimutatására használt mérőkkel együtt. Mind az áram, mind a feszültség ugyanolyan arányban növekszik és csökken egy adott eltérés esetén. · VSWR: A VSWR vagy a feszültség állóhullám-aránya kifejezetten a tápvezetékre vagy az átviteli vezetékre felállított állandó feszültségű hullámokra vonatkozik. Mivel az állófeszültségű hullámok felismerése könnyebb, és sok esetben a feszültségek fontosabbak az eszköz meghibásodása szempontjából, gyakran használják a VSWR kifejezést, különösen az RF tervezési területeken.
A legtöbb gyakorlati célból az ISWR megegyezik a VSWR-rel. Ideális körülmények között a jelátviteli vezeték RF feszültsége a vezeték minden pontján megegyezik, figyelmen kívül hagyva a vezetékekben bekövetkező elektromos ellenállás és a vezetékeket elválasztó dielektromos anyag hiányosságai által okozott teljesítményveszteségeket. Az ideális VSWR tehát 1: 1. (Gyakran az SWR értéket egyszerűen az arány első számának vagy számlálójának a formájában írják, mert a második szám vagy nevező mindig 1.) Ha a VSWR 1, akkor az ISWR is 1. Ez az optimális feltétel csak akkor léteznek, amikor a terhelés (például antenna vagy vezeték nélküli vevő), amelybe az RF tápellátást szolgáltatják, impedanciája megegyezik az átviteli vonal impedanciájával. Ez azt jelenti, hogy a terhelési ellenállásnak meg kell egyeznie a távvezeték jellegzetes impedanciájával, és a terhelés nem tartalmazhat reaktanciát (vagyis a terhelésnek induktivitástól és kapacitástól mentesnek kell lennie). Bármely más helyzetben a feszültség és az áram a vonal különböző pontjain ingadozik, és az SWR nem 1.
4. Hogyan befolyásolja a VSWR az átviteli rendszer teljesítményét
A VSWR számos módon befolyásolja egy átviteli rendszer vagy bármely olyan rendszer teljesítményét, amely rádiófrekvenciákat és azonos impedanciákat használhat. Bár a VSWR-t rendesen használják, a feszültség és az áram hullámai is problémákat okozhatnak.
· Az adó teljesítményerősítői megsérülhetnek: Az adagolón az állóhullámok eredményeként megnövekedett feszültség és áram károsíthatja az adó kimeneti tranzisztorait. A félvezető eszközök nagyon megbízhatóak, ha meghatározott határok között működnek, de az adagolón lévő feszültség és áram álló hullámai katasztrofális károsodást okozhatnak, ha a készüléket határaikon kívül működtetik.
· A PA védelem csökkenti a kimeneti teljesítményt: Tekintettel a magas SWR-szintek valós veszélyére, amelyek károsíthatják az erősítőt, sok adó védelmi áramkört tartalmaz, amely csökkenti az adó kimenetét, amikor az SWR emelkedik. Ez azt jelenti, hogy az adagoló és az antenna közötti rossz egyezés magas SWR-t eredményez, ami a kimenet csökkenését és ezáltal az átvitt teljesítmény jelentős veszteségét okozza.
· A magas feszültség és az áramszint károsíthatja az adagolót: Lehetséges, hogy a magas állóhullám-arány által okozott magas feszültség és áramszint károsíthatja az adagolót. Noha az adagolók a legtöbb esetben jól működnek a korlátaikon belül, és a feszültség és az áram megkétszereződését el kell tudni látni, vannak olyan esetek, amikor károk keletkezhetnek. A jelenlegi maximumok túlzott helyi fűtést okozhatnak, ami torzíthatja vagy megolvaszthatja a felhasznált műanyagokat, és a magas feszültségekről ismert, hogy bizonyos körülmények között ívet okoznak.
· A reflexiók okozta késések torzulást okozhatnak: Ha a jelet nem megfelelő eltérés tükrözi, akkor az visszaverődik a forrás felé, majd az antenna felé visszavezethető. Késleltetés kerül bevezetésre, amely megegyezik a jel átviteli idejének kétszeresével az adagoló mentén. Ha adatokat továbbítanak, ez szimbólumok közötti interferenciát okozhat, és egy másik példában, ahol analóg televíziót sugároztak, „szellem” képet láttak.
· Jelcsökkenés a tökéletesen illeszkedő rendszerhez képest: Érdekes módon a gyenge VSWR által okozott jelszintveszteség közel sem olyan nagy, mint egyesek elképzelhetik. Bármely jel, amelyet a terhelés tükröz, visszaverődik az adóra, és mivel az adónál történő illesztés lehetővé teszi a jel visszavert visszavezetését az antennára, a felmerült veszteségek alapvetően azok, amelyeket az adagoló vezet be. Iránymutatásként egy 30 méter hosszú RG213 koax, 1.5 MHz körüli veszteséggel 30 MHz-en azt jelenti, hogy a VSWR-rel működő antenna csak valamivel több, mint 1dB veszteséget okoz ezen a frekvencián egy tökéletesen illeszkedő antennához képest.
Számos különféle módszer használható az állóhullám arányának mérésére. A leg intuitívabb módszer réselt vonalat használ amely a távvezeték egy szakasza nyitott résszel, amely lehetővé teszi a szonda számára a tényleges feszültség detektálását a vonal különböző pontjain. Így a maximális és minimális értékek közvetlenül összehasonlíthatók. Ezt a módszert VHF-en és magasabb frekvenciákon alkalmazzák. Alacsonyabb frekvenciákon az ilyen vonalak gyakorlatilag hosszúak. Irányított kapcsolók használhatók HF-on mikrohullámú frekvenciákon keresztül. Egyesek negyedhullámúak vagy annál hosszabbak, ami a magasabb frekvenciákra korlátozza használatukat. Más típusú irányított csatolók az áramot és a feszültséget az átviteli út egyetlen pontján mintázzák és matematikailag kombinálják úgy, hogy az egy irányban áramló teljesítményt ábrázolják. Az amatőr üzemben használt SWR / teljesítménymérő általános típusa tartalmazhat kétirányú csatlakozót. Más típusok egyetlen csatolót használnak, amelyet 180 fokkal el lehet forgatni a két irányban áramló teljesítmény mintavételéhez. Az ilyen típusú egyirányú csatolók számos frekvenciatartományra és teljesítményszintre, valamint az alkalmazott analóg mérő megfelelő kapcsolási értékeivel állnak rendelkezésre.
Réselt vonal
Az iránycsatolók által mért előre és visszavert teljesítmény felhasználható az SWR kiszámításához. A számítások elvégezhetők matematikailag analóg vagy digitális formában, vagy a mérőbe beépített grafikus módszerek alkalmazásával kiegészítő skálaként, vagy az ugyanazon a mérőn lévő két tű közötti kereszteződésből kiolvasva.
A fenti mérőeszközök "egy vonalban" használhatók, vagyis az adó teljes teljesítménye áthaladhat a mérőeszközön, lehetővé téve az SWR folyamatos ellenőrzését. Más műszerek, például hálózati analizátorok, kis teljesítményű iránycsatlakozók és antennahidak alacsony energiafogyasztást használnak a méréshez, és azokat az adó helyett kell csatlakoztatni. A híd áramkörökkel közvetlenül mérhető a terhelés impedanciájának valós és képzeletbeli része, és felhasználhatók ezek az értékek az SWR levezetésére. Ezek a módszerek több információt nyújthatnak, mint pusztán az SWR, vagy az előre és visszavert teljesítmény. Az önálló antennanalizátorok különféle mérési módszereket alkalmaznak, és képesek megjeleníteni az SWR-t és a frekvencia alapján ábrázolt egyéb paramétereket. Irányított kapcsolók és híd kombinációjával olyan soros műszert lehet készíteni, amely közvetlenül komplex impedanciában vagy SWR-ben olvasható. Különálló antennaelemzők is rendelkezésre állnak, amelyek több paramétert mérnek.
Teljesítménymérő
JEGYZET: Ha az Ön SWR-értéke 1 alatt van, problémája van. Lehet, hogy rossz az SWR mérője, valami nem megfelelő az antennával vagy az antennacsatlakozással, esetleg sérült vagy hibás a rádió.
Amikor egy továbbított hullám elér egy olyan határvonalat, mint például az veszteségmentes átviteli vonal és a terhelés (1 ábra), akkor egy rész energiát továbbít a terheléshez, míg más részét visszaverjük. A reflexiós együttható a bejövő és visszavert hullámokhoz kapcsolódik:
Γ = V-/V+ (1. egyenlet)
Ahol V- a visszavert hullám, és V + a bejövő hullám. A VSWR a feszültségvisszaverési együttható nagyságával (Γ) függ össze:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (2. egyenlet)
1. ábra: A távvezeték áramköre, amely szemlélteti az átviteli vezeték és a terhelés közötti impedancia eltérési határt. A tükröződések a Γ által kijelölt határon történnek. A beeső hullám V +, a fényvisszaverő hullám pedig V-.
A VSWR közvetlenül mérhető egy SWR-mérővel. Az RF teszt eszköz, például a vektorhálózati analizátor (VNA) használható a bemeneti port (S11) és a kimeneti port (S22) reflexiós együtthatóinak mérésére. Az S11 és az S22 egyenértékű a Γ értékkel a bemeneti és a kimeneti porton. A matematikai módú VNA-k közvetlenül kiszámolhatják és megjeleníthetik a kapott VSWR értéket.
A visszatérési veszteség a bemeneti és a kimeneti portokon az S11 vagy S22 reflexiós együtthatóból kiszámítható a következők szerint:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (3. egyenlet)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (Eq. 4)
A reflexiós együtthatót az átviteli vonal jellemző impedanciája és a terhelési impedancia alapján számítják ki a következőképpen:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (5. egyenlet)
Ahol ZL a terhelési impedancia és ZO a távvezeték jellemző impedanciája (1. ábra).
A VSWR ZL-ben és ZO-ban is kifejezhető. Kicserélve az 5 egyenletet az 2 egyenletre, az alábbiakat kapjuk:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
ZL> ZO esetén | ZL - ZO | = ZL - ZO
Ebből adódóan:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (7. egyenlet)
A fentiekben megjegyeztük, hogy a VSWR az 1-hez viszonyítva formában megadott specifikáció, például 1.5: 1. A VSWR-nek két különleges esete van: ∞: 1 és 1: 1. A végtelenség egyhöz viszonyított aránya akkor fordul elő, ha a terhelés nyitott áramkör. Az 1: 1 hányadosa akkor fordul elő, amikor a terhelés tökéletesen illeszkedik a távvezeték karakterisztikus impedanciájához.
A VSWR az állandó hullám alapján kerül meghatározásra, amely maga a távvezetéknél keletkezik:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (8. egyenlet)
Ahol VMAX a maximális amplitúdó, a VMIN pedig az állóhullám minimális amplitúdója. Két szuper-előre beállított hullám esetén a maximum a bejövő és a visszavert hullámok közötti építő jellegű interferenciával történik. És így:
VMAX = V + + V- (9. egyenlet)
a maximális konstruktív interferencia érdekében. A minimális amplitúdó dekonstruktív interferencia esetén következik be, vagy:
VMIN = V + - V- (10. egyenlet)
Az 9 és 10 egyenleteket helyettesítve az 8 egyenlettel
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (11. egyenlőség)
Helyettesítve az 1 egyenletet az 11 egyenlettel, az alábbiakat kapjuk:
Amint az elektromos hullám áthalad az antennarendszer különböző részein (vevő, tápvezeték, antenna, szabad hely), az impedanciák eltéréseivel találkozhat. Mindegyik interfésznél a hullám energiájának egy része visszatükröződik a forrásba, állandó hullámot képezve az előtolási vonalban. A hullámban a maximális teljesítmény és a minimális teljesítmény aránya mérhető, és az úgynevezett feszültség állóhullám-arányának (VSWR) nevezik. 1.5: 1-nél kisebb VSWR ideális, a 2: 1-es VSWR-t marginálisan elfogadhatónak tekintik alacsony fogyasztású alkalmazásokban, ahol az energiaveszteség kritikusabb, bár a 6: 1-es VSWR még mindig jobbal használható felszerelés. Abban az esetben, ha nem érdekelnek matematikai egyenletek, itt van egy kis "cheat sheet" táblázat, amely segít megérteni a VSWR és a visszavert teljesítmény százalékos arányát.
VSWR
Visszatért erő
(hozzávetőleges)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. Mi okozza a magas VSWR értéket?
Ha a VSWR túl magas, akkor potenciálisan túl sok energia visszavezethető egy erősítőbe, ami károsíthatja a belső áramkört. Ideális rendszerben 1: 1 VSWR lenne. A magas VSWR besorolás oka lehet nem megfelelő terhelés vagy valami ismeretlen dolog, például sérült távvezeték.
