Koji je omjer valnog napona? Kako izračunati VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) je mjera učinkovitosti prijenosa radiofrekvencijske snage iz izvora napajanja kroz dalekovod u opterećenje (na primjer iz pojačala snage kroz dalekovod do antene ). " Ovo je koncept VSWR-a. Više o VSWR-u, poput čimbenika utjecaja VSWR-a, utjecaja na prijenosni sustav, razlika s SWR-om itd. Ovaj vam članak može dati detaljno objašnjenje.
Prema Wikipediji, omjer stojnog vala (SWR) definiran je kao:
"mjera podudaranja impedancije opterećenja s karakterističnom impedancijom dalekovoda ili valovoda. Neusklađenosti impedancije rezultiraju stojećim valovima duž dalekovoda, a SWR se definira kao omjer amplitude djelomičnog stojećeg vala na antinodi (maksimum) i amplituda na čvoru (minimalna) duž crte. "
SWR se obično mjeri pomoću namjenskog instrumenta koji se naziva SWR metar. Budući da je SWR mjera impedancije opterećenja u odnosu na karakterističnu impedansu dalekovoda u upotrebi (koji zajedno određuje koeficijent refleksije kako je opisano u nastavku), zadani SWR mjerač može interpretirati impedansu koju vidi u smislu SWR samo ako ima su dizajnirani za tu određenu karakterističnu impedansu. U praksi je većina prijenosnih vodova koji se koriste u ovim aplikacijama koaksijalni kabel s impedancijom od 50 ili 75 oma, pa većina SWR brojila odgovara jednom od njih.
Provjera SWR-a standardni je postupak u radijskoj postaji. Iako bi se iste informacije mogle dobiti mjerenjem impedancije opterećenja analizatorom impedance (ili "mosta impedancije"), SWR mjerač je u tu svrhu jednostavniji i robusniji. Mjerenjem veličine neusklađenosti impedancije na izlazu odašiljača otkriva probleme zbog antene ili dalekovoda.
Usput, ako mislite da osobno nikada niste doživjeli stojeći val, vrlo je malo vjerojatno. Stajaći valovi u mikrovalnoj pećnici razlog su što se hrana neravnomjerno kuha (gramofon je djelomično rješenje tog problema). Valna duljina signala od 2.45 GHz je oko 12 centimetara ili oko pet inča. Nule u zračenju (i zagrijavanju) razdvojit će se na udaljenosti sličnoj valnoj duljini.
Koeficijent refleksije je a parametar koja opisuje koliki se dio elektromagnetskog vala odražava diskontinuitetom impedancije u prijenosnom mediju, jednakom omjeru amplitude reflektiranog vala i upadnog vala. Koeficijent refleksije vrlo je korisna kvaliteta pri određivanju VSWR-a ili ispitivanju podudaranja između, na primjer, hranilice i tereta. Grčko slovo Γ obično se koristi za koeficijent refleksije, iako se često vidi i σ.
Koeficijent refleksije
Koristeći osnovnu definiciju koeficijenta refleksije, on se može izračunati iz znanja o incidentni i odbijeni naponi.
Gdje:
Γ = koeficijent refleksije
Vref = odbijeni napon
Vfwd = napon prema naprijed
2) Povratni gubitak i gubitak rezervacije
Gubitak Povratak je gubitak snage signala zbog refleksije ili povratka signala diskontinuitetom u optičkoj vezi ili dalekovodu, a njegova izražajna jedinica je također u decibelima (dBs). Ova neusklađenost impedancije može biti s uređajem umetnutim u vod ili s završnim opterećenjem. Štoviše, povratni gubitak odnos je i koeficijenta refleksije (Γ) i omjera stojnog vala (SWR), i uvijek je pozitivan broj, a veliki povratni gubitak je povoljan mjerni parametar, i obično odgovara niskom umetanju gubitak. Usput, ako povećate povratni gubitak, on će korelirati s nižim SWR-om.
Gubitak signala, koji javlja se duž duljine optičke veze, naziva se gubitak umetanja. Gubitak umetanja je, međutim, prirodna pojava koja se javlja kod svih vrsta prijenosa, bilo da se radi o podacima ili o električnim prijenosima. Nadalje, kao što je to u osnovi sa svim fizičkim dalekovodima ili vodljivim stazama, što je duži put veći su gubici. Štoviše, ti se gubici također javljaju na svakoj točki spajanja duž linije, uključujući spojnice i spojnice. Ovaj određeni parametar mjerenja izražava se u decibelima i uvijek treba biti pozitivan broj. Međutim, treba, ne znači uvijek, a ako je slučajno i negativno, to nije povoljan mjerni parametar. U nekim se slučajevima gubitak umetanja može prikazati kao negativno mjerenje parametara.
Povratni gubitak i gubitak umetanja
Dakle, proučimo gornji dijagram detaljno kako bismo mogli bolje razumjeti kako interakcijski gubici i povratni gubici međusobno djeluju. Kao što vidite, incidentna snaga putuje niz dalekovod s lijeve strane dok ne dosegne komponentu. Jednom kad dosegne komponentu, dio signala odbija se nazad niz dalekovod prema izvoru iz kojeg je došao. Također, imajte na umu da ovaj dio signala ne ulazi u komponentu.
Ostatak signala zaista ulazi u komponentu. Tamo se dio apsorbira, a ostatak prolazi kroz komponentu u dalekovod s druge strane. Snaga koja izlazi iz komponente naziva se prenesena snaga, a manja je od upadne snage iz dva razloga:
① Dio signala se odražava.
Component Komponenta apsorbira dio signala.
Dakle, ukratko, gubitak umetanja izražavamo u decibelima, a to je omjer padajuće snage i prenesene snage. Nadalje, možemo sažeti taj povratni gubitak, koji također izražavamo u decibelima, omjer upadne snage i reflektirane snage. Stoga možemo vidjeti kako dvije vrste parametara za mjerenje gubitaka pomažu u preciznom mjerenju ukupne učinkovitosti mjerljivog signala i komponente unutar sustava ili prolaznog puta.
U današnjoj elektroničkoj praksi, u smislu upotrebe, povratni gubitak je bolji od SWR-a jer pruža bolju razlučivost za manje vrijednosti reflektiranih valova.
3) Što je podudaranje impedancije
Podudaranje impedancije je projektiranje izvora i impedancije opterećenja kako bi se smanjilo odbijanje signala ili povećao prijenos snage. U istosmjernim krugovima izvor i opterećenje trebaju biti jednaki. U krugovima izmjenične struje izvor bi trebao biti jednak opterećenju ili složenom konjugatu tereta, ovisno o cilju. Impedancija (Z) je mjera suprotstavljanja električnom protoku, što je složena vrijednost, a stvarni dio definiran je kao otpor (R), a imaginarni dio naziva se reaktansa (X). Jednadžba impedancije je tada po definiciji Z = R + jX, gdje je j imaginarna jedinica. U istosmjernim sustavima reaktancija je jednaka nuli, pa je impedancija jednaka otporu.
Omjer valnog napona (VSWR) je naznaka količine neusklađenosti između antene i dovodnog voda koji se na nju spaja. (Klik ovdje da odaberemo naše antenske proizvode) To je također poznato kao omjer stojnog vala (SWR). Raspon vrijednosti za VSWR je od 1 do ∞. Vodi se VSWR vrijednost ispod 2 prikladni za većinu primjena antena. Antena se može opisati kao da se dobro podudara. Dakle, kad netko kaže da je antena loše usklađena, vrlo često to znači da vrijednost VSWR premašuje 2 za frekvenciju od interesa. Povratni gubitak je još jedna specifikacija od interesa i detaljnije je obrađen u odjeljku Teorija antena. Uobičajeno potrebna pretvorba je između povratnog gubitka i VSWR-a, a neke vrijednosti tabelirane su u grafikonu, zajedno s grafikonom tih vrijednosti za brzu referencu.
Napravimo brzi video o VSWR!
2) Čimbenici Utječe na VSWR
· Frekvencija
· Uzemljenje antene
· U blizini metalni predmeti
· Vrsta konstrukcije antene
· Temperatura
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR je koncept, odnosno omjer stojnog vala. VSWR je zapravo način mjerenja mjerenjem napona za određivanje SWR-a. Također možete izmjeriti SWR mjerenjem struja ili čak snage (ISWR i PSWR). No, u većini namjera i svrha, kad netko kaže SWR, misli na VSWR, u uobičajenom su razgovoru zamjenjivi.
· SWR: SWR označava omjer stojnog vala. Opisuje naponske i strujne valove koji se pojavljuju na liniji. To je generički opis za trenutne i naponske stojne valove. Često se koristi zajedno s mjeračima koji se koriste za otkrivanje omjera stojnih valova. I struja i napon rastu i padaju za isti omjer za datu neusklađenost. · VSWR: VSWR ili omjer napona stojnih valova odnosi se posebno na naponske stojne valove koji su postavljeni na dovodnom ili dalekovodu. Kako je lakše otkriti naponske valove, a u mnogim slučajevima naponi su važniji u smislu kvara uređaja, izraz VSWR često se koristi, posebno u područjima RF dizajna.
Iz većine praktičnih svrha ISWR je isti kao i VSWR. U idealnim uvjetima, RF napon na dalekovodu jednak je u svim točkama na liniji, zanemarujući gubitke snage uzrokovane električnim otporom u žicama vodova i nesavršenostima dielektričnog materijala koji razdvaja vodove vodova. Idealni VSWR je dakle 1: 1. (Često se SWR vrijednost zapisuje jednostavno u smislu prvog broja ili brojnika omjera, jer je drugi broj ili nazivnik uvijek 1.) Kada je VSWR 1, ISWR je također 1. Ovaj optimalni uvjet može postoje samo kada opterećenje (poput antene ili bežičnog prijamnika), u koje se isporučuje RF snaga, ima impedansu identičnu impedanciji dalekovoda. To znači da otpor opterećenja mora biti jednak karakterističnoj impedanciji dalekovoda, a opterećenje ne smije sadržavati reaktansu (tj. Opterećenje mora biti bez induktiviteta ili kapacitivnosti). U bilo kojoj drugoj situaciji, napon i struja osciliraju u različitim točkama duž crte, a SWR nije 1.
4. Kako VSWR utječe na performanse u prijenosnom sustavu
Postoji mnogo načina na koje VSWR utječe na performanse prijenosnog sustava ili bilo kojeg sustava koji može koristiti radio frekvencije i identične impedancije. Iako se VSWR koristi normalno, i naponski i strujni valovi mogu stvarati probleme.
· Pojačala snage predajnika mogu se oštetiti: Povećane razine napona i struje koje se vide na ulagaču kao rezultat stajaćih valova mogu oštetiti izlazne tranzistore predajnika. Poluvodički uređaji vrlo su pouzdani ako rade u njihovim zadanim granicama, ali naponi i strujni stojni valovi na ulagaču mogu prouzročiti katastrofalnu štetu ako uzrokuju da uređaj radi izvan njihovih granica.
· PA zaštita smanjuje izlaznu snagu: S obzirom na vrlo stvarnu opasnost da visoke razine SWR-a uzrokuju oštećenja pojačala snage, mnogi odašiljači sadrže zaštitni sklop koji smanjuje izlaz s odašiljača kako SWR raste. To znači da će loše podudaranje između napojnika i antene rezultirati visokim SWR-om što dovodi do smanjenja izlaza i time do značajnog gubitka u prenesenoj snazi.
· Visok napon i struja mogu oštetiti ulagač: Moguće je da razine visokog napona i struje uzrokovane visokim omjerom stojećih valova mogu oštetiti ulagač. Iako će se u većini slučajeva hranilicama raditi dobro u njihovim granicama i ako se udvostručenje napona i struje mora prilagoditi, postoje neke okolnosti kada može doći do oštećenja. Trenutni maksimumi mogu uzrokovati prekomjerno lokalno zagrijavanje što bi moglo iskriviti ili otopiti upotrijebljenu plastiku, a poznato je da visoki naponi u nekim okolnostima uzrokuju lučenje.
· Kašnjenja uzrokovana refleksijama mogu uzrokovati izobličenja: Kada se signal reflektira neusklađenošću, on se reflektira natrag prema izvoru, a zatim se može ponovno reflektirati natrag prema anteni. Uvodi se kašnjenje jednako dvostrukom vremenu prijenosa signala duž ulagača. Ako se podaci prenose, to može uzrokovati intersimbolne smetnje, a u drugom primjeru gdje se prenosila analogna televizija, vidjela se slika "duha".
· Smanjenje signala u usporedbi sa sustavom koji se savršeno podudara: Zanimljivo je da gubitak razine signala uzrokovan lošim VSWR-om nije ni približno toliko velik koliko neki mogu zamisliti. Bilo koji signal koji se odražava opterećenjem, reflektira se natrag na odašiljaču, a kako podudaranje na odašiljaču može omogućiti ponovno vraćanje signala na antenu, nastali gubici u osnovi su gubici koje unosi ulagač. Kao vodilica, koaksijalna duljina RG30 od 213 metara s gubitkom od oko 1.5 dB na 30 MHz značit će da će antena koja radi s VSWR-om na ovoj frekvenciji izgubiti samo malo više od 1 dB u usporedbi s savršeno usklađenom antenom.
Mnogo različitih metoda može se koristiti za mjerenje omjera stojnih valova. Najintuitivnija metoda koristi prorezanu crtu koji je dio dalekovoda s otvorenim prorezom koji omogućava sondi da otkrije stvarni napon u raznim točkama duž linije. Stoga se maksimalne i minimalne vrijednosti mogu izravno usporediti. Ova se metoda koristi na VHF i višim frekvencijama. Na nižim frekvencijama takvi su redovi nepraktično dugi. Usmjerene spojnice mogu se koristiti na VF frekvencijama mikrovalne pećnice. Neki su dugi i do četvrtine vala ili više, što ograničava njihovu upotrebu na više frekvencije. Druge vrste usmjerenih spojnica uzorkuju struju i napon u jednoj točki prijenosa i matematički ih kombiniraju na takav način da predstavljaju snagu koja teče u jednom smjeru. Uobičajeni tip SWR / mjerača snage koji se koristi u amaterskom radu može sadržavati dvosmjernu spojnicu. Ostale vrste koriste jednu spojnicu koja se može zakrenuti za 180 stupnjeva za uzorkovanje snage koja teče u bilo kojem smjeru. Jednosmjerne spojnice ovog tipa dostupne su za mnoga frekvencijska područja i razine snage te s odgovarajućim vrijednostima spajanja za upotrijebljeni analogni mjerač.
Prorezana linija
Snaga naprijed i odraz koja se mjeri usmjerenim spojnicama može se koristiti za izračunavanje SWR-a. Proračuni se mogu izvršiti matematički u analognom ili digitalnom obliku ili uporabom grafičkih metoda ugrađenih u mjerač kao dodatnu ljestvicu ili očitavanjem s točke prijelaza između dviju igala na istom mjeraču.
Gore navedeni mjerni instrumenti mogu se koristiti "u liniji", tj. Puna snaga odašiljača može proći kroz mjerni uređaj tako da omogućuje kontinuirano praćenje SWR-a. Ostali instrumenti, poput mrežnih analizatora, usmjernih spojnica male snage i antenskih mostova, koriste malu snagu za mjerenje i moraju biti povezani umjesto odašiljača. Mostovni krugovi mogu se koristiti za izravno mjerenje stvarnih i zamišljenih dijelova impedancije opterećenja i za korištenje tih vrijednosti za dobivanje SWR-a. Ove metode mogu pružiti više informacija nego samo SWR ili prosljeđivanje i reflektirana snaga. Samostalni antenski analizatori koriste se raznim mjernim metodama i mogu prikazati SWR i druge parametre nanizane prema frekvenciji. Korištenjem usmjerenih spojnica i mosta u kombinaciji moguće je napraviti linijski instrument koji čita izravno u složenoj impedanciji ili u SWR-u. Dostupni su i samostalni antenski analizatori koji mjere višestruke parametre.
Mjerač snage
NAPOMENA: Ako je vaše očitanje SWR ispod 1, imate problem. Možda imate loš SWR mjerač, nešto nije u redu s antenom ili vezom antene ili možda imate oštećen ili neispravan radio.
Kad preneseni val dosegne granicu poput one između dalekovoda bez gubitaka i opterećenja (slika 1), dio energije će se prenijeti na teret, a neki će se reflektirati. Koeficijent refleksije odnosi dolazne i odbijene valove kao:
Γ = V-/V+ (Jednadžba 1)
Gdje je V- reflektirani val, a V + dolazni val. VSWR se odnosi na veličinu koeficijenta refleksije napona (Γ) prema:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (jednadžba 2)
Slika 1. Krug dalekovoda koji ilustrira granicu neusklađenosti impedancije između dalekovoda i tereta. Refleksije se javljaju na granici koju označava Γ. Upadajući val je V +, a reflektirajući val V-.
VSWR se može izravno izmjeriti SWR metrom. RF test instrument poput vektorskog mrežnog analizatora (VNA) može se koristiti za mjerenje koeficijenata refleksije ulaznog priključka (S11) i izlaznog priključka (S22). S11 i S22 su ekvivalentni Γ na ulaznom i izlaznom priključku, respektivno. VNA s matematičkim načinima također mogu izravno izračunati i prikazati rezultirajuću VSWR vrijednost.
Gubitak povratka na ulaznim i izlaznim portovima može se izračunati iz koeficijenta refleksije, S11 ili S22, kako slijedi:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (jednadžba 3)
ROLOUT = 20log10 | S22 | dB (jednadžba 4)
Koeficijent refleksije izračunava se iz karakteristične impedance dalekovoda i impedancije opterećenja kako slijedi:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (jednadžba 5)
Gdje je ZL impedancija opterećenja, a ZO karakteristična impedancija dalekovoda (slika 1).
VSWR se može izraziti i u ZL i ZO. Zamjenom jednadžbe 5 u jednadžbu 2, dobivamo:
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
Stoga:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Jednadžba 7)
Gore smo napomenuli da je VSWR specifikacija navedena u omjeru u odnosu na 1, kao primjer 1.5: 1. Postoje dva posebna slučaja VSWR, ∞: 1 i 1: 1. Odnos beskonačnosti prema jednom nastaje kada je opterećenje otvorenog kruga. Omjer 1: 1 nastaje kada se opterećenje savršeno podudara s karakterističnom impedancijom dalekovoda.
VSWR se definira iz stajaćeg vala koji nastaje na samom dalekovodu:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Jednačina 8)
Tamo gdje je VMAX maksimalna amplituda, a VMIN je minimalna amplituda stajaćeg vala. S dva super nametnuta vala, maksimum se događa s konstruktivnim interferencijama između dolaznih i reflektiranih valova. Tako:
VMAX = V + + V- (jednadžba 9)
za maksimalne konstruktivne smetnje. Minimalna amplituda javlja se kod dekonstruktivnih smetnji ili:
VMIN = V + - V- (jednadžba 10)
Zamjena jednadžbi 9 i 10 u jednadžbi 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (jednadžba 11)
Supstituciju jednadžbe 1 u jednadžbu 11, dobivamo:
Kako električni val putuje kroz različite dijelove antenskog sustava (prijamnik, dovodni vod, antena, slobodni prostor), on može naići na razlike u impedansama. Na svakom će se sučelju neki dio energije vala odraziti natrag do izvora, tvoreći stojni val u dovodnoj liniji. Omjer maksimalne snage i minimalne snage u valu može se izmjeriti i naziva se omjer napona stojnog vala (VSWR). VSWR manji od 1.5: 1 je idealan, VSWR 2: 1 smatra se rubno prihvatljivim u aplikacijama male snage gdje su gubici snage kritičniji, iako VSWR visoki 6: 1 i dalje može biti upotrebljiv s pravom oprema. Samo u slučaju da vam nije stalo do matematičkih jednadžbi, evo male tablice "varalica" koja će vam pomoći razumjeti korelaciju VSWR-a s postotkom reflektirane snage koja će se vratiti.
VSWR
Vraćena snaga
(Približno)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. Što uzrokuje visoki VSWR?
Ako je VSWR previsok, potencijalno bi se moglo previše energije odbiti natrag u pojačalo snage, uzrokujući oštećenje unutarnjeg kruga. U idealnom sustavu postojao bi VSWR 1: 1. Uzroci visoke VSWR ocjene mogu biti uporaba nepropisnog tereta ili nešto nepoznato, poput oštećenog dalekovoda.
