Hva er Voltage Standing Wave Ratio? Hvordan beregne VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), er et mål på hvor effektivt radiofrekvenseffekt overføres fra en strømkilde, gjennom en overføringslinje, til en belastning (for eksempel fra en forsterker gjennom en overføringslinje, til en antenne ). " Dette er konseptet med VSWR. Mer om VSWR, for eksempel VSWRs påvirkningsfaktorer, innvirkningen på overføringssystemet, forskjellen med SWR osv. Denne artikkelen kan gi deg en detaljert forklaring.
I følge Wikipedia defineres stående bølgeforhold (SWR) som:
"et mål på impedanstilpasning av belastninger til den karakteristiske impedansen til en overføringslinje eller bølgeleder. Impedansforskjeller resulterer i stående bølger langs overføringslinjen, og SWR er definert som forholdet mellom den delvise stående bølgens amplitude ved en antinode (maksimum) til amplituden ved en node (minimum) langs linjen. "
SWR måles vanligvis ved hjelp av et dedikert instrument kalt an SWR-måler. Siden SWR er et mål på lastimpedansen i forhold til den karakteristiske impedansen til overføringslinjen i bruk (som sammen bestemmer refleksjonskoeffisienten som beskrevet nedenfor), kan en gitt SWR-meter bare tolke impedansen den ser i form av SWR hvis den har blitt designet for den spesielle karakteristiske impedansen. I praksis er de fleste overføringslinjer som brukes i disse applikasjonene, koaksialkabel med en impedans på enten 50 eller 75 ohm, så de fleste SWR-målere tilsvarer en av disse.
Kontroll av SWR er en standard prosedyre i en radiostasjon. Selv om den samme informasjonen kunne oppnås ved å måle lastens impedans med en impedansanalysator (eller "impedansbro"), er SWR-måleren enklere og mer robust for dette formålet. Ved å måle størrelsen på impedansforskjellen ved senderutgangen, avslører det problemer på grunn av antennen eller overføringsledningen.
Forresten, hvis du tror du aldri har opplevd en stående bølge personlig, er det veldig lite sannsynlig. Stående bølger i en mikrobølgeovn er grunnen til at maten tilberedes ujevnt (platespilleren er en delvis løsning på det problemet). Bølgelengden til 2.45 GHz-signalet er omtrent 12 centimeter, eller omtrent fem inches. Null i strålingen (og oppvarmingen) vil bli separert på en avstand som ligner bølgelengden.
Refleksjonskoeffisienten er a parameter som beskriver hvor mye av en elektromagnetisk bølge som reflekteres av en impedansdiskontinuitet i overføringsmediet, som tilsvarer forholdet mellom amplituden til den reflekterte bølgen og den innfallende bølgen. Refleksjonskoeffisienten er en veldig nyttig kvalitet når man bestemmer VSWR eller undersøker samsvaret mellom for eksempel en mater og en last. Den greske bokstaven Γ brukes vanligvis til refleksjonskoeffisient, selv om σ ofte blir sett.
Refleksjonskoeffisient
Ved å bruke den grunnleggende definisjonen av refleksjonskoeffisienten, kan den beregnes ut fra kunnskap om hendelsen og reflekterte spenninger.
Returnere tap er tap av signaleffekt på grunn av signalrefleksjon eller retur ved en diskontinuitet i en fiberoptisk kobling eller overføringslinje, og dens uttrykksenhet er også i desibel (dB). Denne impedansforskjellen kan være med en enhet satt inn i linjen eller med avslutningsbelastningen. Videre er retur tap forholdet mellom både refleksjonskoeffisienten (Γ) og stående bølgeforholdet (SWR), og er alltid et positivt tall, og et høyt retur tap er en gunstig måleparameter, og det korrelerer vanligvis til en lav innsetting tap. For øvrig, hvis du øker avkastningstapet, vil det korrelere med en lavere SWR.
Tap av signal, som forekommer i lengden på en fiberoptisk kobling, kalles innsettingstap. Innsettingstap er imidlertid en naturlig forekomst som forekommer med alle typer overføringer, enten det er data eller elektrisk. Videre, som det er med i utgangspunktet alle fysiske overføringslinjer eller ledende baner, jo lengre vei, jo høyere er tapet. Videre oppstår disse tapene også ved hvert tilkoblingspunkt langs linjen, inkludert skjøter og koblinger. Denne spesielle måleparameteren uttrykkes i desibel og skal alltid være et positivt tall. Imidlertid bør, betyr ikke alltid, og hvis det ved en tilfeldighet er negativt, er det ikke en gunstig måleparameter. I noen tilfeller kan et innsettingstap vises som en negativ parametermåling.
Returttap og tap av innsetting
Så nå, la oss undersøke diagrammet ovenfor i detalj, slik at vi kan få en bedre forståelse av hvordan innsettingstap og returavfall samhandler. Som du kan se, strømmer innfallende kraft nedover en transmisjonslinje fra venstre til den når komponenten. Når den når komponenten, reflekteres en del av signalet nedover overføringslinjen mot kilden det kom fra. Husk også at denne delen av signalet ikke kommer inn i komponenten.
Resten av signalet kommer faktisk inn i komponenten. Der blir noe av det absorbert, og resten passerer gjennom komponenten til overføringslinjen på den andre siden. Kraften som kommer ut av komponenten kalles overført kraft, og det er mindre enn hendelsesmakten av to grunner:
① En del av signalet reflekteres.
② Komponenten absorberer en del av signalet.
Så oppsummert uttrykker vi innsettingstap i desibel, og det er forholdet mellom innfallende kraft og overført kraft. Videre kan vi oppsummere at avkastningstapet, som vi også uttrykker i desibel, er forholdet mellom innfallende kraft og reflektert kraft. Derfor kan vi se hvordan de to typer tapsparametere hjelper til med å måle den totale effektiviteten til et målbart signal og en komponent i et system eller i en gjennomgående bane.
I dagens elektronikkpraksis, når det gjelder bruk, er returtap å foretrekke fremfor SWR, siden det gir bedre oppløsning for mindre verdier av reflekterte bølger.
3) Hva er Impedence Matching
Impedansmatching er designe kilde og lastimpedanser for å minimere signalrefleksjon eller maksimere kraftoverføring. I DC-kretser skal kilden og belastningen være lik. I vekselstrømkretser skal kilden enten være lik belastningen eller den komplekse konjugasjonen av lasten, avhengig av målet. Impedans (Z) er et mål på motstanden mot elektrisk strømning, som er en kompleks verdi med den virkelige delen definert som motstand (R), og den imaginære delen kalles reaktansen (X). Ligningen for impedans er da per definisjon Z = R + jX, hvor j er den imaginære enheten. I DC-systemer er reaktansen null, så impedansen er den samme som motstanden.
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) er en indikasjon på mengden uoverensstemmelse mellom en antenne og matelinjen som kobles til den. (Klikk her. å velge våre antenneprodukter) Dette er også kjent som Standing Wave Ratio (SWR). Verdiområdet for VSWR er fra 1 til ∞. En VSWR-verdi under 2 vurderes egnet for de fleste antenneapplikasjoner. Antennen kan beskrives som en ”Good Match”. Så når noen sier at antennen er dårlig matchet, betyr det veldig ofte at VSWR-verdien overstiger 2 for en frekvens av interesse. Avkastningstap er en annen spesifikasjon av interesse, og dekkes mer detaljert i delen Antenne Theory. En vanlig påkrevd konvertering er mellom avkastningstap og VSWR, og noen verdier er tabellert i diagram, sammen med en graf med disse verdiene for rask referanse.
La oss ta en rask visningsvideo om VSWR!
2) Faktorer Påvirker VSWR
· Frekvens
· Antennemark
· Nærliggende metallgjenstander
· Type antennekonstruksjon
· Temperatur
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR er et konsept, dvs. stående bølgeforhold. VSWR er faktisk hvordan du utfører målingen ved å måle spenningene for å bestemme SWR. Du kan også måle SWR ved å måle strømmen eller til og med effekten (ISWR og PSWR). Men for de fleste formål, når noen sier SWR, betyr de VSWR, i felles samtale er de utskiftbare.
· SWR: SWR står for stående bølgeforhold. Den beskriver spenningen og nåværende stående bølger som vises på linjen. Det er en generell beskrivelse for både nåværende og spennings stående bølger. Det brukes ofte i forbindelse med målere som brukes til å oppdage stående bølgeforhold. Både strøm og spenning stiger og faller med samme proporsjon for en gitt mismatch. · VSWR: VSWR eller spenning stående bølgeforhold gjelder spesifikt for spennings stående bølger som er satt opp på en mater eller overføringsledning. Siden det er lettere å oppdage spenningens stående bølger, og i mange tilfeller er spenninger viktigere når det gjelder enhetssammenbrudd, brukes ofte begrepet VSWR, spesielt innenfor RF-designområder.
For de fleste praktiske formål er ISWR det samme som VSWR. Under ideelle forhold er RF-spenningen på en signaloverføringslinje den samme på alle punkter på linjen, og neglisjerer effekttap forårsaket av elektrisk motstand i ledningene og ufullkommenheter i det dielektriske materialet som skiller ledningene. Den ideelle VSWR er derfor 1: 1. (Ofte skrives SWR-verdien ganske enkelt ut fra det første tallet, eller telleren, av forholdet fordi det andre tallet, eller nevneren, alltid er 1.) Når VSWR er 1, er ISWR også 1. Denne optimale tilstanden kan eksisterer bare når belastningen (som en antenne eller en trådløs mottaker), som RF-strøm leveres til, har en impedans som er identisk med impedansen til overføringsledningen. Dette betyr at lastmotstanden må være den samme som den karakteristiske impedansen til overføringsledningen, og belastningen må ikke inneholde noen reaktans (det vil si at belastningen må være fri for induktans eller kapasitans). I alle andre situasjoner svinger spenningen og strømmen på forskjellige punkter langs linjen, og SWR er ikke 1.
4. Hvordan VSWR påvirker ytelsen i overføringssystemet
Det er mange måter VSWR påvirker ytelsen til et overføringssystem eller ethvert system som kan bruke radiofrekvenser og identiske impedanser. Selv om VSWR brukes normalt, kan både spennings- og strømbølger forårsake problemer.
· Sendeforsterkerne kan bli skadet: De økte spennings- og strømnivåene som sees på materen som et resultat av stående bølger, kan skade transmitterens utgangstransistorer. Halvledere er veldig pålitelige hvis de brukes innenfor de angitte grensene, men spenningen og strømbølgene på materen kan forårsake katastrofal skade hvis de får enheten til å operere utenfor deres grenser.
· PA-beskyttelse reduserer utgangseffekten: I lys av den veldig reelle faren for høye SWR-nivåer som forårsaker skade på effektforsterkeren, har mange sendere beskyttelseskretser som reduserer utgangen fra senderen når SWR stiger. Dette betyr at en dårlig samsvar mellom materen og antennen vil resultere i en høy SWR som fører til at utgangen reduseres og dermed et betydelig tap i overført effekt.
· Høyspennings- og strømnivåer kan skade materen: Det er mulig at høyspennings- og strømnivåene forårsaket av det høye bølgeforholdet kan forårsake skade på materen. Selv om matere i de fleste tilfeller vil fungere godt innenfor sine grenser, og dobling av spenning og strøm skal kunne innkvarteres, er det noen omstendigheter når skade kan forårsakes. Nåværende maksimum kan føre til overdreven lokal oppvarming som kan forvrenge eller smelte plasten som brukes, og det er kjent at høyspenningene forårsaker lysbue under noen omstendigheter.
· Forsinkelser forårsaket av refleksjoner kan forårsake forvrengning: Når et signal reflekteres av feil samsvar, reflekteres det tilbake mot kilden, og kan deretter reflekteres tilbake mot antennen. En forsinkelse innføres lik to ganger sendingstiden for signalet langs materen. Hvis data overføres, kan dette forårsake inter-symbol interferens, og i et annet eksempel der analog TV ble overført, ble det sett et "spøkelsesbilde".
· Reduksjon i signal sammenlignet med perfekt matchende system: Interessant nok er tapet i signalnivå forårsaket av en dårlig VSWR ikke så stort som noen kan forestille seg. Ethvert signal som reflekteres av belastningen, reflekteres tilbake til senderen, og ettersom samsvar med senderen kan gjøre det mulig for signalet å reflekteres tilbake til antennen igjen, er tapene som er påført fundamentalt de som ble introdusert av materen. Som en guide vil en 30 meter lang RG213-koaksial med et tap på rundt 1.5 dB ved 30 MHz bety at en antenne som opererer med en VSWR bare vil gi et tap på litt over 1 dB ved denne frekvensen sammenlignet med en perfekt matchet antenne.
Mange forskjellige metoder kan brukes til å måle stående bølgeforhold. Den mest intuitive metoden bruker en spaltet linje som er en seksjon av overføringslinjen med et åpent spor som tillater en sonde å oppdage den faktiske spenningen på forskjellige punkter langs linjen. Dermed kan maksimums- og minimumsverdiene sammenlignes direkte. Denne metoden brukes ved VHF og høyere frekvenser. Ved lavere frekvenser er slike linjer upraktisk lange. Retningskoblinger kan brukes ved HF gjennom mikrobølgefrekvenser. Noen er en kvart bølge eller mer lange, noe som begrenser bruken til høyere frekvenser. Andre typer retningskoblinger sampler strømmen og spenningen på et enkelt punkt i overføringsbanen og kombinerer dem matematisk på en slik måte at de representerer kraften som flyter i en retning. Den vanlige typen SWR / effektmåler som brukes i amatørdrift, kan inneholde en dobbelkobling. Andre typer bruker en enkelt kobling som kan roteres 180 grader for å prøve strømmen i begge retninger. Enveiskoblinger av denne typen er tilgjengelige for mange frekvensområder og effektnivåer og med passende koblingsverdier for den analoge måleren som brukes.
Slotted Line
Den fremover og reflekterte effekten målt av retningskoblinger kan brukes til å beregne SWR. Beregningene kan gjøres matematisk i analog eller digital form eller ved å bruke grafiske metoder innebygd i måleren som en ekstra skala eller ved å lese fra krysspunktet mellom to nåler på samme måler.
Ovennevnte måleinstrumenter kan brukes "i linje", det vil si at full effekt fra senderen kan passere gjennom måleinstrumentet for å muliggjøre kontinuerlig overvåking av SWR. Andre instrumenter, for eksempel nettverksanalysatorer, retningskoblinger med lav effekt og antennebroer, bruker lav effekt til målingen og må kobles til i stedet for senderen. Brokretser kan brukes til direkte å måle de virkelige og imaginære delene av en lastimpedans og til å bruke disse verdiene til å utlede SWR. Disse metodene kan gi mer informasjon enn bare SWR eller fremover og reflektert kraft. Frittstående antenneanalysatorer bruker forskjellige målemetoder og kan vise SWR og andre parametere tegnet mot frekvens. Ved å bruke retningskoblinger og en bro i kombinasjon, er det mulig å lage et in-line instrument som leser direkte i kompleks impedans eller i SWR. Frittstående antenneanalysatorer er også tilgjengelig som måler flere parametere.
En kraftmåler
NOTAT: Hvis SWR-avlesningen din er under 1, har du et problem. Du kan ha en dårlig SWR-måler, noe galt med antenne- eller antennetilkoblingen, eller muligens ha en skadet eller defekt radio.
Når en overført bølge treffer en grense slik som den mellom den tapsløse overføringslinjen og belastningen (figur 1), vil noe energi overføres til lasten og noen vil bli reflektert. Refleksjonskoeffisienten forholder de innkommende og reflekterte bølgene som:
Γ = V-/V+ (Likning 1)
Hvor V- er den reflekterte bølgen og V + er den innkommende bølgen. VSWR er relatert til størrelsen på spenningsrefleksjonskoeffisienten (Γ) ved:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (likning 2)
Figur 1. Transmisjonslinjekrets som illustrerer impedansavviksgrensen mellom overføringslinjen og belastningen. Refleksjoner skjer ved grensen angitt av Γ. Hendelsesbølgen er V + og den reflekterende bølgen er V-.
VSWR kan måles direkte med en SWR-måler. Et RF-testinstrument slik som en vektornettanalysator (VNA) kan brukes til å måle refleksjonskoeffisientene til inngangsporten (S11) og utgangsporten (S22). S11 og S22 tilsvarer Γ på henholdsvis inngangs- og utgangsporten. VNA-ene med matemodus kan også direkte beregne og vise den resulterende VSWR-verdien.
Returtapet ved inngangs- og utgangsportene kan beregnes ut fra refleksjonskoeffisienten, S11 eller S22, som følger:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (likning 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (likning 4)
Refleksjonskoeffisienten beregnes ut fra den karakteristiske impedansen til transmisjonslinjen og lastimpedansen som følger:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (likning 5)
Der ZL er lastimpedansen og ZO er den karakteristiske impedansen til overføringsledningen (figur 1).
VSWR kan også uttrykkes i form av ZL og ZO. Ved å erstatte ligning 5 i ligning 2, får vi:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
For ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Derfor:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Likning 7)
Vi bemerket ovenfor at VSWR er en spesifikasjon gitt i forholdsform i forhold til 1, som et eksempel 1.5: 1. Det er to spesielle tilfeller av VSWR, ∞: 1 og 1: 1. Et uendelig forhold til en oppstår når belastningen er en åpen krets. Forholdet 1: 1 oppstår når belastningen er perfekt tilpasset transmisjonslinjens karakteristiske impedans.
VSWR er definert fra den stående bølgen som oppstår på selve overføringslinjen ved:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Likning 8)
Hvor VMAX er maksimal amplitude og VMIN er minimum amplitude for den stående bølgen. Med to superpålagte bølger oppstår det maksimale med konstruktiv forstyrrelse mellom de innkommende og reflekterte bølgene. Dermed:
VMAX = V + + V- (likning 9)
for maksimal konstruktiv interferens. Minste amplitude oppstår med dekonstruktiv interferens, eller:
VMIN = V + - V- (likning 10)
Å erstatte ligningene 9 og 10 i utbytte av ligning 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (likning 11)
Når den elektriske bølgen beveger seg gjennom de forskjellige delene av antennesystemet (mottaker, matelinje, antenne, ledig plass), kan det oppstå forskjeller i impedanser. Ved hvert grensesnitt vil en brøkdel av bølgenergien reflektere tilbake til kilden og danne en stående bølge i matelinjen. Forholdet mellom maksimal effekt og minimum effekt i bølgen kan måles og kalles VSWR (voltage standing wave ratio). En VSWR på mindre enn 1.5: 1 er ideell, en VSWR på 2: 1 anses å være marginalt akseptabel i applikasjoner med lavt strømforbruk der strømtap er mer kritisk, selv om en VSWR så høy som 6: 1 fremdeles kan være brukbar med høyre utstyr. Bare hvis du ikke bryr deg om matematiske ligninger, er det et lite "jukseark" -tabell for å forstå korrelasjonen av VSWR til prosentandelen av reflektert kraft som vil komme tilbake.
VSWR
Returnert kraft
(tilnærmet)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2.Hva forårsaker høy VSWR?
Hvis VSWR er for høy, kan det potensielt være for mye energi reflektert tilbake i en effektforsterker og forårsake skade på de interne kretsene. I et ideelt system ville det være en VSWR på 1: 1. Årsaker til høy VSWR-rangering kan være bruk av feil belastning eller noe ukjent, for eksempel en skadet overføringsledning.
