Hvad er forholdet mellem spænding og stående bølge? Hvordan beregnes VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) er et mål for, hvor effektivt radiofrekvenseffekt transmitteres fra en strømkilde gennem en transmissionslinje til en belastning (for eksempel fra en effektforstærker gennem en transmissionslinje til en antenne ). " Dette er konceptet med VSWR. Mere om VSWR, såsom VSWR's påvirkningsfaktorer, indvirkningen på transmissionssystemet, forskellen med SWR osv. Denne artikel kan give dig en detaljeret forklaring.
Ifølge Wikipedia defineres stående bølgeforhold (SWR) som:
"et mål for impedanstilpasning af belastninger med den karakteristiske impedans af en transmissionslinje eller bølgeleder. Impedansoverensstemmelser resulterer i stående bølger langs transmissionsledningen, og SWR defineres som forholdet mellem den delvise stående bølges amplitude ved en antinode (maksimum) til amplituden ved en node (minimum) langs linjen. "
SWR måles normalt ved hjælp af et dedikeret instrument kaldet en SWR-måler. Da SWR er et mål for belastningsimpedansen i forhold til den karakteristiske impedans af den anvendte transmissionslinje (som tilsammen bestemmer reflektionskoefficienten som beskrevet nedenfor), kan et givet SWR-meter kun fortolke impedansen, det ser i form af SWR, hvis det har er designet til den særlige karakteristiske impedans. I praksis er de fleste transmissionslinjer, der anvendes i disse applikationer, koaksialkabler med en impedans på enten 50 eller 75 ohm, så de fleste SWR-målere svarer til en af disse.
Kontrol af SWR er en standardprocedure i en radiostation. Selvom den samme information kunne opnås ved at måle belastningens impedans med en impedansanalysator (eller "impedansbro"), er SWR-måleren enklere og mere robust til dette formål. Ved at måle størrelsen af impedansoverensstemmelsen ved transmitterudgangen afslører det problemer på grund af enten antennen eller transmissionsledningen.
Forresten, hvis du tror, at du aldrig har oplevet en stående bølge personligt, er det meget usandsynligt. Stående bølger i en mikrobølgeovn er grunden til, at mad tilberedes ujævnt (pladespilleren er en delvis løsning på dette problem). Bølgelængden på 2.45 GHz-signalet er ca. 12 centimeter eller ca. fem inches. Nuller i strålingen (og opvarmningen) adskilles i en afstand svarende til bølgelængden.
Refleksionskoefficienten er a parameter der beskriver, hvor meget af en elektromagnetisk bølge, der reflekteres af en impedansdiskontinuitet i transmissionsmediet, svarende til forholdet mellem den reflekterede bølges amplitude og den indfaldende bølge. Reflektionskoefficienten er en meget nyttig kvalitet, når man bestemmer VSWR eller undersøger matchet mellem for eksempel en føder og en belastning. Det græske bogstav Γ bruges typisk til refleksionskoefficient, selvom σ også ofte ses.
Reflektionskoefficient
Ved hjælp af den grundlæggende definition af refleksionskoefficienten kan den beregnes ud fra en viden om hændelsen og reflekterede spændinger.
Retur tab er tabet af signaleffekt på grund af signalrefleksion eller tilbagevenden ved en diskontinuitet i et fiberoptisk link eller transmissionslinje, og dets udtryksenhed er også i decibel (dB'er). Denne impedansoverensstemmelse kan være med en enhed indsat i linjen eller med den afsluttende belastning. Endvidere er returtab forholdet mellem både reflektionskoefficienten (Γ) og det stående bølgeforhold (SWR) og er altid et positivt tal, og et højt returtab er en gunstig måleparameter, og det korrelerer typisk med en lav indsættelse tab. I øvrigt, hvis du øger afkaststabet, vil det korrelere med en lavere SWR.
Tabet af signal, som forekommer langs længden af et fiberoptisk link, kaldes tab af indsættelse. Indsættelsestab er dog en naturlig forekomst, der forekommer med alle typer transmissioner, hvad enten det er data eller elektrisk. Desuden, som det er med stort set alle fysiske transmissionslinjer eller ledende stier, jo længere stien er, desto større er tabet. Desuden forekommer disse tab også ved hvert forbindelsespunkt langs linjen, inklusive splejser og stik. Denne særlige måleparameter udtrykkes i decibel og skal altid være et positivt tal. Men bør, betyder ikke altid, og hvis det tilfældigt er negativt, er det ikke en gunstig måleparameter. I nogle tilfælde kan et indsættelsestab vises som en negativ parametermåling.
Returtab & tab af indsættelse
Så nu, lad os undersøge ovenstående diagram i detaljer, så vi kan få en bedre forståelse af, hvordan indsættelsestab og afkaststab interagerer. Som du kan se, kører hændende strøm ned ad en transmissionslinie fra venstre, indtil den når komponenten. Når den når komponenten, reflekteres en del af signalet ned gennem transmissionslinjen mod den kilde, hvorfra den kom. Husk også, at denne del af signalet ikke kommer ind i komponenten.
Resten af signalet kommer faktisk ind i komponenten. Der absorberes noget af det, og resten passerer gennem komponenten ind i transmissionsledningen på den anden side. Den effekt, der kommer ud af komponenten, kaldes den transmitterede effekt, og det er mindre end hændelsesstyrken af to grunde:
① En del af signalet reflekteres.
② Komponenten absorberer en del af signalet.
Så i resumé udtrykker vi tab af indsættelse i decibel, og det er forholdet mellem indfaldende effekt og transmitteret effekt. Desuden kan vi sammenfatte, at afkaststab, som vi også udtrykker i decibel, er forholdet mellem indfaldende effekt og reflekteret magt. Derfor kan vi se, hvordan de to typer tabsparametre hjælper med til nøjagtigt at måle den samlede effektivitet af et målbart signal og en komponent i et system eller i en gennemgående sti.
I dagens elektronikpraksis foretrækkes returneringstab i forhold til SWR, da det giver bedre opløsning for mindre værdier af reflekterede bølger.
3) Hvad er Impedence Matching
Impedans matching er designe kilde , belastningsimpedanser for at minimere signalrefleksion eller maksimere strømoverførsel. I jævnstrømskredsløb skal kilden og belastningen være ens. I vekselstrømskredse skal kilden enten svare til belastningen eller den komplekse konjugat af belastningen, afhængigt af målet. Impedans (Z) er et mål for modstanden mod elektrisk strøm, som er en kompleks værdi, idet den reelle del defineres som modstanden (R), og den imaginære del kaldes reaktansen (X). Ligningen for impedans er derefter pr. Definition Z = R + jX, hvor j er den imaginære enhed. I jævnstrømssystemer er reaktansen nul, så impedansen er den samme som modstanden.
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) er en indikation af mængden af uoverensstemmelse mellem en antenne og fødeledningen, der forbinder den. (Klik link. for at vælge vores antenneprodukter) Dette er også kendt som Standing Wave Ratio (SWR). Værdiområdet for VSWR er fra 1 til ∞. En VSWR-værdi under 2 overvejes egnede til de fleste antenneapplikationer. Antennen kan beskrives som en ”Good Match”. Så når nogen siger, at antennen er dårligt matchet, betyder det meget ofte, at VSWR-værdien overstiger 2 for en frekvens af interesse. Returtab er en anden specifikation af interesse og er beskrevet mere detaljeret i afsnittet om antenne teori. En almindeligt krævet konvertering er mellem returneringstab og VSWR, og nogle værdier er opstillet i diagram sammen med en graf med disse værdier til hurtig reference.
Lad os tage en hurtig visningsvideo om VSWR!
2) Faktorer Påvirker VSWR
· Frekvens
· Antenne jord
· Metalgenstande i nærheden
· Type antennekonstruktion
· Temperatur
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR er et koncept, dvs. det stående bølgeforhold. VSWR er faktisk, hvordan du foretager målingen ved at måle spændingerne for at bestemme SWR. Du kan også måle SWR ved at måle strømmen eller endda effekten (ISWR og PSWR). Men for de fleste formål og formål, når nogen siger SWR, betyder de VSWR, i fælles samtale er de udskiftelige.
· SWR: SWR står for stående bølgeforhold. Den beskriver spændingen og de nuværende stående bølger, der vises på linjen. Det er en generisk beskrivelse for både nuværende og spændings stående bølger. Det bruges ofte i forbindelse med målere, der bruges til at detektere stående bølgeforhold. Både strøm og spænding stiger og falder med samme forhold for en given mismatch. · VSWR: VSWR eller spænding stående bølgeforhold gælder specifikt for spændings stående bølger, der er indstillet på en føder eller transmissionslinje. Da det er lettere at registrere spændings stående bølger, og i mange tilfælde er spændinger vigtigere med hensyn til enhedssammenbrud, bruges udtrykket VSWR ofte, især inden for RF-designområder.
Til de fleste praktiske formål er ISWR den samme som VSWR. Under ideelle forhold er RF-spændingen på en signaltransmissionsledning den samme på alle punkter på linjen, idet man undgår effekttab forårsaget af elektrisk modstand i ledningsledningerne og mangler i det dielektriske materiale, der adskiller linielederne. Den ideelle VSWR er derfor 1: 1. (Ofte skrives SWR-værdien simpelthen i form af det første tal eller tælleren i forholdet, fordi det andet tal eller nævneren altid er 1.) Når VSWR er 1, er ISWR også 1. Denne optimale tilstand kan eksisterer kun, når belastningen (såsom en antenne eller en trådløs modtager), hvortil RF-strøm leveres, har en impedans, der er identisk med transmissionslinjens impedans. Dette betyder, at belastningsmodstanden skal være den samme som den karakteristiske impedans af transmissionsledningen, og belastningen må ikke indeholde nogen reaktans (dvs. belastningen skal være fri for induktans eller kapacitans). I enhver anden situation svinger spændingen og strømmen på forskellige punkter langs linjen, og SWR er ikke 1.
4. Hvordan VSWR påvirker ydeevnen i transmissionssystemet
Der er mange måder, hvorpå VSWR påvirker ydeevnen for et transmissionssystem eller ethvert system, der muligvis bruger radiofrekvenser og identiske impedanser. Selvom VSWR bruges normalt, kan både spændings- og strømbølger forårsage problemer.
· Senderforstærkere kan blive beskadiget: De øgede niveauer af spænding og strøm, der ses på fremføreren som et resultat af stående bølger, kan beskadige transmitterens udgangstransistorer. Halvledere er meget pålidelige, hvis de betjenes inden for deres specificerede grænser, men spændings- og strømbølgerne på føderen kan forårsage katastrofale skader, hvis de får apparatet til at fungere uden for deres grænser.
· PA-beskyttelse reducerer udgangseffekten: I betragtning af den meget reelle fare for høje SWR-niveauer, der forårsager beskadigelse af effektforstærkeren, har mange sendere beskyttelseskredsløb, der reducerer output fra senderen, når SWR stiger. Dette betyder, at en dårlig match mellem føderen og antennen vil resultere i en høj SWR, som får output til at blive reduceret og dermed et betydeligt tab i transmitteret effekt.
· Højspændings- og strømniveauer kan beskadige arkføderen: Det er muligt, at højspændings- og strømniveauer forårsaget af det høje stående bølgeforhold kan forårsage skader på en føder. Selv om foderautomater i de fleste tilfælde vil blive brugt inden for deres grænser, og fordobling af spænding og strøm skal kunne imødekommes, er der nogle omstændigheder, hvor skader kan forårsages. De aktuelle maksima kan forårsage overdreven lokal opvarmning, som kan forvrænge eller smelte den anvendte plast, og det er kendt, at de høje spændinger forårsager lysbue under visse omstændigheder.
· Forsinkelser forårsaget af refleksioner kan forårsage forvrængning: Når et signal reflekteres ved mismatch, reflekteres det tilbage mod kilden og kan derefter reflekteres tilbage mod antennen. Der indføres en forsinkelse svarende til dobbelt så lang transmissionstid for signalet langs føderen. Hvis der transmitteres data, kan dette forårsage inter-symbol interferens, og i et andet eksempel, hvor der blev sendt analogt tv, blev der set et "spøgelsesbillede".
· Reduktion i signal sammenlignet med perfekt matchende system: Interessant nok er tabet i signalniveau forårsaget af en dårlig VSWR ikke nær så stort som nogle måske forestiller sig. Ethvert signal, der reflekteres af belastningen, reflekteres tilbage til senderen, og da tilpasning til senderen kan gøre det muligt for signalet at blive reflekteret tilbage til antennen igen, er de opståede tab grundlæggende de, der indføres af føderen. Som en guide vil en 30 meters længde af RG213 coax med et tab på omkring 1.5 dB ved 30 MHz betyde, at en antenne, der fungerer med en VSWR, kun giver et tab på lidt over 1 dB ved denne frekvens sammenlignet med en perfekt matchet antenne.
Mange forskellige metoder kan bruges til at måle stående bølgeforhold. Den mest intuitive metode bruger en slidset linje som er en sektion af transmissionslinjen med en åben åbning, der gør det muligt for en sonde at registrere den aktuelle spænding på forskellige punkter langs linjen. Således kan maksimums- og minimumsværdierne sammenlignes direkte. Denne metode anvendes ved VHF og højere frekvenser. Ved lavere frekvenser er sådanne linjer upraktisk lange. Retningskoblinger kan bruges ved HF gennem mikrobølgefrekvenser. Nogle er en kvart bølge eller mere lange, hvilket begrænser deres anvendelse til de højere frekvenser. Andre typer retningskoblinger prøver strømmen og spændingen på et enkelt punkt i transmissionsstien og kombinerer dem matematisk på en sådan måde, at de repræsenterer den strøm, der flyder i en retning. Den almindelige type SWR / effektmåler, der anvendes i amatørdrift, kan indeholde en dobbeltkobling. Andre typer bruger en enkelt kobling, som kan drejes 180 grader for at prøve strømmen i begge retninger. Envejskoblinger af denne type er tilgængelige i mange frekvensområder og effektniveauer og med passende koblingsværdier til den anvendte analoge måler.
Slidset linje
Den fremadrettede og reflekterede effekt målt ved retningskoblinger kan bruges til at beregne SWR. Beregningerne kan udføres matematisk i analog eller digital form eller ved hjælp af grafiske metoder indbygget i måleren som en ekstra skala eller ved at læse fra krydsningspunktet mellem to nåle på samme måler.
Ovenstående måleinstrumenter kan anvendes "i linje", dvs., at transmitterens fulde effekt kan passere gennem måleenheden for således at muliggøre kontinuerlig overvågning af SWR. Andre instrumenter, såsom netværksanalysatorer, retningsbestemte koblinger med lav effekt og antennebroer bruger lav effekt til målingen og skal tilsluttes i stedet for senderen. Brokredsløb kan bruges til direkte at måle de reelle og imaginære dele af en belastningsimpedans og til at bruge disse værdier til at udlede SWR. Disse metoder kan give mere information end blot SWR eller fremad og reflekteret strøm. Stand alone-antenneanalysatorer bruger forskellige målemetoder og kan vise SWR og andre parametre afbildet mod frekvens. Ved at bruge retningsbestemte koblinger og en bro i kombination er det muligt at fremstille et in-line instrument, der læser direkte i kompleks impedans eller i SWR. Stand alone antenne analysatorer er også tilgængelige, der måler flere parametre.
En effektmåler
BEMÆRK VENLIGST: Hvis din SWR-aflæsning er under 1, har du et problem. Du har muligvis en dårlig SWR-måler, noget galt med din antenne- eller antennetilslutning eller muligvis en beskadiget eller defekt radio.
Når en transmitteret bølge rammer en grænse, såsom den mellem den tabsløse transmissionslinie og belastning (figur 1), overføres noget energi til belastningen, og nogle vil blive reflekteret. Reflektionskoefficienten angiver de indkommende og reflekterede bølger som:
Γ = V-/V+ (Ligning 1)
Hvor V- er den reflekterede bølge og V + er den indgående bølge. VSWR er relateret til størrelsen af spændingsreflektionskoefficienten (Γ) ved:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Ligning 2)
Figur 1. Transmissionslinjekredsløb, der illustrerer impedansoverensstemmelsesgrænsen mellem transmissionsledningen og belastningen. Refleksioner forekommer ved den grænse, der er angivet af Γ. Den indfaldende bølge er V +, og den reflekterende bølge er V-.
VSWR kan måles direkte med en SWR-måler. Et RF-testinstrument, såsom en vektornetværksanalysator (VNA), kan bruges til at måle reflektionskoefficienterne for indgangsporten (S11) og outputporten (S22). S11 og S22 svarer til Γ på henholdsvis input- og output-porten. VNA'erne med matematiktilstande kan også direkte beregne og vise den resulterende VSWR-værdi.
Returtabet ved input- og outputporte kan beregnes ud fra reflektionskoefficienten, S11 eller S22, som følger:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (ligning 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (ligning 4)
Reflektionskoefficienten beregnes ud fra den karakteristiske impedans for transmissionslinjen og belastningsimpedansen som følger:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (ligning 5)
Hvor ZL er belastningsimpedansen, og ZO er den karakteristiske impedans for transmissionsledningen (figur 1).
VSWR kan også udtrykkes i form af ZL og ZO. Ved at erstatte ligning 5 i ligning 2 opnår 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. (Ligning 7)
Vi bemærkede ovenfor, at VSWR er en specifikation, der er givet i forholdsform i forhold til 1, som et eksempel 1.5: 1. Der er to specielle tilfælde af VSWR, ∞: 1 og 1: 1. Et forhold mellem uendelighed og en opstår, når belastningen er et åbent kredsløb. Forholdet mellem 1: 1 opstår, når belastningen er perfekt tilpasset transmissionslinjens karakteristiske impedans.
VSWR er defineret ud fra den stående bølge, der opstår på selve transmissionslinjen ved:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Ligning 8)
Hvor VMAX er den maksimale amplitude og VMIN er den minimale amplitude for den stående bølge. Med to superpålagte bølger forekommer det maksimale med konstruktiv interferens mellem de indkommende og reflekterede bølger. Dermed:
VMAX = V + + V- (ligning 9)
for maksimal konstruktiv interferens. Den mindste amplitude opstår med dekonstruktiv interferens, eller:
VMIN = V + - V- (ligning 10)
Udskiftning af ligninger 9 og 10 i udbytte af ligning 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (ligning 11)
Når den elektriske bølge bevæger sig gennem de forskellige dele af antennesystemet (modtager, fødeledning, antenne, ledig plads), kan den støde på forskelle i impedanser. Ved hver grænseflade reflekteres en del af bølgens energi tilbage til kilden og danner en stående bølge i fødelinjen. Forholdet mellem maksimal effekt og minimal effekt i bølgen kan måles og kaldes VSWR-forholdet. En VSWR på mindre end 1.5: 1 er ideel, en VSWR på 2: 1 anses for at være marginalt acceptabel i applikationer med lav effekt, hvor effekttab er mere kritisk, selvom en VSWR så høj som 6: 1 stadig kan være anvendelig med højre udstyr. Bare hvis du ikke er ligeglad med matematiske ligninger, er der et lille "snydeark" -tabel, der hjælper med at forstå korrelationen af VSWR til den procentdel af reflekteret effekt, der vender tilbage.
VSWR
Returneret strøm
(omtrentlig)
1:1
0%
2:1
10 %
3:1
25 %
6:1
50 %
10:1
65 %
14:1
75 %
2.Hvad forårsager høj VSWR?
Hvis VSWR er for høj, kan der potentielt blive for meget energi reflekteret tilbage i en effektforstærker og forårsage skade på det interne kredsløb. I et ideelt system ville der være en VSWR på 1: 1. Årsager til en høj VSWR-vurdering kan være anvendelse af en forkert belastning eller noget ukendt, såsom en beskadiget transmissionsledning.
