Wat is de spanning staande golfverhouding? Hoe VSWR berekenen?
'VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) is een maatstaf voor hoe efficiënt radiofrequentievermogen wordt overgedragen van een stroombron, via een transmissielijn, naar een belasting (bijvoorbeeld van een vermogensversterker via een transmissielijn naar een antenne). ). " Dit is het concept van VSWR. Meer over VSWR, zoals de beïnvloedende factoren van VSWR, de impact op het transmissiesysteem, het verschil met SWR, etc. Dit artikel kan je een uitgebreide toelichting geven.
Volgens Wikipedia wordt staande golfverhouding (SWR) gedefinieerd als:
"een maat voor impedantie-aanpassing van belastingen aan de karakteristieke impedantie van een transmissielijn of golfgeleider. Impedantieverschillen resulteren in staande golven langs de transmissielijn, en SWR wordt gedefinieerd als de verhouding van de amplitude van de gedeeltelijke staande golf op een antinode (maximum) tot de amplitude op een knooppunt (minimum) langs de lijn. "
SWR wordt meestal gemeten met behulp van een speciaal instrument genaamd een SWR-meter. Aangezien SWR een maat is voor de belastingsimpedantie ten opzichte van de karakteristieke impedantie van de transmissielijn in gebruik (die samen de reflectiecoëfficiënt bepalen zoals hieronder beschreven), kan een bepaalde SWR-meter de impedantie die hij ziet in termen van SWR alleen interpreteren als deze ontworpen voor die specifieke karakteristieke impedantie. In de praktijk zijn de meeste transmissielijnen die in deze toepassingen worden gebruikt, coaxkabels met een impedantie van 50 of 75 ohm, dus de meeste SWR-meters komen overeen met een van deze.
Het controleren van de SWR is een standaardprocedure in een radiostation. Hoewel dezelfde informatie kan worden verkregen door de impedantie van de belasting te meten met een impedantie-analysator (of "impedantiebrug"), is de SWR-meter voor dit doel eenvoudiger en robuuster. Door de grootte van de impedantie-mismatch aan de zenderuitgang te meten, worden problemen aan het licht gebracht die te wijten zijn aan de antenne of de transmissielijn.
Trouwens, als je denkt dat je nog nooit persoonlijk een staande golf hebt meegemaakt, is dat zeer onwaarschijnlijk. Staande golven in een magnetron zijn de reden dat voedsel ongelijk wordt gekookt (het draaiplateau is een gedeeltelijke oplossing voor dat probleem). De golflengte van het 2.45 GHz-signaal is ongeveer 12 centimeter of ongeveer vijf inch. Nulls in de straling (en verwarming) worden gescheiden op een afstand die vergelijkbaar is met de golflengte.
De reflectiecoëfficiënt is a parameter dat beschrijft hoeveel van een elektromagnetische golf wordt gereflecteerd door een impedantiediscontinuïteit in het transmissiemedium, gelijk aan de verhouding van de amplitude van de gereflecteerde golf tot de invallende golf. De reflectiecoëfficiënt is een zeer bruikbare eigenschap bij het bepalen van VSWR of het onderzoeken van de match tussen bijvoorbeeld een feeder en een lading. De Griekse letter Γ wordt meestal gebruikt voor reflectiecoëfficiënt, hoewel σ ook vaak wordt gezien.
Reflectiecoëfficiënt
Met behulp van de basisdefinitie van de reflectiecoëfficiënt kan deze worden berekend op basis van kennis van de incidentele en gereflecteerde spanningen.
Terugkeer verlies is het verlies van signaalvermogen als gevolg van signaalreflectie of -terugkeer door een discontinuïteit in een glasvezelverbinding of transmissielijn, en de uitdrukkingseenheid is ook in decibels (dBs). Deze impedantie-mismatch kan zijn met een apparaat dat in de lijn is geplaatst of met de eindbelasting. Bovendien is retourverlies de relatie tussen zowel de reflectiecoëfficiënt (Γ) als de staande golfverhouding (SWR), en is altijd een positief getal, en een hoog retourverlies is een gunstige meetparameter, en correleert doorgaans met een lage invoeging. verlies. Overigens, als u het retourverlies verhoogt, zal dit correleren met een lagere SWR.
Het verlies van signaal, dat vindt plaats langs de lengte van een glasvezelverbinding, wordt invoegverlies genoemd. Toevoegingsverlies is echter een natuurlijk verschijnsel dat optreedt bij alle soorten transmissies, of het nu gaat om data of elektrisch. Bovendien geldt, zoals bij vrijwel alle fysieke transmissielijnen of geleidende paden, hoe langer het pad, hoe groter het verlies. Bovendien treden deze verliezen ook op bij elk verbindingspunt langs de lijn, inclusief splitsingen en connectoren. Deze specifieke meetparameter wordt uitgedrukt in decibel en moet altijd een positief getal zijn. Zou echter niet altijd moeten betekenen, en als het toevallig negatief is, is dat geen gunstige meetparameter. In sommige gevallen kan een invoegverlies verschijnen als een negatieve parametermeting.
Retourverlies en invoegverlies
Laten we nu het bovenstaande diagram in detail bekijken, zodat we een beter begrip krijgen van de wisselwerking tussen invoegverlies en retourverlies. Zoals u kunt zien, gaat invallend vermogen van links langs een transmissielijn totdat het het onderdeel bereikt. Zodra het de component bereikt, wordt een deel van het signaal terug gereflecteerd langs de transmissielijn naar de bron waar het vandaan kwam. Houd er ook rekening mee dat dit deel van het signaal de component niet binnendringt.
De rest van het signaal komt inderdaad de component binnen. Daar wordt een deel ervan geabsorbeerd en de rest gaat door het onderdeel naar de transmissielijn aan de andere kant. Het vermogen dat uit de component komt, wordt het uitgezonden vermogen genoemd, en het is om twee redenen minder dan het invallende vermogen:
① Een deel van het signaal wordt gereflecteerd.
② De component absorbeert een deel van het signaal.
Dus, samengevat, drukken we invoegverlies uit in decibel, en het is de verhouding tussen invallend vermogen en uitgezonden vermogen. Verder kunnen we dat retourverlies, dat we ook in decibel uitdrukken, samenvatten als de verhouding tussen invallend vermogen en gereflecteerd vermogen. Daarom kunnen we zien hoe de twee soorten verliesmeetparameters helpen om de algehele efficiëntie van een meetbaar signaal en component binnen een systeem of in een doorgaand pad nauwkeurig te meten.
In de huidige elektronicapraktijken heeft retourverlies in termen van gebruik de voorkeur boven SWR, omdat het een betere resolutie biedt voor kleinere waarden van gereflecteerde golven.
3) Wat is impedence matching
Impedantie-aanpassing is het ontwerpen van bron en belastingsimpedanties om signaalreflectie te minimaliseren of de krachtoverdracht te maximaliseren. In DC-circuits moeten de bron en de belasting gelijk zijn. In wisselstroomcircuits moet de bron gelijk zijn aan de belasting of het complexe conjugaat van de belasting, afhankelijk van het doel. Impedantie (Z) is een maat voor de weerstand tegen elektrische stroom, wat een complexe waarde is waarbij het reële deel wordt gedefinieerd als de weerstand (R), en het imaginaire deel wordt de reactantie (X) genoemd. De vergelijking voor impedantie is dan per definitie Z = R + jX, waarbij j de imaginaire eenheid is. In DC-systemen is de reactantie nul, dus de impedantie is hetzelfde als de weerstand.
De Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) is een indicatie van de mate van mismatch tussen een antenne en de toevoerleiding die erop aansluit. (Klik hier om onze antenneproducten te kiezen) Dit staat ook bekend als de Standing Wave Ratio (SWR). Het waardenbereik voor VSWR is van 1 tot ∞. Er wordt rekening gehouden met een VSWR-waarde onder 2 geschikt voor de meeste antennetoepassingen. De antenne kan worden omschreven als een "goede match". Dus als iemand zegt dat de antenne slecht is afgestemd, betekent dit heel vaak dat de VSWR-waarde groter is dan 2 voor een frequentie die van belang is. Rendementsverlies is een andere interessante specificatie en wordt meer in detail behandeld in de sectie Antennetheorie. Een vaak vereiste conversie is tussen retourverlies en VSWR, en sommige waarden worden in een grafiek weergegeven, samen met een grafiek van deze waarden voor snelle referentie.
Laten we een korte video over VSWR bekijken!
2) Factoren Heeft invloed op VSWR
· Frequentie
· Antenne massa
· Metalen voorwerpen in de buurt
· Type antenneconstructie
· Temperatuur zone(s)
3) SWR versus VSWR versus ISWR versus PSWR
SWR is een concept, de staande golfverhouding. VSWR is eigenlijk hoe je de meting doet, door de spanningen te meten om de SWR te bepalen. Je kunt de SWR ook meten door de stromen of zelfs het vermogen (ISWR en PSWR) te meten. Maar voor de meeste bedoelingen en doeleinden, wanneer iemand SWR zegt, bedoelen ze VSWR, in gewone gesprekken zijn ze onderling uitwisselbaar.
· SWR: SWR staat voor staande golfverhouding. Het beschrijft de staande golven van spanning en stroom die op de lijn verschijnen. Het is een algemene beschrijving voor staande golven van zowel stroom als spanning. Het wordt vaak gebruikt in combinatie met meters die worden gebruikt om de staande golfverhouding te detecteren. Zowel de stroom als de spanning stijgen en dalen met dezelfde verhouding bij een bepaalde mismatch. · VSWR: De VSWR of spanning staande golfverhouding is specifiek van toepassing op de staande spanningsgolven die zijn opgesteld op een feeder of transmissielijn. Omdat het gemakkelijker is om staande spanningsgolven te detecteren, en in veel gevallen spanningen belangrijker zijn in termen van apparaatstoring, wordt de term VSWR vaak gebruikt, vooral binnen RF-ontwerpgebieden.
Voor de meeste praktische doeleinden is ISWR hetzelfde als VSWR. Onder ideale omstandigheden is de HF-spanning op een signaaltransmissielijn op alle punten van de lijn hetzelfde, waarbij vermogensverliezen worden verwaarloosd die worden veroorzaakt door elektrische weerstand in de lijndraden en onvolkomenheden in het diëlektrische materiaal dat de lijngeleiders scheidt. De ideale VSWR is dus 1: 1. (Vaak wordt de SWR-waarde simpelweg geschreven in termen van het eerste getal, of teller, van de ratio, omdat het tweede getal, of de noemer, altijd 1 is.) Als de VSWR 1 is, is de ISWR ook 1. Deze optimale conditie kan bestaan alleen als de belasting (zoals een antenne of een draadloze ontvanger), waaraan RF-vermogen wordt geleverd, een impedantie heeft die identiek is aan de impedantie van de transmissielijn. Dit betekent dat de belastingsweerstand hetzelfde moet zijn als de karakteristieke impedantie van de transmissielijn, en de belasting mag geen reactantie bevatten (dat wil zeggen, de belasting moet vrij zijn van inductie of capaciteit). In elke andere situatie fluctueren de spanning en stroom op verschillende punten langs de lijn, en de SWR is niet 1.
4. Hoe VSWR de prestaties van het transmissiesysteem beïnvloedt
Er zijn veel manieren waarop VSWR de prestaties van een transmissiesysteem of elk systeem dat radiofrequenties en identieke impedanties kan gebruiken, beïnvloedt. Hoewel VSWR normaal wordt gebruikt, kunnen zowel spannings- als stroomgolven problemen veroorzaken.
· Versterkers van de zender kunnen beschadigd raken: De verhoogde spannings- en stroomniveaus die op de feeder te zien zijn als gevolg van de staande golven, kunnen de uitgangstransistors van de zender beschadigen. Halfgeleiderapparaten zijn zeer betrouwbaar als ze binnen hun gespecificeerde limieten worden gebruikt, maar de staande golven van spanning en stroom op de feeder kunnen catastrofale schade veroorzaken als ze ervoor zorgen dat het apparaat buiten hun limieten werkt.
· PA-bescherming vermindert het uitgangsvermogen: Gezien het zeer reële gevaar dat hoge SWR-niveaus schade aan de vermogensversterker veroorzaken, bevatten veel zenders een beveiligingscircuit dat de output van de zender vermindert naarmate de SWR stijgt. Dit betekent dat een slechte match tussen de feeder en de antenne zal resulteren in een hoge SWR waardoor de output wordt verminderd en dus een aanzienlijk verlies aan uitgezonden vermogen.
· Hoge spannings- en stroomniveaus kunnen de feeder beschadigen: Het is mogelijk dat de hoge spannings- en stroomniveaus die worden veroorzaakt door de hoge staande golfverhouding, schade kunnen toebrengen aan een feeder. Hoewel feeders in de meeste gevallen ruim binnen hun limieten worden bediend en de verdubbeling van spanning en stroom moet kunnen worden opgevangen, zijn er enkele omstandigheden waarin schade kan worden veroorzaakt. De huidige maxima kunnen overmatige plaatselijke verhitting veroorzaken die de gebruikte kunststoffen zou kunnen vervormen of smelten, en van de hoge spanningen is bekend dat ze onder bepaalde omstandigheden vonkoverslag veroorzaken.
· Vertragingen veroorzaakt door reflecties kunnen vervorming veroorzaken: Wanneer een signaal wordt gereflecteerd door mismatch, wordt het teruggereflecteerd naar de bron en kan het vervolgens weer worden gereflecteerd naar de antenne. Er wordt een vertraging geïntroduceerd die gelijk is aan tweemaal de transmissietijd van het signaal langs de feeder. Als er gegevens worden verzonden, kan dit intersymboolinterferentie veroorzaken, en in een ander voorbeeld waar analoge televisie werd uitgezonden, werd een "spookbeeld" gezien.
· Vermindering van het signaal in vergelijking met een perfect afgestemd systeem: Interessant is dat het verlies in signaalniveau veroorzaakt door een slechte VSWR lang niet zo groot is als sommigen misschien denken. Elk signaal dat door de belasting wordt gereflecteerd, wordt teruggekaatst naar de zender en aangezien het afstemmen op de zender het mogelijk maakt dat het signaal weer naar de antenne wordt gereflecteerd, zijn de opgelopen verliezen fundamenteel die welke door de feeder worden geïntroduceerd. Als richtlijn betekent een lengte van 30 meter RG213 coax met een verlies van ongeveer 1.5 dB bij 30 MHz dat een antenne die werkt met een VSWR slechts een verlies geeft van iets meer dan 1 dB op deze frequentie in vergelijking met een perfect afgestemde antenne.
Er kunnen veel verschillende methoden worden gebruikt om de verhouding van staande golven te meten. De meest intuïtieve methode gebruikt een sleuflijn dit is een stuk transmissielijn met een open sleuf waarmee een sonde de werkelijke spanning op verschillende punten langs de lijn kan detecteren. Zo kunnen de maximale en minimale waarden direct worden vergeleken. Deze methode wordt gebruikt bij VHF en hogere frequenties. Bij lagere frequenties zijn dergelijke lijnen onpraktisch lang. Directionele koppelingen kunnen worden gebruikt bij HF via microgolffrequenties. Sommige zijn een kwart golf of langer, wat het gebruik ervan beperkt tot de hogere frequenties. Andere soorten directionele koppelaars bemonsteren de stroom en spanning op een enkel punt in het transmissiepad en combineren ze wiskundig op een zodanige manier dat ze het vermogen vertegenwoordigen dat in één richting stroomt. Het gebruikelijke type SWR / vermogensmeter dat wordt gebruikt bij amateuroperaties, kan een tweerichtingskoppeling bevatten. Andere typen gebruiken een enkele koppeling die 180 graden kan worden gedraaid om het vermogen te bemonsteren dat in beide richtingen stroomt. Unidirectionele koppelingen van dit type zijn beschikbaar voor vele frequentiebereiken en vermogensniveaus en met geschikte koppelingswaarden voor de gebruikte analoge meter.
Sleuflijn
Het voorwaartse en gereflecteerde vermogen gemeten door directionele koppelingen kan worden gebruikt om SWR te berekenen. De berekeningen kunnen wiskundig worden uitgevoerd in analoge of digitale vorm of door gebruik te maken van grafische methoden die in de meter zijn ingebouwd als een extra schaal of door af te lezen vanaf het kruispunt tussen twee naalden op dezelfde meter.
De bovenstaande meetinstrumenten kunnen "in line" worden gebruikt, dat wil zeggen dat het volledige vermogen van de zender door het meetapparaat kan gaan om continue bewaking van SWR mogelijk te maken. Andere instrumenten, zoals netwerkanalysatoren, richtingskoppelingen met laag vermogen en antennebruggen, gebruiken een laag vermogen voor de meting en moeten worden aangesloten in plaats van de zender. Brugcircuits kunnen worden gebruikt om de reële en imaginaire delen van een belastingsimpedantie direct te meten en om die waarden te gebruiken om SWR af te leiden. Deze methoden kunnen meer informatie opleveren dan alleen SWR of voorwaarts en gereflecteerd vermogen. Stand-alone antenne-analysers gebruiken verschillende meetmethoden en kunnen SWR en andere parameters uitgezet tegen de frequentie weergeven. Door directionele koppelingen en een brug in combinatie te gebruiken, is het mogelijk om een in-line instrument te maken dat direct in complexe impedantie of in SWR leest. Er zijn ook stand-alone antenne-analysers beschikbaar die meerdere parameters meten.
Een vermogensmeter
NOTITIE: Als uw SWR-waarde lager is dan 1, heeft u een probleem. Mogelijk hebt u een slechte SWR-meter, is er iets mis met uw antenne of antenneaansluiting, of heeft u mogelijk een beschadigde of defecte radio.
Wanneer een uitgezonden golf een grens raakt zoals die tussen de verliesvrije transmissielijn en de belasting (Afbeelding 1), wordt wat energie naar de belasting verzonden en wordt een deel gereflecteerd. De reflectiecoëfficiënt relateert de binnenkomende en gereflecteerde golven als:
Γ = V-/V+ (Vergelijking 1)
Waar V- de gereflecteerde golf is en V + de binnenkomende golf is. VSWR is gerelateerd aan de grootte van de spanningsreflectiecoëfficiënt (Γ) door:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Vergelijking 2)
Figuur 1. Transmissielijnschakeling die de impedantie-mismatch-grens tussen de transmissielijn en de belasting illustreert. Reflecties vinden plaats op de grens die is aangegeven met Γ. De invallende golf is V + en de reflecterende golf is V-.
VSWR kan direct worden gemeten met een SWR-meter. Een RF-testinstrument zoals een vectornetwerkanalysator (VNA) kan worden gebruikt om de reflectiecoëfficiënten van de invoerpoort (S11) en de uitvoerpoort (S22) te meten. S11 en S22 zijn respectievelijk gelijk aan Γ op de invoer- en uitvoerpoort. De VNA's met wiskundige modi kunnen ook direct de resulterende VSWR-waarde berekenen en weergeven.
Het retourverlies op de invoer- en uitvoerpoorten kan als volgt worden berekend uit de reflectiecoëfficiënt, S11 of S22:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (vergelijking 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (vergelijking 4)
De reflectiecoëfficiënt wordt als volgt berekend uit de karakteristieke impedantie van de transmissielijn en de belastingsimpedantie:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (Vergelijking 5)
Waar ZL de belastingsimpedantie is en ZO de karakteristieke impedantie van de transmissielijn (Figuur 1).
VSWR kan ook worden uitgedrukt in termen van ZL en ZO. Vergelijking van vergelijking 5 door vergelijking 2 verkrijgen we:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Voor ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
daarom:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Vergelijking 7)
We hebben hierboven opgemerkt dat VSWR een specificatie is die wordt gegeven in verhoudingsvorm ten opzichte van 1, als een voorbeeld 1.5: 1. Er zijn twee speciale gevallen van VSWR, ∞: 1 en 1: 1. Een verhouding van oneindig tot één treedt op wanneer de belasting een open circuit is. Een verhouding van 1: 1 treedt op wanneer de belasting perfect is afgestemd op de karakteristieke impedantie van de transmissielijn.
VSWR wordt gedefinieerd vanuit de staande golf die op de transmissielijn zelf ontstaat door:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Vergelijking 8)
Waarbij VMAX de maximale amplitude is en VMIN de minimale amplitude van de staande golf. Bij twee superopgelegde golven treedt het maximum op bij constructieve interferentie tussen de binnenkomende en gereflecteerde golven. Dus:
VMAX = V + + V- (vergelijking 9)
voor maximale constructieve inmenging. De minimale amplitude treedt op bij deconstructieve interferentie, of:
VMIN = V + - V- (vergelijking 10)
Vergelijking van vergelijkingen 9 en 10 in opbrengsten van vergelijking 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (Vergelijking 11)
Vergelijking 1 vervangen door vergelijking 11 en we verkrijgen:
Terwijl de elektrische golf door de verschillende delen van het antennesysteem reist (ontvanger, voedingslijn, antenne, vrije ruimte), kan deze verschillen in impedanties tegenkomen. Bij elk grensvlak zal een deel van de energie van de golf worden teruggekaatst naar de bron, waardoor een staande golf in de voedingslijn wordt gevormd. De verhouding tussen maximaal vermogen en minimaal vermogen in de golf kan worden gemeten en wordt de Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) genoemd. Een VSWR van minder dan 1.5: 1 is ideaal, een VSWR van 2: 1 wordt als marginaal aanvaardbaar beschouwd in toepassingen met laag vermogen waar vermogensverlies kritischer is, hoewel een VSWR zo hoog als 6: 1 nog steeds bruikbaar kan zijn met de juiste apparatuur. Voor het geval je niet om wiskundige vergelijkingen geeft, is hier een kleine "spiekbriefje" -tabel om de correlatie van VSWR met het percentage gereflecteerd vermogen dat zal terugkeren te begrijpen.
VSWR
Teruggegeven vermogen
(bij benadering)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2.Wat veroorzaakt een hoge VSWR?
Als de VSWR te hoog is, kan er mogelijk te veel energie worden teruggekaatst in een eindversterker, waardoor de interne schakelingen beschadigd raken. In een ideaal systeem zou er een VSWR zijn van 1: 1. Oorzaken van een hoge VSWR-classificatie kunnen het gebruik van een onjuiste belasting of iets onbekends zijn, zoals een beschadigde transmissielijn.
