Vad är Voltage Standing Wave Ratio? Hur beräknar man VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), är ett mått på hur effektivt radiofrekvenseffekt överförs från en kraftkälla, genom en överföringsledning, till en belastning (till exempel från en effektförstärkare via en överföringsledning, till en antenn ). " Detta är konceptet med VSWR. Mer om VSWR, såsom VSWRs påverkansfaktorer, påverkan på överföringssystemet, skillnaden med SWR etc. Den här artikeln kan ge dig en detaljerad förklaring.
Enligt Wikipedia definieras stående vågförhållande (SWR) som:
"ett mått på impedansmatchning av belastningar med den karakteristiska impedansen hos en överföringsledning eller vågledare. Impedansavvikelser resulterar i stående vågor längs överföringsledningen, och SWR definieras som förhållandet mellan den partiella stående vågens amplitud vid en antinod (maximalt) till amplituden vid en nod (minimum) längs linjen. "
SWR mäts vanligtvis med ett dedikerat instrument som kallas en SWR-mätare. Eftersom SWR är ett mått på lastimpedansen i förhållande till den karakteristiska impedansen hos överföringsledningen som används (som tillsammans bestämmer reflektionskoefficienten som beskrivs nedan), kan en given SWR-mätare tolka impedansen den ser i termer av SWR endast om den har har utformats för den speciella karakteristiska impedansen. I praktiken är de flesta överföringsledningar som används i dessa applikationer koaxialkabel med en impedans på antingen 50 eller 75 ohm, så de flesta SWR-mätare motsvarar en av dessa.
Kontroll av SWR är en standardprocedur i en radiostation. Även om samma information kunde erhållas genom att mäta lastens impedans med en impedansanalysator (eller "impedansbro"), är SWR-mätaren enklare och mer robust för detta ändamål. Genom att mäta storleken på impedansmatchningen vid sändarutgången avslöjar det problem på grund av antingen antennen eller överföringsledningen.
Förresten, om du tror att du aldrig har upplevt en stående våg personligen är det mycket osannolikt. Stående vågor i en mikrovågsugn är anledningen till att maten tillagas ojämnt (skivspelaren är en delvis lösning på det problemet). Våglängden för 2.45 GHz-signalen är cirka 12 centimeter eller ungefär fem tum. Nullar i strålningen (och uppvärmningen) kommer att separeras på ett avstånd som liknar våglängden.
Reflektionskoefficienten är a parameter som beskriver hur mycket av en elektromagnetisk våg som reflekteras av en impedansdiskontinuitet i överföringsmediet, vilket motsvarar förhållandet mellan den reflekterade vågens amplitud och den infallande vågen. Reflektionskoefficienten är en mycket användbar kvalitet när man bestämmer VSWR eller undersöker matchningen mellan till exempel en matare och en belastning. Den grekiska bokstaven Γ används vanligtvis för reflektionskoefficient, även om σ ofta ses.
Reflektionskoefficient
Med hjälp av den grundläggande definitionen av reflektionskoefficienten kan den beräknas utifrån kunskap om händelsen och reflekterade spänningar.
Återgå förlust är förlusten av signaleffekt på grund av signalreflektion eller retur av en diskontinuitet i en fiberoptisk länk eller överföringsledning, och dess uttrycksenhet finns också i decibel (dB). Denna impedansavvikelse kan vara med en enhet införd i raden eller med avslutningsbelastningen. Dessutom är returförlust förhållandet mellan både reflektionskoefficienten (Γ) och stående vågförhållandet (SWR), och är alltid ett positivt tal, och en hög returförlust är en gynnsam mätparameter, och den korrelerar typiskt till en låg insättning förlust. För övrigt, om du ökar avkastningen kommer den att korrelera till en lägre SWR.
Förlusten av signal, vilken sker längs en fiberoptisk länk, kallas införingsförlust. Införingsförlust är dock en naturlig händelse som inträffar med alla typer av överföringar, oavsett om det är data eller elektriskt. Dessutom, som det är med i princip alla fysiska överföringsledningar eller ledande vägar, desto längre väg, desto högre är förlusten. Dessutom uppstår dessa förluster vid varje anslutningspunkt längs linjen, inklusive skarvar och kopplingar. Denna specifika mätparameter uttrycks i decibel och bör alltid vara ett positivt tal. Men borde, betyder inte alltid, och om det av en slump är negativt är det inte en gynnsam mätparameter. I vissa fall kan en insättningsförlust visas som en negativ parametermätning.
Return Loss & Insertion Loss
Så nu, låt oss undersöka ovanstående diagram i detalj så att vi kan få en bättre förståelse för hur insättningsförlust och returförlust interagerar. Som du kan se, rinner infallande kraft ner en överföringsledning från vänster tills den når komponenten. När den väl har nått komponenten reflekteras en del av signalen tillbaka överföringslinjen mot källan från vilken den kom. Tänk också på att denna del av signalen inte kommer in i komponenten.
Resten av signalen kommer verkligen in i komponenten. Där absorberas en del av det, och resten passerar genom komponenten till överföringsledningen på andra sidan. Kraften som kommer ut ur komponenten kallas överförd effekt, och det är mindre än incidentmakten av två skäl:
① En del av signalen reflekteras.
② Komponenten absorberar en del av signalen.
Sammanfattningsvis uttrycker vi insättningsförlust i decibel, och det är förhållandet mellan infallande kraft och överförd effekt. Dessutom kan vi sammanfatta att avkastningsförlusten, som vi också uttrycker i decibel, är förhållandet mellan infallande kraft och reflekterad effekt. Därför kan vi se hur de två typerna av förlustmätningsparametrar hjälper till att exakt mäta den totala effektiviteten för en mätbar signal och komponent i ett system eller i en genomgående väg.
I dagens elektronikpraxis, när det gäller användning, är returförlust att föredra framför SWR eftersom det ger bättre upplösning för mindre värden på reflekterade vågor.
3) Vad är Impedence Matching
Impedansmatchning är utforma källan och lastimpedanser för att minimera signalreflektion eller maximera kraftöverföring. I likströmskretsar bör källan och belastningen vara lika. I växelströmskretsar bör källan antingen vara lika med belastningen eller den komplexa konjugatet av lasten, beroende på målet. Impedans (Z) är ett mått på motståndet mot elektriskt flöde, vilket är ett komplext värde med den verkliga delen definierad som motstånd (R), och den imaginära delen kallas reaktansen (X). Ekvationen för impedans är då per definition Z = R + jX, där j är den imaginära enheten. I DC-system är reaktansen noll, så impedansen är densamma som motståndet.
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) är en indikation på mängden oöverensstämmelse mellan en antenn och matarledningen som ansluter till den. (Klick här. att välja våra antennprodukter) Detta är även känt som Standing Wave Ratio (SWR). Värdeområdet för VSWR är från 1 till ∞. Ett VSWR-värde under 2 beaktas lämplig för de flesta antennapplikationer. Antennen kan beskrivas som en ”Good Match”. Så när någon säger att antennen är dåligt matchad betyder det mycket ofta att VSWR-värdet överstiger 2 för en frekvens av intresse. Avkastningsförlust är en annan specifikation av intresse och beskrivs mer detaljerat i avsnittet Antennteori. En vanligtvis nödvändig omvandling är mellan returförlust och VSWR, och vissa värden tabelleras i diagram, tillsammans med en graf över dessa värden för snabb referens.
Låt oss ta en snabbvyvideo om VSWR!
2) Faktorer Påverkar VSWR
· Frekvens
· Antennjordning
· Närliggande metallföremål
· Typ av antennkonstruktion
· Temperatur
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR är ett koncept, dvs stående vågförhållande. VSWR är faktiskt hur du gör mätningen genom att mäta spänningarna för att bestämma SWR. Du kan också mäta SWR genom att mäta strömmarna eller till och med effekten (ISWR och PSWR). Men för de flesta ändamål, när någon säger SWR menar de VSWR, i gemensamt samtal är de utbytbara.
· SWR: SWR står för stående vågförhållande. Den beskriver spänningen och strömvågorna som visas på linjen. Det är en generisk beskrivning för både ström- och spänningsstående vågor. Den används ofta tillsammans med mätare som används för att detektera stående vågförhållande. Både ström och spänning ökar och faller med samma proportion för en viss felanpassning. · VSWR: VSWR eller spänning stående vågförhållande gäller specifikt för spännings stående vågor som är inställda på en matare eller överföringsledning. Eftersom det är lättare att detektera spänningsstående vågor, och i många fall är spänningar viktigare när det gäller enhetens nedbrytning, används ofta termen VSWR, särskilt inom RF-designområden.
För de flesta praktiska ändamål är ISWR samma som VSWR. Under idealiska förhållanden är RF-spänningen på en signalöverföringsledning densamma vid alla punkter på linjen, och försummar effektförluster orsakade av elektriskt motstånd i ledningarna och brister i det dielektriska materialet som separerar ledarna. Den ideala VSWR är därför 1: 1. (Ofta skrivs SWR-värdet helt enkelt i termer av det första numret, eller täljaren, av förhållandet eftersom det andra numret, eller nämnaren, alltid är 1.) När VSWR är 1 är ISWR också 1. Detta optimala tillstånd kan existerar endast när belastningen (såsom en antenn eller en trådlös mottagare), till vilken RF-kraft levereras, har en impedans som är identisk med impedansen hos överföringsledningen. Detta innebär att lastmotståndet måste vara detsamma som den karakteristiska impedansen hos överföringsledningen och belastningen får inte innehålla någon reaktans (det vill säga belastningen måste vara fri från induktans eller kapacitans). I alla andra situationer fluktuerar spänningen och strömmen vid olika punkter längs linjen, och SWR är inte 1.
4. Hur VSWR påverkar prestanda i överföringssystemet
Det finns många sätt på vilka VSWR påverkar prestanda för ett överföringssystem eller något system som kan använda radiofrekvenser och identiska impedanser. Även om VSWR används normalt kan både spännings- och strömvågor orsaka problem.
· Sändarförstärkare kan skadas: De ökade spännings- och strömnivåerna som ses på mataren som ett resultat av stående vågor kan skada sändarens utgångstransistorer. Halvledaranordningar är mycket tillförlitliga om de används inom de angivna gränserna, men spännings- och strömvågorna på mataren kan orsaka katastrofala skador om de får apparaten att fungera utanför deras gränser.
· PA-skydd minskar uteffekten: Med tanke på den mycket verkliga risken för höga SWR-nivåer som orsakar skada på effektförstärkaren har många sändare skyddskretsar som minskar utsändningen från sändaren när SWR stiger. Detta innebär att en dålig matchning mellan mataren och antennen kommer att resultera i en hög SWR som får utmatningen att reduceras och därmed en betydande förlust i sändeffekt.
· Högspännings- och strömnivåer kan skada mataren: Det är möjligt att högspännings- och strömnivåerna orsakade av det höga vågförhållandet kan orsaka skador på mataren. Även om matare i de flesta fall kommer att fungera väl inom sina gränser och fördubbling av spänning och ström bör kunna tillgodoses, finns det vissa omständigheter när skador kan orsakas. Strömmaxima kan orsaka överdriven lokal uppvärmning som kan förvränga eller smälta den använda plasten, och det är känt att högspänningar orsakar bågbildning under vissa omständigheter.
· Fördröjningar orsakade av reflektioner kan orsaka snedvridning: När en signal reflekteras av felaktig matchning reflekteras den tillbaka mot källan och kan sedan reflekteras tillbaka mot antennen. En fördröjning införs lika med två gånger sändningstiden för signalen längs mataren. Om data överförs kan detta orsaka intersymbolstörningar, och i ett annat exempel där analog TV sändes sågs en ”spökbild”.
· Minskad signal jämfört med perfekt matchande system: Intressant är förlusten i signalnivå orsakad av en dålig VSWR inte alls så stor som vissa kan föreställa sig. Varje signal som reflekteras av belastningen, reflekteras tillbaka till sändaren och eftersom matchning vid sändaren kan göra det möjligt för signalen att reflekteras tillbaka till antennen igen, är de förluster som uppkommit i grunden de som införs av mataren. Som vägledning innebär en 30 meter lång RG213-koax med en förlust på cirka 1.5 dB vid 30 MHz att en antenn som arbetar med en VSWR bara ger en förlust på drygt 1 dB vid denna frekvens jämfört med en perfekt matchad antenn.
Många olika metoder kan användas för att mäta stående vågförhållande. Den mest intuitiva metoden använder en slitsad linje vilket är en sektion av överföringsledningen med en öppen slits som tillåter en sond att detektera den faktiska spänningen vid olika punkter längs linjen. Således kan max- och minimivärdena jämföras direkt. Denna metod används vid VHF och högre frekvenser. Vid lägre frekvenser är sådana linjer opraktiskt långa. Riktningskopplare kan användas vid HF genom mikrovågsfrekvenser. Vissa är en kvartvåg eller mer långa, vilket begränsar användningen till högre frekvenser. Andra typer av riktningskopplare samplar strömmen och spänningen vid en enda punkt i överföringsvägen och kombinerar matematiskt dem på ett sådant sätt att de representerar kraften som flyter i en riktning. Den vanliga typen av SWR / effektmätare som används vid amatördrift kan innehålla en dubbelriktad koppling. Andra typer använder en enda kopplare som kan roteras 180 grader för att sampla strömmen i båda riktningarna. Enkelriktade kopplingar av denna typ finns för många frekvensområden och effektnivåer och med lämpliga kopplingsvärden för den analoga mätaren som används.
Slitsad linje
Den framåtriktade och reflekterade effekten mätt med riktningskopplare kan användas för att beräkna SWR. Beräkningarna kan göras matematiskt i analog eller digital form eller med hjälp av grafiska metoder inbyggda i mätaren som en ytterligare skala eller genom att läsa från korsningspunkten mellan två nålar på samma mätare.
Ovanstående mätinstrument kan användas "i linje", det vill säga att sändarens fulla effekt kan passera genom mätanordningen för att möjliggöra kontinuerlig övervakning av SWR. Andra instrument, såsom nätverksanalysatorer, riktningskopplare med låg effekt och antennbryggor använder låg effekt för mätningen och måste anslutas i stället för sändaren. Bryggkretsar kan användas för att direkt mäta de verkliga och imaginära delarna av en lastimpedans och för att använda dessa värden för att härleda SWR. Dessa metoder kan ge mer information än bara SWR eller framåt och reflekterad effekt. Fristående antennanalysatorer använder olika mätmetoder och kan visa SWR och andra parametrar ritade mot frekvens. Genom att använda riktade kopplingar och en brygga i kombination är det möjligt att skapa ett in-line instrument som läser direkt i komplex impedans eller i SWR. Fristående antennanalysatorer finns också som mäter flera parametrar.
En kraftmätare
OBS: Om din SWR-avläsning är under 1 har du ett problem. Du kan ha en dålig SWR-mätare, något fel med din antenn- eller antennanslutning eller eventuellt ha en skadad eller defekt radio.
När en överförd våg träffar en gräns såsom den mellan den förlustfria överföringslinjen och belastningen (figur 1) överförs en del energi till lasten och en del reflekteras. Reflektionskoefficienten relaterar de inkommande och reflekterade vågorna till:
Γ = V-/V+ (Ekv.1)
Där V- är den reflekterade vågen och V + är den inkommande vågen. VSWR är relaterad till storleken på spänningsreflektionskoefficienten (Γ) med:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Ekv.2)
Figur 1. Överföringsledningskrets som illustrerar impedansstörningsgränsen mellan överföringsledningen och belastningen. Reflektioner inträffar vid den gräns som anges av Γ. Den infallande vågen är V + och den reflekterande vågen är V-.
VSWR kan mätas direkt med en SWR-mätare. Ett RF-testinstrument såsom en vektornätanalysator (VNA) kan användas för att mäta reflektionskoefficienterna för ingångsporten (S11) och utgångsporten (S22). S11 och S22 motsvarar Γ vid ingångs- respektive utgångsporten. VNA: er med matematiska lägen kan också direkt beräkna och visa det resulterande VSWR-värdet.
Returförlusten vid ingångs- och utgångsportarna kan beräknas utifrån reflektionskoefficienten, S11 eller S22, enligt följande:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (ekv.3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (ekv.4)
Reflektionskoefficienten beräknas utifrån den karakteristiska impedansen för transmissionslinjen och lastimpedansen enligt följande:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (ekv. 5)
Där ZL är lastimpedansen och ZO är den karakteristiska impedansen för överföringsledningen (Figur 1).
VSWR kan också uttryckas i termer av ZL och ZO. Att ersätta ekvation 5 i ekvation 2 får vi:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
För ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Därför:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Ekv.7)
Vi noterade ovan att VSWR är en specifikation som ges i förhållande form relativt 1, som ett exempel 1.5: 1. Det finns två speciella fall av VSWR, ∞: 1 och 1: 1. Ett oändlighetsförhållande till en uppstår när belastningen är en öppen krets. Ett förhållande av 1: 1 uppstår när lasten är perfekt anpassad till transmissionslinjens karakteristiska impedans.
VSWR definieras från den stående vågen som uppstår på själva transmissionslinjen av:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Ekv.8)
Där VMAX är den maximala amplituden och VMIN är den minsta amplituden för den stående vågen. Med två superpålagda vågor inträffar det maximala med konstruktiv störning mellan de inkommande och reflekterade vågorna. Således:
VMAX = V + + V- (ekv. 9)
för maximal konstruktiv störning. Minsta amplitud inträffar med dekonstruktiv störning, eller:
VMIN = V + - V- (Ekv.10)
Att ersätta ekvationer 9 och 10 i utbyte av ekvation 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (Ekv.11)
När den elektriska vågen färdas genom antennsystemets olika delar (mottagare, matningsledning, antenn, ledigt utrymme) kan det uppstå skillnader i impedanser. Vid varje gränssnitt kommer en del av vågens energi att reflektera tillbaka till källan och bilda en stående våg i matningslinjen. Förhållandet mellan maximal effekt och minsta effekt i vågen kan mätas och kallas VSWR (Voltage Standing Wave Ratio). En VSWR på mindre än 1.5: 1 är idealisk, en VSWR på 2: 1 anses vara marginellt godtagbar i applikationer med låg effekt där strömförlust är mer kritisk, även om en VSWR så hög som 6: 1 fortfarande kan vara användbar med rätt Utrustning. Om du inte bryr dig om matematiska ekvationer, här är en liten "fuskark" -tabell som hjälper dig att förstå korrelationen mellan VSWR och den procentuella reflekterade effekten som kommer att återvända.
VSWR
Returnerad kraft
(ungefärlig)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2.Vad orsakar hög VSWR?
Om VSWR är för högt kan det potentiellt vara för mycket energi som reflekteras tillbaka i en effektförstärkare och orsaka skada på den interna kretsen. I ett idealiskt system skulle det finnas en VSWR på 1: 1. Orsaker till ett högt VSWR-betyg kan vara användning av felaktig belastning eller något okänt såsom en skadad överföringsledning.
