Qual è il rapporto delle onde stazionarie di tensione? Come calcolare VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), è una misura dell'efficienza con cui la potenza a radiofrequenza viene trasmessa da una fonte di alimentazione, attraverso una linea di trasmissione, in un carico (ad esempio, da un amplificatore di potenza attraverso una linea di trasmissione, a un'antenna ). " Questo è il concetto di VSWR. Maggiori informazioni su VSWR, come i fattori di influenza di VSWR, l'impatto sul sistema di trasmissione, la differenza con SWR, ecc. Questo articolo può darti una spiegazione dettagliata.
Secondo Wikipedia, il rapporto delle onde stazionarie (SWR) definito come:
"una misura dell'adattamento dell'impedenza dei carichi all'impedenza caratteristica di una linea di trasmissione o di una guida d'onda. I disallineamenti di impedenza provocano onde stazionarie lungo la linea di trasmissione e l'SWR è definito come il rapporto tra l'ampiezza dell'onda stazionaria parziale su un antinodo (massimo) e l'ampiezza in un nodo (minimo) lungo la linea. "
L'SWR viene solitamente misurato utilizzando uno strumento dedicato chiamato Misuratore SWR. Poiché l'SWR è una misura dell'impedenza di carico relativa all'impedenza caratteristica della linea di trasmissione in uso (che insieme determinano il coefficiente di riflessione come descritto di seguito), un dato misuratore di SWR può interpretare l'impedenza che vede in termini di SWR solo se ha progettato per quella particolare impedenza caratteristica. In pratica la maggior parte delle linee di trasmissione utilizzate in queste applicazioni sono cavi coassiali con un'impedenza di 50 o 75 ohm, quindi la maggior parte dei misuratori SWR corrispondono a uno di questi.
Il controllo dell'SWR è una procedura standard in una stazione radio. Sebbene le stesse informazioni possano essere ottenute misurando l'impedenza del carico con un analizzatore di impedenza (o "ponte di impedenza"), il misuratore di SWR è più semplice e più robusto per questo scopo. Misurando l'ampiezza del disadattamento di impedenza all'uscita del trasmettitore, rivela problemi dovuti all'antenna o alla linea di trasmissione.
A proposito, se pensi di non aver mai sperimentato personalmente un'onda stazionaria, è molto improbabile. Le onde stazionarie in un forno a microonde sono la ragione per cui il cibo viene cotto in modo non uniforme (il piatto rotante è una soluzione parziale a questo problema). La lunghezza d'onda del segnale a 2.45 GHz è di circa 12 centimetri o circa cinque pollici. I valori nulli nella radiazione (e nel riscaldamento) verranno separati a una distanza simile alla lunghezza d'onda.
Il coefficiente di riflessione è a parametro che descrive quanto di un'onda elettromagnetica viene riflessa da una discontinuità di impedenza nel mezzo di trasmissione, pari al rapporto tra l'ampiezza dell'onda riflessa e l'onda incidente. Il coefficiente di riflessione è una qualità molto utile quando si determina il VSWR o si studia la corrispondenza tra, ad esempio, un alimentatore e un carico. La lettera greca Γ è tipicamente usata per il coefficiente di riflessione, sebbene si veda spesso anche σ.
Coefficiente di riflessione
Utilizzando la definizione di base del coefficiente di riflessione, può essere calcolato da una conoscenza di l'incidente e le tensioni riflesse.
Perdita di ritorno è la perdita di potenza del segnale dovuta alla riflessione o al ritorno del segnale da una discontinuità in un collegamento in fibra ottica o in una linea di trasmissione e anche la sua unità di espressione è in decibel (dB). Questo disadattamento di impedenza può essere con un dispositivo inserito nella linea o con il carico di terminazione. Inoltre, la perdita di ritorno è la relazione tra il coefficiente di riflessione (Γ) e il rapporto d'onda stazionaria (SWR), ed è sempre un numero positivo, e un'alta perdita di ritorno è un parametro di misurazione favorevole e tipicamente è correlata a un basso inserimento perdita. Per inciso, se aumenti la perdita di ritorno, sarà correlata a un SWR inferiore.
La perdita di segnale, che si verifica lungo la lunghezza di un collegamento in fibra ottica, si chiama perdita di inserzione. La perdita di inserzione è, tuttavia, un evento naturale che si verifica con tutti i tipi di trasmissioni, siano esse di dati o elettriche. Inoltre, poiché è fondamentalmente con tutte le linee di trasmissione fisiche o percorsi conduttivi, più lungo è il percorso, maggiore è la perdita. Inoltre, queste perdite si verificano anche in ogni punto di connessione lungo la linea, inclusi giunti e connettori. Questo particolare parametro di misurazione è espresso in decibel e dovrebbe essere sempre un numero positivo. Tuttavia, dovrebbe, non significa sempre, e se per caso è negativo, non è un parametro di misurazione favorevole. In alcuni casi, una perdita di inserzione può apparire come una misura di parametro negativo.
Perdita di ritorno e perdita di inserzione
Quindi ora, esaminiamo il diagramma sopra in dettaglio in modo da poter ottenere una migliore comprensione di come interagiscono la perdita di inserzione e la perdita di ritorno. Come puoi vedere, la potenza incidente viaggia lungo una linea di trasmissione da sinistra fino a raggiungere il componente. Una volta raggiunto il componente, una parte del segnale viene riflessa lungo la linea di trasmissione verso la sorgente da cui proviene. Inoltre, tieni presente che questa parte del segnale non entra nel componente.
Il resto del segnale entra effettivamente nel componente. Lì una parte viene assorbita e il resto passa attraverso il componente nella linea di trasmissione sull'altro lato. La potenza che esce dal componente è chiamata potenza trasmessa, ed è inferiore alla potenza incidente per due motivi:
① Una parte del segnale viene riflessa.
② Il componente assorbe una parte del segnale.
Quindi, in sintesi, esprimiamo la perdita di inserzione in decibel, ed è il rapporto tra potenza incidente e potenza trasmessa. Inoltre, possiamo riassumere che la perdita di rendimento, che esprimiamo anche in decibel, è il rapporto tra potenza incidente e potenza riflessa. Pertanto, possiamo vedere come i due tipi di parametri di misurazione della perdita aiutano a misurare con precisione l'efficienza complessiva di un segnale e di un componente misurabili all'interno di un sistema o in un percorso passante.
Nelle pratiche elettroniche odierne, in termini di utilizzo, la perdita di ritorno è preferibile all'SWR poiché offre una migliore risoluzione per valori più piccoli di onde riflesse.
3) Cos'è l'impedence Matching
La corrispondenza dell'impedenza è progettazione della fonte ed impedenze di carico per ridurre al minimo la riflessione del segnale o massimizzare il trasferimento di potenza. Nei circuiti CC, la sorgente e il carico dovrebbero essere uguali. Nei circuiti CA, la sorgente deve essere uguale al carico o al complesso coniugato del carico, a seconda dell'obiettivo. L'impedenza (Z) è una misura dell'opposizione al flusso elettrico, che è un valore complesso con la parte reale definita come resistenza (R) e la parte immaginaria è chiamata reattanza (X). L'equazione dell'impedenza è quindi per definizione Z = R + jX, dove j è l'unità immaginaria. Nei sistemi DC, la reattanza è zero, quindi l'impedenza è la stessa della resistenza.
3. Che cos'è VSWR (rapporto di onde stazionarie di tensione)
1) Qual è il significato di VSWR
Il rapporto di onda stazionaria di tensione (VSWR) è un'indicazione dell'importo del disallineamento tra un'antenna e la linea di alimentazione ad essa collegata. (Clic qui per scegliere i nostri prodotti per antenne) Questo è anche noto come rapporto di onda stazionaria (SWR). L'intervallo di valori per VSWR va da 1 a ∞. Viene considerato un valore VSWR inferiore a 2 adatto per la maggior parte delle applicazioni di antenna. L'antenna può essere descritta come avente una "buona corrispondenza". Quindi, quando qualcuno dice che l'antenna è scarsamente abbinata, molto spesso significa che il valore VSWR supera 2 per una frequenza di interesse. La perdita di ritorno è un'altra specifica di interesse ed è trattata in modo più dettagliato nella sezione Teoria dell'antenna. Una conversione comunemente richiesta è tra perdita di ritorno e VSWR e alcuni valori sono tabulati nel grafico, insieme a un grafico di questi valori per un riferimento rapido.
Diamo una rapida occhiata al video su VSWR!
2) fattori Colpisce VSWR
· Frequenza
· Terra dell'antenna
· Oggetti metallici vicini
· Tipo di costruzione dell'antenna
· Temperatura
3) CFA vs VROS vs ISWR vs PSWR
SWR è un concetto, cioè il rapporto delle onde stazionarie. VSWR è in realtà il modo in cui effettui la misurazione, misurando le tensioni per determinare l'SWR. È inoltre possibile misurare l'SWR misurando le correnti o anche la potenza (ISWR e PSWR). Ma per la maggior parte degli intenti e degli scopi, quando qualcuno dice che SWR intende VSWR, nella conversazione comune sono intercambiabili.
· SWR: SWR sta per rapporto di onde stazionarie. Descrive le onde stazionarie di tensione e corrente che appaiono sulla linea. È una descrizione generica per onde stazionarie di corrente e tensione. Viene spesso utilizzato in associazione ai misuratori utilizzati per rilevare il rapporto delle onde stazionarie. Sia la corrente che la tensione aumentano e diminuiscono della stessa proporzione per un dato disadattamento. · ROS: Il rapporto VSWR o onda stazionaria di tensione si applica specificamente alle onde stazionarie di tensione impostate su una linea di alimentazione o di trasmissione. Poiché è più facile rilevare le onde stazionarie di tensione e in molti casi le tensioni sono più importanti in termini di guasto del dispositivo, viene spesso utilizzato il termine VSWR, specialmente nelle aree di progettazione RF.
Per la maggior parte degli scopi pratici, ISWR è lo stesso di VSWR. In condizioni ideali, la tensione RF su una linea di trasmissione del segnale è la stessa in tutti i punti della linea, trascurando le perdite di potenza causate dalla resistenza elettrica nei fili della linea e dalle imperfezioni del materiale dielettrico che separa i conduttori di linea. Il VSWR ideale è quindi 1: 1. (Spesso il valore SWR è scritto semplicemente in termini del primo numero, o numeratore, del rapporto perché il secondo numero, o denominatore, è sempre 1.) Quando il VSWR è 1, anche l'ISWR è 1. Questa condizione ottimale può esistono solo quando il carico (come un'antenna o un ricevitore wireless), in cui viene erogata la potenza RF, ha un'impedenza identica all'impedenza della linea di trasmissione. Ciò significa che la resistenza del carico deve essere uguale all'impedenza caratteristica della linea di trasmissione e il carico non deve contenere reattanza (ovvero, il carico deve essere privo di induttanza o capacità). In qualsiasi altra situazione, la tensione e la corrente fluttuano in vari punti lungo la linea, e l'SWR non è 1.
4. In che modo VSWR influisce sulle prestazioni del sistema di trasmissione
Esistono molti modi in cui VSWR influisce sulle prestazioni di un sistema di trasmissione o di qualsiasi sistema che può utilizzare frequenze radio e impedenze identiche. Sebbene VSWR sia utilizzato normalmente, sia le onde di tensione che quelle di corrente possono causare problemi.
· Gli amplificatori di potenza del trasmettitore possono essere danneggiati: I maggiori livelli di tensione e corrente visti sull'alimentatore a causa delle onde stazionarie, possono danneggiare i transistor di uscita del trasmettitore. I dispositivi a semiconduttore sono molto affidabili se utilizzati entro i limiti specificati, ma le onde stazionarie di tensione e corrente sull'alimentatore possono causare danni catastrofici se fanno funzionare il dispositivo al di fuori dei loro limiti.
· La protezione PA riduce la potenza in uscita: In considerazione del pericolo molto reale di alti livelli di SWR che causano danni all'amplificatore di potenza, molti trasmettitori incorporano circuiti di protezione che riducono l'uscita dal trasmettitore all'aumentare dell'SWR. Ciò significa che una scarsa corrispondenza tra l'alimentatore e l'antenna si tradurrà in un alto SWR che causa una riduzione dell'uscita e quindi una significativa perdita di potenza trasmessa.
· I livelli di alta tensione e corrente possono danneggiare l'alimentatore: È possibile che i livelli di alta tensione e corrente causati dall'elevato rapporto di onde stazionarie possano danneggiare un alimentatore. Sebbene nella maggior parte dei casi gli alimentatori funzioneranno bene entro i loro limiti e il raddoppio di tensione e corrente dovrebbe essere in grado di essere adattato, ci sono alcune circostanze in cui possono essere causati danni. I massimi di corrente possono causare un surriscaldamento locale eccessivo che potrebbe distorcere o fondere la plastica utilizzata e le alte tensioni sono note per causare archi in alcune circostanze.
· I ritardi causati dai riflessi possono causare distorsioni: Quando un segnale viene riflesso da un disadattamento, viene riflesso di nuovo verso la sorgente e può quindi essere riflesso di nuovo verso l'antenna. Viene introdotto un ritardo pari al doppio del tempo di trasmissione del segnale lungo l'alimentatore. Se vengono trasmessi dati, ciò può causare interferenze intersimbolo e, in un altro esempio in cui veniva trasmessa la televisione analogica, si vedeva un'immagine "fantasma".
· Riduzione del segnale rispetto al sistema perfettamente compatibile: È interessante notare che la perdita di livello del segnale causata da uno scarso VSWR non è così grande come alcuni potrebbero immaginare. Qualsiasi segnale riflesso dal carico, viene riflesso al trasmettitore e poiché l'adattamento al trasmettitore può consentire al segnale di essere riflesso nuovamente sull'antenna, le perdite subite sono fondamentalmente quelle introdotte dall'alimentatore. A titolo indicativo, una lunghezza di 30 metri di cavo coassiale RG213 con una perdita di circa 1.5 dB a 30 MHz significa che un'antenna che funziona con un VSWR darà solo una perdita di poco più di 1 dB a questa frequenza rispetto a un'antenna perfettamente abbinata.
È possibile utilizzare molti metodi diversi per misurare il rapporto delle onde stazionarie. Il metodo più intuitivo utilizza una linea scanalata che è una sezione di linea di trasmissione con una fessura aperta che consente a una sonda di rilevare la tensione effettiva in vari punti lungo la linea. In questo modo i valori massimo e minimo possono essere confrontati direttamente. Questo metodo viene utilizzato in VHF e frequenze più alte. A frequenze più basse, tali linee sono difficilmente lunghe. Gli accoppiatori direzionali possono essere utilizzati in HF attraverso le frequenze delle microonde. Alcuni sono un quarto d'onda o più lunghi, il che limita il loro utilizzo alle frequenze più alte. Altri tipi di accoppiatori direzionali campionano la corrente e la tensione in un unico punto del percorso di trasmissione e le combinano matematicamente in modo da rappresentare la potenza che scorre in una direzione. Il tipo comune di SWR / misuratore di potenza utilizzato nelle operazioni amatoriali può contenere un accoppiatore bidirezionale. Altri tipi utilizzano un singolo accoppiatore che può essere ruotato di 180 gradi per campionare la potenza che scorre in entrambe le direzioni. Gli accoppiatori unidirezionali di questo tipo sono disponibili per molti intervalli di frequenza e livelli di potenza e con valori di accoppiamento appropriati per il misuratore analogico utilizzato.
Linea scanalata
La potenza diretta e riflessa misurata dagli accoppiatori direzionali può essere utilizzata per calcolare l'SWR. I calcoli possono essere eseguiti matematicamente in forma analogica o digitale o utilizzando metodi grafici incorporati nel misuratore come scala aggiuntiva o leggendo dal punto di incrocio tra due aghi sullo stesso misuratore.
Gli strumenti di misura di cui sopra possono essere utilizzati "in linea" cioè la piena potenza del trasmettitore può passare attraverso il dispositivo di misura in modo da consentire il monitoraggio continuo dell'SWR. Altri strumenti, come analizzatori di rete, accoppiatori direzionali a bassa potenza e ponti d'antenna utilizzano bassa potenza per la misurazione e devono essere collegati al posto del trasmettitore. I circuiti a ponte possono essere utilizzati per misurare direttamente le parti reali e immaginarie di un'impedenza di carico e per utilizzare questi valori per derivare l'SWR. Questi metodi possono fornire più informazioni rispetto al semplice SWR o potenza diretta e riflessa. Gli analizzatori d'antenna indipendenti utilizzano vari metodi di misurazione e possono visualizzare l'SWR e altri parametri tracciati rispetto alla frequenza. Utilizzando accoppiatori direzionali e un ponte in combinazione, è possibile realizzare uno strumento in linea che legge direttamente in impedenza complessa o in SWR. Sono disponibili anche analizzatori di antenna indipendenti che misurano più parametri.
Un misuratore di potenza
NOTA: Se la tua lettura SWR è inferiore a 1, hai un problema. Potresti avere un cattivo misuratore SWR, qualcosa che non va con l'antenna o la connessione dell'antenna, o potresti avere una radio danneggiata o difettosa.
Quando un'onda trasmessa colpisce un limite come quello tra la linea di trasmissione senza perdita e il carico (Figura 1), parte dell'energia verrà trasmessa al carico e parte verrà riflessa. Il coefficiente di riflessione mette in relazione le onde in entrata e riflesse come:
= V-/V+ (Eq.1)
Dove V- è l'onda riflessa e V + è l'onda in arrivo. Il VSWR è correlato all'entità del coefficiente di riflessione della tensione (Γ) per:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Eq.2)
Figura 1. Circuito della linea di trasmissione che illustra il confine del disadattamento di impedenza tra la linea di trasmissione e il carico. Le riflessioni si verificano al confine designato da Γ. L'onda incidente è V + e l'onda riflettente è V-.
Il VSWR può essere misurato direttamente con un contatore SWR. Uno strumento di test RF come un analizzatore di rete vettoriale (VNA) può essere utilizzato per misurare i coefficienti di riflessione della porta di ingresso (S11) e della porta di uscita (S22). S11 e S22 sono equivalenti a Γ rispettivamente alla porta di ingresso e di uscita. I VNA con modalità matematiche possono anche calcolare e visualizzare direttamente il valore VSWR risultante.
La perdita di ritorno sulle porte di ingresso e uscita può essere calcolata dal coefficiente di riflessione, S11 o S22, come segue:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (Eq.3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (Eq.4)
Il coefficiente di riflessione viene calcolato dall'impedenza caratteristica della linea di trasmissione e dall'impedenza di carico come segue:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (Eq.5)
Dove ZL è l'impedenza di carico e ZO è l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione (Figura 1).
VSWR può anche essere espresso in termini di ZL e ZO. Sostituendo l'equazione 5 nell'equazione 2, otteniamo:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Per ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Perciò:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Eq.7)
Abbiamo notato sopra che VSWR è una specifica fornita in forma di rapporto rispetto a 1, ad esempio 1.5: 1. Esistono due casi speciali di VSWR, ∞: 1 e 1: 1. Un rapporto tra infinito e uno si verifica quando il carico è un circuito aperto. Un rapporto di 1: 1 si verifica quando il carico è perfettamente adattato all'impedenza caratteristica della linea di trasmissione.
Il VSWR è definito dall'onda stazionaria che sorge sulla linea di trasmissione stessa da:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Eq.8)
Dove VMAX è l'ampiezza massima e VMIN è l'ampiezza minima dell'onda stazionaria. Con due onde super-imposte, il massimo si verifica con interferenza costruttiva tra le onde in entrata e quelle riflesse. Così:
VMAX = V + + V- (Eq.9)
per la massima interferenza costruttiva. L'ampiezza minima si verifica con interferenza decostruttiva, oppure:
VMIN = V + - V- (Eq.10)
Sostituendo le equazioni 9 e 10 nei rendimenti dell'equazione 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (Eq.11)
Quando l'onda elettrica viaggia attraverso le diverse parti del sistema di antenna (ricevitore, linea di alimentazione, antenna, spazio libero) può incontrare differenze di impedenza. Ad ogni interfaccia, una parte dell'energia dell'onda si rifletterà sulla sorgente, formando un'onda stazionaria nella linea di alimentazione. Il rapporto tra la potenza massima e la potenza minima nell'onda può essere misurato e viene chiamato rapporto dell'onda stazionaria di tensione (VSWR). Un VSWR inferiore a 1.5: 1 è l'ideale, un VSWR di 2: 1 è considerato marginalmente accettabile nelle applicazioni a bassa potenza in cui la perdita di potenza è più critica, sebbene un VSWR fino a 6: 1 possa essere ancora utilizzabile con il diritto attrezzature. Nel caso in cui non ti interessino le equazioni matematiche, ecco una piccola tabella "cheat sheet" per aiutare a capire la correlazione di VSWR con la percentuale di potenza riflessa che tornerà.
ROS
Potenza restituita
(approssimativo)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2.Che cosa causa un VSWR elevato?
Se il VSWR è troppo alto, potrebbe esserci troppa energia riflessa in un amplificatore di potenza, causando danni ai circuiti interni. In un sistema ideale, ci sarebbe un VSWR di 1: 1. Le cause di un valore VSWR elevato potrebbero essere l'uso di un carico improprio o qualcosa di sconosciuto come una linea di trasmissione danneggiata.
