Què és la relació d'ona estacionària de tensió? Com es calcula el VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), és una mesura de l'eficàcia de la transmissió de la potència de radiofreqüència des d'una font d'energia, a través d'una línia de transmissió, a una càrrega (per exemple, des d'un amplificador de potència a través d'una línia de transmissió, fins a una antena ). " Aquest és el concepte de VSWR. Més informació sobre VSWR, com ara els factors que influeixen en VSWR, l'impacte en el sistema de transmissió, la diferència amb SWR, etc. Aquest article us pot donar una explicació detallada.
Segons Wikipedia, la relació d'ona estacionària (SWR) es defineix com:
"una mesura de la impedància que fa coincidir les càrregues amb la impedància característica d'una línia de transmissió o guia d'ones. Els desajustos d'impedància donen lloc a ones estacionàries al llarg de la línia de transmissió i el SWR es defineix com la relació de l'amplitud de l'ona estacionària parcial a un antinode (màxim) l'amplitud en un node (mínim) al llarg de la línia. "
Normalment, el SWR es mesura mitjançant un instrument dedicat anomenat Mesurador SWR. Com que el SWR és una mesura de la impedància de càrrega en relació amb la impedància característica de la línia de transmissió en ús (que junts determinen el coeficient de reflexió com es descriu a continuació), un determinat SWR pot interpretar la impedància que veu en termes de SWR només si té ha estat dissenyat per a aquesta impedància característica particular. A la pràctica, la majoria de línies de transmissió que s’utilitzen en aquestes aplicacions són cables coaxials amb una impedància de 50 o 75 ohms, de manera que la majoria dels comptadors SWR corresponen a un d’aquests.
La comprovació del SWR és un procediment estàndard en una emissora de ràdio. Tot i que es podria obtenir la mateixa informació mesurant la impedància de la càrrega amb un analitzador d’impedància (o “pont d’impedància”), el mesurador SWR és més senzill i robust per a aquest propòsit. Mesurant la magnitud del desajust d’impedància a la sortida del transmissor, revela problemes a causa de l’antena o de la línia de transmissió.
Per cert, si creieu que mai no heu experimentat una onada estacionària personalment, és molt poc probable. Les ones estacionàries al forn de microones són el motiu pel qual els aliments es cuinen de manera desigual (el plat giratori és una solució parcial a aquest problema). La longitud d'ona del senyal de 2.45 GHz és d'aproximadament 12 centímetres, o aproximadament cinc polzades. Els nuls de la radiació (i l'escalfament) se separaran a una distància similar a la longitud d'ona.
El coeficient de reflexió és a paràmetre que descriu quant d'una ona electromagnètica es reflecteix una discontinuïtat d'impedància en el medi de transmissió, igual a la proporció de l'amplitud de l'ona reflectida a l'ona incident. El coeficient de reflexió és una qualitat molt útil a l’hora de determinar VSWR o investigar la coincidència entre, per exemple, un alimentador i una càrrega. La lletra grega Γ s'utilitza normalment per al coeficient de reflexió, tot i que sovint també es veu σ.
Coeficient de reflexió
Utilitzant la definició bàsica del coeficient de reflexió, es pot calcular a partir d’un coneixement de l’incident i les tensions reflectides.
on:
Γ = coeficient de reflexió
Vref = tensió reflectida
Vfwd = tensió directa
2) Pèrdua de devolució i pèrdua de tornada
Pèrdua de retorn és la pèrdua de potència del senyal a causa de la reflexió o retorn del senyal per una discontinuïtat en un enllaç de fibra òptica o en una línia de transmissió, i la seva unitat d’expressió també es troba en decibels (dB). Aquest desajust d’impedància es pot fer amb un dispositiu inserit a la línia o amb la càrrega final. A més, la pèrdua de retorn és la relació entre el coeficient de reflexió (Γ) i la relació d'ona estacionària (SWR), i sempre és un nombre positiu, i una pèrdua de retorn elevada és un paràmetre de mesura favorable, i normalment es correlaciona amb una inserció baixa pèrdua. Per cert, si augmenteu la pèrdua de retorn, es correlacionarà amb un SWR inferior.
La pèrdua de senyal, que es produeix al llarg de la longitud d’un enllaç de fibra òptica, s’anomena pèrdua d’inserció. La pèrdua d’inserció és, però, un fet natural que es produeix amb tot tipus de transmissions, ja siguin dades o elèctriques. A més, com passa bàsicament amb totes les línies de transmissió físiques o camins conductors, com més llarg és el camí, major serà la pèrdua. A més, aquestes pèrdues també es produeixen a cada punt de connexió de la línia, inclosos els empalmaments i els connectors. Aquest paràmetre de mesura concret s’expressa en decibels i sempre ha de ser un nombre positiu. Tot i això, no vol dir sempre, i si per casualitat és negatiu, no és un paràmetre de mesura favorable. En alguns casos, pot aparèixer una pèrdua d’inserció com a mesura de paràmetres negatius.
Pèrdua de retorn i pèrdua d'inserció
Ara, doncs, examinem detalladament el diagrama anterior per comprendre millor com interactuen la pèrdua d’inserció i la pèrdua de retorn. Com podeu veure, l’energia incident viatja per una línia de transmissió des de l’esquerra fins que arriba al component. Un cop arriba al component, una part del senyal es reflecteix cap avall per la línia de transmissió cap a la font d’on prové. A més, tingueu en compte que aquesta part del senyal no entra al component.
La resta del senyal sí que entra al component. Allà s’absorbeix una mica i la resta passa a través del component cap a la línia de transmissió de l’altre costat. La potència que surt del component s’anomena potència transmesa, i és inferior a la potència incident per dos motius:
① Una part del senyal es reflecteix.
② El component absorbeix una part del senyal.
Per tant, en resum, expressem la pèrdua d’inserció en decibels i és la proporció de potència incident a potència transmesa. A més, podem resumir que la pèrdua de retorn, que també expressem en decibels, és la relació entre la potència incident i la potència reflectida. Per tant, podem veure com els dos tipus de paràmetres de mesura de pèrdues ajuden a mesurar amb precisió l’eficiència global d’un senyal i component mesurables dins d’un sistema o en un camí de pas.
En les pràctiques electròniques actuals, en termes d’ús, és preferible la pèrdua de retorn a SWR, ja que ofereix una millor resolució per a valors més petits d’ones reflectides.
3) Què és la coincidència d’impedència
La coincidència d’impedància és font de disseny i impedàncies de càrrega per minimitzar la reflexió del senyal o maximitzar la transferència de potència. Als circuits de CC, la font i la càrrega haurien de ser iguals. En els circuits de corrent altern, la font hauria de ser igual a la càrrega o al conjugat complex de la càrrega, segons l'objectiu. La impedància (Z) és una mesura de l’oposició al flux elèctric, que és un valor complex, la part real es defineix com a resistència (R), i la part imaginària s’anomena reactància (X). L'equació de la impedància és llavors per definició Z = R + jX, on j és la unitat imaginària. En els sistemes de corrent continu, la reactància és nul·la, de manera que la impedància és la mateixa que la resistència.
La relació d’ona estacionària de tensió (VSWR) és de una indicació de la quantitat de desajustament entre una antena i la línia d'alimentació que hi connecta. (Feu clic a aquí per triar els nostres productes d’antenes) També es coneix com a Ràtio d’Ona Permanent (SWR). L'interval de valors per a VSWR és d'1 a ∞. Es considera un valor VSWR inferior a 2 adequat per a la majoria d’aplicacions d’antena. Es pot descriure que l'antena té un "bon partit". Per tant, quan algú diu que l’antena no coincideix, sovint significa que el valor VSWR supera 2 per a una freqüència d’interès. La pèrdua de devolució és una altra de les especificacions d’interès i es tracta més detalladament a la secció Teoria de l’antena. Una conversió que es requereix habitualment és entre la pèrdua de retorn i VSWR, i alguns valors es presenten en una taula, juntament amb un gràfic d’aquests valors per a una consulta ràpida.
Fem un vídeo de visualització ràpida sobre VSWR.
2) Factors Afecta VSWR
· Freqüència
· Terra de l’antena
· Objectes metàl·lics propers
· Tipus de construcció de l’antena
· Temperatura
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR és un concepte, és a dir, la relació d'ona estacionària. VSWR és en realitat com es fa la mesura, mesurant les tensions per determinar la SWR. També podeu mesurar el SWR mesurant els corrents o fins i tot la potència (ISWR i PSWR). Però, per a la majoria dels efectes, quan algú diu SWR que vol dir VSWR, en una conversa habitual són intercanviables.
· SWR: SWR significa relació d'ona estacionària. Descriu les ones estacionàries de tensió i corrent que apareixen a la línia. És una descripció genèrica de les ones estacionàries de corrent i de tensió. Sovint s’utilitza en associació amb comptadors que s’utilitzen per detectar la relació d’ones estacionàries. Tant el corrent com el voltatge augmenten i baixen en la mateixa proporció per a un determinat desajustament. · VSWR: La relació d'ona estacionària VSWR o de tensió s'aplica específicament a les ones estacionàries de tensió configurades en un alimentador o línia de transmissió. Com que és més fàcil detectar les ones estacionàries de voltatge i, en molts casos, les tensions són més importants pel que fa a la ruptura del dispositiu, el terme VSWR s'utilitza sovint, especialment a les àrees de disseny de RF.
Als efectes més pràctics, ISWR és el mateix que VSWR. En condicions ideals, la tensió de RF en una línia de transmissió de senyal és la mateixa en tots els punts de la línia, deixant de banda les pèrdues de potència causades per la resistència elèctrica en els cables de la línia i les imperfeccions del material dielèctric que separa els conductors de la línia. El VSWR ideal és, per tant, 1: 1. (Sovint el valor SWR s'escriu simplement en termes del primer nombre o numerador de la proporció perquè el segon nombre o denominador sempre és 1.) Quan el VSWR és 1, el ISWR també és 1. Aquesta condició òptima pot només existeixen quan la càrrega (com ara una antena o un receptor sense fils), a la qual es subministra energia RF, té una impedància idèntica a la impedància de la línia de transmissió. Això vol dir que la resistència de càrrega ha de ser la mateixa que la impedància característica de la línia de transmissió i que la càrrega no ha de contenir reactància (és a dir, la càrrega ha d’estar lliure d’inductància o capacitat). En qualsevol altra situació, la tensió i el corrent fluctuen en diversos punts de la línia, i el SWR no és 1.
4. Com afecta VSWR al rendiment del sistema de transmissió
Hi ha moltes maneres en què el VSWR afecta el rendiment d'un sistema de transmissió o de qualsevol sistema que pugui utilitzar freqüències de ràdio i impedàncies idèntiques. Tot i que VSWR s’utilitza normalment, tant les ones de tensió com les de corrent poden causar problemes.
· Els amplificadors de potència del transmissor es poden danyar: L'augment dels nivells de tensió i corrent vist a l'alimentador com a conseqüència de les ones estacionàries pot danyar els transistors de sortida del transmissor. Els dispositius semiconductors són molt fiables si funcionen dins dels límits especificats, però les ones estacionàries de tensió i corrent de l'alimentador poden causar danys catastròfics si fan que el dispositiu funcioni fora dels seus límits.
· La protecció PA redueix la potència de sortida: Tenint en compte el perill real que els nivells elevats de SWR causin danys a l'amplificador de potència, molts transmissors incorporen circuits de protecció que redueixen la sortida del transmissor a mesura que augmenta el SWR. Això significa que una mala coincidència entre l'alimentador i l'antena donarà lloc a un SWR elevat que fa que la sortida es redueixi i, per tant, una pèrdua important de potència transmesa.
· Els nivells d’alta tensió i corrent poden danyar l’alimentador: És possible que els nivells de corrent i alta tensió causats per l’alta relació d’ones estacionàries puguin causar danys a un alimentador. Tot i que, en la majoria dels casos, els alimentadors funcionaran bé dins dels seus límits i s’hauria d’acceptar la duplicació de la tensió i el corrent, hi ha algunes circumstàncies en què es poden produir danys. Els màxims actuals poden provocar un excés de calefacció local que podria distorsionar o fondre els plàstics utilitzats i, en algunes circumstàncies, se sap que les altes tensions causen arc.
· Els retards causats per reflexos poden provocar distorsions: Quan un senyal es reflecteix per desajustament, es reflecteix cap a la font i es pot tornar a reflectir cap a l'antena. S'introdueix un retard igual al doble del temps de transmissió del senyal al llarg de l'alimentador. Si es transmeten dades, això pot provocar interferències entre símbols i, en un altre exemple de transmissió de televisió analògica, es va veure una imatge “fantasma”.
· Reducció del senyal en comparació amb el sistema de coincidència perfectaCuriosament, la pèrdua de nivell de senyal causada per un VSWR pobre no és tan gran com alguns poden imaginar. Qualsevol senyal reflectit per la càrrega es reflecteix de nou al transmissor i, ja que la coincidència amb el transmissor pot permetre que el senyal es reflecteixi de nou a l'antena, les pèrdues sofertes són fonamentalment les introduïdes per l'alimentador. Com a guia, una longitud de 30 metres de coaxial RG213 amb una pèrdua d’uns 1.5 dB a 30 MHz significa que una antena que funcioni amb un VSWR només donarà una pèrdua de poc més d’1 dB a aquesta freqüència en comparació amb una antena perfectament adaptada.
Es poden utilitzar molts mètodes diferents per mesurar la relació d'ones estacionàries. El mètode més intuïtiu utilitza una línia ranurada que és una secció de la línia de transmissió amb una ranura oberta que permet a una sonda detectar la tensió real en diversos punts de la línia. Així, els valors màxim i mínim es poden comparar directament. Aquest mètode s’utilitza a freqüències VHF i superiors. A freqüències més baixes, aquestes línies són impracticablement llargues. Els acobladors direccionals es poden utilitzar a HF mitjançant freqüències de microones. Alguns tenen un quart d'ona o més de llarg, cosa que restringeix el seu ús a les freqüències més altes. Altres tipus d'acobladors direccionals mostren el corrent i el voltatge en un sol punt del camí de transmissió i els combinen matemàticament de manera que representin la potència que flueix en una direcció. El tipus comú de mesurador de potència SWR / utilitzat en funcionament amateur pot contenir un acoblador direccional doble. Altres tipus utilitzen un únic acoblament que es pot girar 180 graus per mostrar la potència que flueix en qualsevol direcció. Els acobladors unidireccionals d’aquest tipus estan disponibles per a molts rangs de freqüència i nivells de potència i amb valors d’acoblament adequats per al comptador analògic utilitzat.
Línia ranurada
La potència avançada i reflectida mesurada per acobladors direccionals es pot utilitzar per calcular el SWR. Els càlculs es poden fer matemàticament en forma analògica o digital o mitjançant mètodes gràfics integrats al comptador com a escala addicional o llegint des del punt de pas entre dues agulles del mateix comptador.
Els instruments de mesura anteriors es poden utilitzar "en línia", és a dir, tota la potència del transmissor pot passar a través del dispositiu de mesura per permetre un seguiment continu de SWR. Altres instruments, com ara analitzadors de xarxa, acobladors direccionals de baixa potència i ponts d'antena, utilitzen poca potència per a la mesura i s'han de connectar en lloc del transmissor. Els circuits pont es poden utilitzar per mesurar directament les parts reals i imaginàries d’una impedància de càrrega i utilitzar aquests valors per obtenir SWR. Aquests mètodes poden proporcionar més informació que només SWR o potència directa i reflectida. Els analitzadors d'antenes independents utilitzen diversos mètodes de mesura i poden mostrar SWR i altres paràmetres representats en funció de la freqüència. Mitjançant l'ús d'acobladors direccionals i un pont en combinació, és possible fabricar un instrument en línia que llegeixi directament en impedància complexa o en SWR. També hi ha disponibles analitzadors d'antenes independents que mesuren múltiples paràmetres.
Un mesurador de potència
NOTA: Si la vostra lectura SWR és inferior a 1, teniu un problema. És possible que tingueu un comptador SWR defectuós, que tingui problemes amb l’antena o la connexió de l’antena o que tingueu una ràdio danyada o defectuosa.
Quan una ona transmesa arriba a un límit com el que hi ha entre la línia de transmissió sense pèrdues i la càrrega (figura 1), es transmetrà una mica d’energia a la càrrega i algunes es reflectiran. El coeficient de reflexió relaciona les ones entrants i reflectides com:
Γ = V-/V+ (Equ. 1)
On V- és l’ona reflectida i V + és l’ona entrant. VSWR està relacionat amb la magnitud del coeficient de reflexió de tensió (Γ) per:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Equació 2)
Figura 1. Circuit de la línia de transmissió que il·lustra el límit de desajustament de la impedància entre la línia de transmissió i la càrrega. Les reflexions es produeixen al límit designat per Γ. L’ona incident és V + i l’ona reflectant és V-.
El VSWR es pot mesurar directament amb un mesurador SWR. Es pot utilitzar un instrument de prova de RF com un analitzador de xarxa vectorial (VNA) per mesurar els coeficients de reflexió del port d'entrada (S11) i del port de sortida (S22). S11 i S22 equivalen a Γ al port d'entrada i sortida, respectivament. Els VNA amb modes matemàtics també poden calcular directament i mostrar el valor VSWR resultant.
La pèrdua de retorn als ports d'entrada i sortida es pot calcular a partir del coeficient de reflexió, S11 o S22, de la manera següent:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (equ. 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (equació 4)
El coeficient de reflexió es calcula a partir de la impedància característica de la línia de transmissió i de la impedància de càrrega de la manera següent:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (Eq. 5)
On ZL és la impedància de càrrega i ZO és la impedància característica de la línia de transmissió (Figura 1).
VSWR també es pot expressar en termes de ZL i ZO. Substituint l'equació 5 a l'equació 2, obtenim:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Per a ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Per tant:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Equ. 7)
Hem remarcat anteriorment que VSWR és una especificació donada en forma de relació en relació amb 1, com a exemple 1.5: 1. Hi ha dos casos especials de VSWR, ∞: 1 i 1: 1. Una relació d’infinit a un es produeix quan la càrrega és un circuit obert. Una relació de 1: 1 es produeix quan la càrrega s'ajusta perfectament a la impedància característica de la línia de transmissió.
VSWR es defineix a partir de l’ona permanent que sorgeix de la pròpia línia de transmissió per:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Equ. 8)
On VMAX és l'amplitud màxima i VMIN és l'amplitud mínima de l'ona permanent. Amb dues ones superimpostes, el màxim es produeix amb interferències constructives entre les ones entrants i les reflectides. Així:
VMAX = V + + V- (equ. 9)
per obtenir la màxima interferència constructiva. L'amplitud mínima es produeix amb interferències deconstructives o:
VMIN = V + - V- (equ. 10)
Substituint les equacions 9 i 10 en resultats de l'equació 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (equ. 11)
A mesura que l’ona elèctrica viatja a través de les diferents parts del sistema d’antena (receptor, línia d’alimentació, antena, espai lliure) pot trobar-se amb diferències d’impedàncies. A cada interfície, una part de l'energia de l'ona es reflectirà de nou a la font, formant una ona estacionària a la línia d'alimentació. Es pot mesurar la relació de potència màxima a potència mínima a l'ona i s'anomena relació d'ona estacionària de tensió (VSWR). Un VSWR inferior a 1.5: 1 és ideal, un VSWR de 2: 1 es considera marginalment acceptable en aplicacions de baixa potència on la pèrdua d’alimentació és més crítica, tot i que un VSWR de fins a 6: 1 pot continuar sent utilitzat amb la dreta equipament. Per si no us importen les equacions matemàtiques, aquí teniu una petita taula de "fulls de trampes" per ajudar a entendre la correlació de VSWR amb el percentatge de potència reflectida que tornarà.
VSWR
Poder retornat
(aproximat)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. Quina causa de VSWR elevada?
Si el VSWR és massa alt, pot ser que es reflecteixi massa energia en un amplificador de potència, causant danys als circuits interns. En un sistema ideal, hi hauria un VSWR d'1: 1. Les causes d’una elevada qualificació VSWR poden ser l’ús d’una càrrega inadequada o alguna cosa desconeguda, com ara una línia de transmissió danyada.
