Что такое коэффициент стоячей волны напряжения? Как рассчитать КСВН?
«КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению) - это мера того, насколько эффективно радиочастотная энергия передается от источника питания по линии передачи в нагрузку (например, от усилителя мощности по линии передачи к антенне. ). " Это концепция КСВН. Подробнее о КСВН, таких как факторы, влияющие на КСВ, влияние на систему передачи, разницу с КСВ и т. Д. Эта статья может дать вам подробное объяснение.
Согласно Википедии, коэффициент стоячей волны (КСВ) определяется как:
"мера согласования импеданса нагрузок с характеристическим импедансом линии передачи или волновода. Несовпадение импеданса приводит к возникновению стоячих волн вдоль линии передачи, а КСВ определяется как отношение амплитуды частичной стоячей волны в пучности (максимум) к амплитуда в узле (минимум) вдоль линии ".
КСВ обычно измеряется с помощью специального инструмента, называемого КСВ метр. Поскольку КСВ является мерой импеданса нагрузки относительно характеристического импеданса используемой линии передачи (которые вместе определяют коэффициент отражения, как описано ниже), данный КСВ-метр может интерпретировать импеданс, который он видит в терминах КСВ, только если он имеет был разработан для данного характеристического импеданса. На практике большинство линий передачи, используемых в этих приложениях, представляют собой коаксиальный кабель с импедансом 50 или 75 Ом, поэтому большинство измерителей КСВ соответствуют одному из них.
Проверка КСВ - стандартная процедура на радиостанции.. Хотя ту же информацию можно получить путем измерения импеданса нагрузки с помощью анализатора импеданса (или «моста импеданса»), измеритель КСВ проще и надежнее для этой цели. Измеряя величину рассогласования импеданса на выходе передатчика, выявляются проблемы, связанные либо с антенной, либо с линией передачи.
Кстати, если вы думаете, что никогда лично не сталкивались со стоячей волной, это очень маловероятно. Стоячие волны в микроволновой печи - причина того, что пища готовится неравномерно (вращающийся поднос - частичное решение этой проблемы). Длина волны сигнала 2.45 ГГц составляет около 12 сантиметров или около пяти дюймов. Нули в излучении (и нагреве) будут разделены на расстоянии, близком к длине волны.
Коэффициент отражения равен параметр который описывает, какая часть электромагнитной волны отражается неоднородностью импеданса в передающей среде, равной отношению амплитуды отраженной волны к падающей волне. Коэффициент отражения - очень полезное качество при определении КСВН или исследовании соответствия, например, между фидером и нагрузкой. Греческая буква Γ обычно используется для обозначения коэффициента отражения, хотя часто встречается и σ.
Коэффициент отражения
Используя базовое определение коэффициента отражения, его можно вычислить, зная падающее и отраженное напряжения.
Обратные потери представляет собой потерю мощности сигнала из-за отражения или возврата сигнала из-за разрыва в волоконно-оптическом канале или линии передачи, и его единица выражения также находится в децибелах (дБс). Это несоответствие импеданса может быть связано с устройством, вставленным в линию, или с оконечной нагрузкой. Более того, возвратные потери - это соотношение между коэффициентом отражения (Γ) и коэффициентом стоячей волны (КСВ), и оно всегда является положительным числом, а высокие возвратные потери являются подходящим параметром измерения и обычно коррелируют с малым вносимым током. потеря. Между прочим, если вы увеличите возвратные потери, они будут коррелировать с более низким КСВ.
Потеря сигнала, которая происходит по длине оптоволоконного канала, называется вносимыми потерями. Однако вносимые потери - это естественное явление, которое происходит при всех типах передачи, будь то передача данных или электрическая передача. Кроме того, как и в основном со всеми физическими линиями передачи или токопроводящими путями, чем длиннее путь, тем выше потери. Более того, эти потери также возникают в каждой точке соединения вдоль линии, включая стыки и соединители. Этот конкретный параметр измерения выражается в децибелах и всегда должен быть положительным числом. Однако «должен» не означает «всегда», и если он случайно отрицателен, это не лучший параметр для измерения. В некоторых случаях вносимые потери могут проявляться как измерение отрицательного параметра.
Возвратная потеря и вставка
Итак, давайте рассмотрим приведенную выше диаграмму подробно, чтобы лучше понять, как взаимодействуют вносимые и обратные потери. Как видите, падающая мощность проходит по линии передачи слева, пока не достигнет компонента. Как только он достигает компонента, часть сигнала отражается обратно по линии передачи к источнику, из которого он пришел. Также имейте в виду, что эта часть сигнала не попадает в компонент.
Остальная часть сигнала действительно попадает в компонент. Там часть его поглощается, а остальная часть проходит через компонент в линию передачи на другой стороне. Мощность, выходящая из компонента, называется передаваемой мощностью., и меньше падающей мощности по двум причинам:
① Часть сигнала отражается.
② Компонент поглощает часть сигнала.
Итак, вкратце, мы выражаем вносимые потери в децибелах, и это отношение падающей мощности к передаваемой мощности. Кроме того, мы можем суммировать эти возвратные потери, которые мы также выражаем в децибелах, как отношение падающей мощности к отраженной мощности. Таким образом, мы можем увидеть, как два типа параметров измерения потерь помогают точно измерить общую эффективность измеряемого сигнала и компонента в системе или на проходном пути.
В современной электронной практике, с точки зрения использования, возвратные потери предпочтительнее, чем КСВ, поскольку они обеспечивают лучшее разрешение для меньших значений отраженных волн.
3) Что такое сопоставление импедансов
Согласование импеданса источник проектирования и сопротивление нагрузки чтобы минимизировать отражение сигнала или максимизировать передачу мощности. В цепях постоянного тока источник и нагрузка должны быть равными. В цепях переменного тока источник должен либо равняться нагрузке, либо комплексно сопряженной нагрузке, в зависимости от цели. Импеданс (Z) - это мера сопротивления электрическому потоку, который представляет собой комплексное значение, действительная часть которого определяется как сопротивление (R), а мнимая часть называется реактивным сопротивлением (X). Уравнение для импеданса тогда по определению Z = R + jX, где j - мнимая единица. В системах постоянного тока реактивное сопротивление равно нулю, поэтому полное сопротивление такое же, как и сопротивление.
3. Что такое КСВН (коэффициент стоячей волны напряжения)
1) Что означает КСВН
Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) равен указание количества несоответствия между антенной и соединяющейся с ней линией питания. (Щелкните здесь для выбора наших антенн) Это также известно как коэффициент стоячей волны (КСВ). Диапазон значений КСВН от 1 до ∞. Значение КСВ менее 2 считается подходящее для большинства антенн. Антенну можно охарактеризовать как «подходящую». Поэтому, когда кто-то говорит, что антенна плохо согласована, очень часто это означает, что значение КСВН превышает 2 для интересующей частоты. Обратные потери - еще одна интересная характеристика, более подробно описанная в разделе «Теория антенн». Обычно требуется преобразование между обратными потерями и КСВН, и некоторые значения приведены в таблице вместе с графиком этих значений для быстрого ознакомления.
Давайте быстро посмотрим видео про КСВН!
2) Факторы Влияет на КСВН
· частота
· Антенна земля
· Металлические предметы поблизости
· Тип конструкции антенны
· Температура
3) КСВ против КСВ, ISWR против PSWR
КСВ - это понятие, то есть коэффициент стоячей волны. КСВН - это то, как вы проводите измерения, измеряя напряжения для определения КСВ. Вы также можете измерить КСВ, измерив токи или даже мощность (ISWR и PSWR). Но для большинства намерений и целей, когда кто-то говорит, что КСВ, они имеют в виду КСВ, в обычном разговоре они взаимозаменяемы.
· SWR: КСВ означает коэффициент стоячей волны. Он описывает стоячие волны напряжения и тока, которые появляются на линии. Это общее описание стоячих волн как тока, так и напряжения. Он часто используется вместе с измерителями, используемыми для определения коэффициента стоячей волны. И ток, и напряжение растут и падают в одинаковой пропорции при заданном несоответствии. · КСВ: КСВН или коэффициент стоячей волны напряжения применяется конкретно к стоячим волнам напряжения, которые возникают на фидере или линии передачи. Поскольку легче обнаружить стоячие волны напряжения, а во многих случаях напряжения более важны с точки зрения выхода из строя устройства, часто используется термин КСВН, особенно в областях проектирования радиочастот.
Для большинства практических целей ISWR - это то же самое, что VSWR. В идеальных условиях ВЧ-напряжение на линии передачи сигнала одинаково во всех точках линии, без учета потерь мощности, вызванных электрическим сопротивлением в линейных проводах и дефектами диэлектрического материала, разделяющего линейные проводники. Таким образом, идеальный КСВ составляет 1: 1. (Часто значение КСВ записывается просто в терминах первого числа или числителя отношения, потому что второе число или знаменатель всегда равен 1.) Когда КСВ равен 1, ISWR также равен 1. Это оптимальное условие может существуют только тогда, когда нагрузка (например, антенна или беспроводной приемник), на которую подается ВЧ-мощность, имеет импеданс, идентичный импедансу линии передачи. Это означает, что сопротивление нагрузки должно быть таким же, как характеристическое сопротивление линии передачи, а нагрузка не должна содержать реактивного сопротивления (то есть нагрузка не должна иметь индуктивности или емкости). В любой другой ситуации напряжение и ток колеблются в разных точках на линии, и КСВ не равен 1.
Существует множество способов, которыми КСВН влияет на производительность системы передачи или любой системы, которая может использовать радиочастоты и идентичные импедансы. Хотя КСВ используется обычно, проблемы могут возникать как с волнами напряжения, так и с током.
· Усилители мощности передатчика могут быть повреждены: Повышенные уровни напряжения и тока, наблюдаемые на фидере в результате стоячих волн, могут повредить выходные транзисторы передатчика. Полупроводниковые устройства очень надежны, если они работают в установленных пределах, но стоячие волны напряжения и тока на фидере могут вызвать катастрофические повреждения, если они заставят устройство работать за пределами их пределов.
· PA Protection снижает выходную мощность: Принимая во внимание вполне реальную опасность того, что высокие уровни КСВ могут вызвать повреждение усилителя мощности, многие передатчики включают схему защиты, которая снижает выходной сигнал передатчика по мере увеличения КСВ. Это означает, что плохое согласование между фидером и антенной приведет к высокому КСВ, что приведет к снижению выходной мощности и, следовательно, к значительной потере передаваемой мощности.
· Высокие уровни напряжения и тока могут повредить фидер.: Возможно, что высокие уровни напряжения и тока, вызванные высоким коэффициентом стоячей волны, могут вызвать повреждение фидера. Хотя в большинстве случаев фидеры будут работать в пределах своих возможностей и удвоение напряжения и тока должно быть возможным, существуют некоторые обстоятельства, при которых может быть нанесен ущерб. Максимальные значения тока могут вызвать чрезмерный локальный нагрев, который может исказить или расплавить используемый пластик, а высокие напряжения, как известно, в некоторых случаях вызывают искрение.
· Задержки, вызванные отражениями, могут вызвать искажение: Когда сигнал отражается из-за рассогласования, он отражается обратно к источнику, а затем может снова отражаться обратно к антенне. Вводится задержка, равная удвоенному времени передачи сигнала по фидеру. Если данные передаются, это может вызвать межсимвольные помехи, а в другом примере, когда передавалось аналоговое телевидение, было видно «фантомное» изображение.
· Снижение сигнала по сравнению с идеально подобранной системой: Интересно, что потеря уровня сигнала, вызванная плохим КСВН, не так велика, как некоторые могут представить. Любой сигнал, отраженный нагрузкой, отражается обратно в передатчик, и, поскольку согласование в передатчике может позволить сигналу снова отразиться обратно в антенну, понесенные потери в основном связаны с потерями, вносимыми фидером. Ориентировочно, 30-метровый коаксиальный кабель RG213 с потерями около 1.5 дБ на частоте 30 МГц будет означать, что антенна, работающая с КСВН, даст потери чуть более 1 дБ на этой частоте по сравнению с идеально согласованной антенной.
Для измерения коэффициента стоячей волны можно использовать множество различных методов. Самый интуитивный метод использует линию с прорезями который представляет собой участок линии передачи с открытым слотом, который позволяет датчику определять фактическое напряжение в различных точках вдоль линии. Таким образом, можно напрямую сравнивать максимальные и минимальные значения. Этот метод используется на УКВ и более высоких частотах. На более низких частотах такие линии непрактично длинные. Направленные ответвители могут использоваться на ВЧ через микроволновые частоты. Некоторые из них имеют длину четверть волны или более, что ограничивает их использование более высокими частотами. Другие типы направленных ответвителей производят выборку тока и напряжения в одной точке на пути передачи и математически комбинируют их таким образом, чтобы представить мощность, текущую в одном направлении. Обычный тип измерителя КСВ / мощности, используемого в любительской работе, может содержать двунаправленный ответвитель. В других типах используется один соединитель, который можно поворачивать на 180 градусов для измерения мощности, протекающей в любом направлении. Однонаправленные ответвители этого типа доступны для многих диапазонов частот и уровней мощности и с соответствующими значениями связи для используемого аналогового измерителя.
Линия с прорезями
Прямая и отраженная мощность, измеренная направленными ответвителями, может использоваться для расчета КСВ. Вычисления могут быть выполнены математически в аналоговой или цифровой форме или с использованием графических методов, встроенных в измеритель в качестве дополнительной шкалы, или путем считывания от точки пересечения двух игл на одном и том же измерителе.
Вышеупомянутые измерительные приборы могут использоваться «в линию», то есть полная мощность передатчика может проходить через измерительное устройство, чтобы обеспечить непрерывный мониторинг КСВ. Другие инструменты, такие как анализаторы цепей, маломощные направленные ответвители и антенные мосты, используют малую мощность для измерений и должны подключаться вместо передатчика. Мостовые схемы можно использовать для прямого измерения действительной и мнимой частей импеданса нагрузки и использования этих значений для получения КСВ. Эти методы могут предоставить больше информации, чем просто КСВ или прямая и отраженная мощность. Автономные антенные анализаторы используют различные методы измерения и могут отображать КСВ и другие параметры в зависимости от частоты. Используя в комбинации направленные ответвители и мост, можно создать линейный прибор, который считывает непосредственно комплексный импеданс или КСВ. Также доступны автономные антенные анализаторы, которые измеряют несколько параметров.
Измеритель мощности
ПРИМЕЧАНИЕ: Если ваше значение КСВ ниже 1, у вас проблема. У вас может быть плохой КСВ-метр, что-то не так с вашей антенной или антенным соединением, или, возможно, поврежден или неисправен радиоприемник.
Когда передаваемая волна достигает границы, такой как граница между линией передачи без потерь и нагрузкой (рисунок 1), некоторая энергия будет передаваться нагрузке, а другая отражаться. Коэффициент отражения соотносит входящие и отраженные волны как:
Г = В-/V+ (Уравнение 1)
Где V - отраженная волна, а V + - приходящая волна. КСВН связана с величиной коэффициента отражения напряжения (Γ) следующим образом:
КСВН = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (уравнение 2)
Рисунок 1. Схема линии передачи, иллюстрирующая границу рассогласования импеданса между линией передачи и нагрузкой. Отражения возникают на границе, обозначенной Γ. Падающая волна - это V +, а отраженная волна - это V-.
VSWR может быть измерен непосредственно с помощью КСВ-метра. ВЧ-тестер, такой как анализатор векторной сети (VNA), может использоваться для измерения коэффициентов отражения входного порта (S11) и выходного порта (S22). S11 и S22 эквивалентны Γ на входном и выходном порте соответственно. VNA с математическими режимами также могут напрямую рассчитывать и отображать результирующее значение VSWR.
Обратные потери на входном и выходном портах можно рассчитать по коэффициенту отражения S11 или S22 следующим образом:
Коэффициент отражения рассчитывается по характеристическому сопротивлению линии передачи и сопротивлению нагрузки следующим образом:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (уравнение 5)
Где ZL - полное сопротивление нагрузки, а ZO - характеристическое сопротивление линии передачи (рисунок 1).
VSWR также может быть выражен в терминах ZL и ZO. Подставляя Уравнение 5 в Уравнение 2, мы получаем:
КСВН = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Для ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Следовательно:
КСВН = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Уравнение 7)
Выше мы отмечали, что VSWR - это спецификация, заданная в форме отношения относительно 1, в качестве примера 1.5: 1. Существует два особых случая VSWR: ∞: 1 и 1: 1. Отношение бесконечности к единице возникает, когда нагрузка является разомкнутой цепью. Соотношение 1: 1 возникает, когда нагрузка идеально согласована с характеристическим сопротивлением линии передачи.
КСВН определяется по стоячей волне, которая возникает на самой линии электропередачи:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Уравнение 8)
Где VMAX - максимальная амплитуда, а VMIN - минимальная амплитуда стоячей волны. Для двух наложенных волн максимум достигается при конструктивной интерференции между входящей и отраженной волнами. Таким образом:
VMAX = V + + V- (уравнение 9)
для максимального конструктивного вмешательства. Минимальная амплитуда возникает при деконструктивной интерференции, или:
VMIN = V + - V- (уравнение 10)
Подстановка уравнений 9 и 10 в уравнение 8 дает
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (уравнение 11)
Поскольку электрическая волна проходит через различные части антенной системы (приемник, фидер, антенна, свободное пространство), она может столкнуться с различиями в импедансах. На каждой границе раздела некоторая часть энергии волны будет отражаться обратно к источнику, образуя стоячую волну в линии питания. Отношение максимальной мощности к минимальной мощности в волне можно измерить и называется коэффициентом стоячей волны по напряжению (КСВН). КСВН менее 1.5: 1 является идеальным, КСВН 2: 1 считается незначительно приемлемым в приложениях с низким энергопотреблением, где потеря мощности более критична, хотя КСВН до 6: 1 все еще может использоваться с правильным оборудование. На всякий случай, если вас не интересуют математические уравнения, вот небольшая «шпаргалка», которая поможет понять корреляцию КСВН с процентом возвращаемой отраженной мощности.
КСВ
Возвращенная сила
(Приблизительно)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. В чем причина высокого КСВ?
Если КСВ слишком велик, потенциально может быть слишком много энергии, отраженной обратно в усилитель мощности, что приведет к повреждению внутренней схемы. В идеальной системе КСВ должен составлять 1: 1. Причины высокого КСВН могут заключаться в использовании неправильной нагрузки или чего-то неизвестного, например, поврежденной линии передачи.
