Cal é a relación de onda estacionaria de tensión? Como calcular VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), é unha medida da eficiencia na que se transmite a potencia de radiofrecuencia desde unha fonte de enerxía, a través dunha liña de transmisión, a unha carga (por exemplo, desde un amplificador de potencia a través dunha liña de transmisión, ata unha antena ). " Este é o concepto de VSWR. Máis información sobre VSWR, como os factores de influencia de VSWR, o impacto no sistema de transmisión, a diferenza con SWR, etc. Este artigo pode darche unha explicación detallada.
Segundo Wikipedia, a relación de onda estacionaria (SWR) definida como:
"unha medida de correspondencia de impedancia de cargas coa impedancia característica dunha liña de transmisión ou guía de onda. Os desaxustes de impedancia dan lugar a ondas estacionarias ao longo da liña de transmisión e SWR defínese como a relación da amplitude da onda estacionaria parcial nun antinodo (máximo) a a amplitude nun nodo (mínimo) ao longo da liña. "
O SWR normalmente mídese usando un instrumento dedicado chamado Contador SWR. Dado que o SWR é unha medida da impedancia de carga en relación á impedancia característica da liña de transmisión en uso (que xuntos determinan o coeficiente de reflexión como se describe a continuación), un medidor SWR dado pode interpretar a impedancia que ve en termos de SWR só se ten deseñado para esa impedancia característica particular. Na práctica, a maioría das liñas de transmisión empregadas nestas aplicacións son cables coaxiais cunha impedancia de 50 ou 75 ohmios, polo que a maioría dos medidores SWR corresponden a un destes.
Comprobar o SWR é un procedemento estándar nunha estación de radio. Aínda que a mesma información podería obterse medindo a impedancia da carga cun analizador de impedancia (ou "ponte de impedancia"), o medidor SWR é máis sinxelo e robusto para este propósito. Ao medir a magnitude do desaxuste de impedancia na saída do transmisor, revela problemas debidos á antena ou á liña de transmisión.
Por certo, se cres que nunca experimentou unha onda estacionaria persoalmente, é moi improbable. As ondas estacionarias nun forno de microondas son a razón pola que os alimentos se cociñan de xeito desigual (o tocadiscos é unha solución parcial a ese problema). A lonxitude de onda do sinal de 2.45 GHz é duns 12 centímetros ou aproximadamente cinco polgadas. Os nulos na radiación (e na calefacción) separaranse a unha distancia similar á lonxitude de onda.
O coeficiente de reflexión é a parámetro que describe canto dunha onda electromagnética se reflicte por unha discontinuidade de impedancia no medio de transmisión, igual á relación da amplitude da onda reflectida á onda incidente. O coeficiente de reflexión é unha calidade moi útil á hora de determinar VSWR ou investigar a coincidencia entre, por exemplo, un alimentador e unha carga. A letra grega Γ úsase normalmente para o coeficiente de reflexión, aínda que tamén se ve σ.
Coeficiente de reflexión
Usando a definición básica do coeficiente de reflexión, pódese calcular a partir dun coñecemento de as tensións incidentes e reflectidas.
perda de retorno é a perda de potencia do sinal debido á reflexión ou retorno do sinal por unha discontinuidade nunha ligazón de fibra óptica ou liña de transmisión, e a súa unidade de expresión tamén está en decibelios (dBs). Este desaxuste de impedancia pode ser cun dispositivo inserido na liña ou coa carga final. Ademais, a perda de retorno é a relación entre o coeficiente de reflexión (Γ) e a relación de onda estacionaria (SWR), e sempre é un número positivo, e unha alta perda de retorno é un parámetro de medida favorable, e normalmente correlaciona cunha inserción baixa perda. Por certo, se aumenta a perda de retorno, correlacionarase cun SWR máis baixo.
A perda de sinal, que ocorre ao longo da lonxitude dun enlace de fibra óptica, chámase perda de inserción. Non obstante, a perda de inserción é unha ocorrencia natural que ocorre con todo tipo de transmisións, xa sexa de datos ou eléctrica. Ademais, como ocorre basicamente con todas as liñas de transmisión física ou camiños condutores, canto máis longo sexa o camiño, maior será a perda. Ademais, estas perdas tamén se producen en cada punto de conexión ao longo da liña, incluíndo empalmes e conectores. Este parámetro de medida concreto exprésase en decibelios e sempre debe ser un número positivo. Non obstante, non significa sempre e, por casualidade, é negativo, non é un parámetro de medida favorable. Nalgúns casos, pode aparecer unha perda de inserción como medida de parámetro negativa.
Perda de devolución e perda de inserción
Agora, imos examinar o diagrama anterior en detalle para que poidamos comprender mellor como interactúan a perda de inserción e a perda de retorno. Como podes ver, a enerxía incidente percorre unha liña de transmisión desde a esquerda ata chegar ao compoñente. Unha vez que chega ao compoñente, unha parte do sinal reflíctese cara a abaixo pola liña de transmisión cara á fonte de onde proviña. Ademais, teña en conta que esta parte do sinal non entra no compoñente.
O resto do sinal realmente entra no compoñente. Alí absorbe parte del e o resto pasa polo compoñente á liña de transmisión do outro lado. A potencia que sae do compoñente chámase potencia transmitida, e é inferior á potencia incidente por dúas razóns:
① Unha parte do sinal reflíctese.
② O compoñente absorbe unha parte do sinal.
Así, en resumo, expresamos a perda de inserción en decibelios, e é a relación entre a potencia incidente e a potencia transmitida. Ademais, podemos resumir que a perda de rendemento, que tamén expresamos en decibelios, é a relación entre a potencia incidente e a potencia reflectida. Polo tanto, podemos ver como os dous tipos de parámetros de medición de perda axudan a medir con precisión a eficiencia global dun sinal e compoñente medibles dentro dun sistema ou nunha vía de paso.
Nas prácticas electrónicas actuais, en termos de uso, é preferible a perda de retorno á SWR, xa que ofrece unha mellor resolución para valores máis pequenos de ondas reflectidas.
3) Que é a coincidencia de impedancia
A coincidencia de impedancia é fonte de deseño impedancias de carga para minimizar a reflexión do sinal ou maximizar a transferencia de enerxía. Nos circuítos de corrente continua, a fonte e a carga deben ser iguais. Nos circuítos de CA, a fonte debería igualar a carga ou o conxugado complexo da carga, dependendo do obxectivo. A impedancia (Z) é unha medida da oposición ao fluxo eléctrico, que é un valor complexo, definíndose a parte real como a resistencia (R), e a parte imaxinaria chámase reactancia (X). A ecuación da impedancia é entón por definición Z = R + jX, onde j é a unidade imaxinaria. Nos sistemas de corrente continua, a reactancia é cero, polo que a impedancia é a mesma que a resistencia.
3. Que é VSWR (relación de onda estacionaria de tensión)
1) Cal é o significado de VSWR
A relación de onda estacionaria de tensión (VSWR) é unha indicación da cantidade de desaxuste entre unha antena e a liña de alimentación que se conecta a ela. (Prema en aquí para elixir os nosos produtos de antena) Isto tamén se coñece como a onda estacionaria (SWR). O rango de valores para VSWR é de 1 a ∞. Considérase un valor VSWR inferior a 2 axeitado para a maioría das aplicacións de antena. A antena pódese describir como "boa coincidencia". Entón, cando alguén di que a antena non coincide mal, moitas veces significa que o valor VSWR supera 2 para unha frecuencia de interese. A perda de retorno é outra especificación de interese e está cuberta con máis detalle na sección Teoría da antena. Unha conversión normalmente necesaria é entre a perda de retorno e VSWR, e algúns valores están tabulados no gráfico, xunto cunha gráfica destes valores para referencia rápida.
Imos facer un rápido vídeo sobre VSWR.
2) Factores Afecta a VSWR
· frecuencia
· Terra da antena
· Obxectos metálicos próximos
· Tipo de construción da antena
· temperatura
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR é un concepto, é dicir, a relación de onda estacionaria. VSWR é realmente como fas a medición, medindo as tensións para determinar o SWR. Tamén pode medir o SWR medindo as correntes ou incluso a potencia (ISWR e PSWR). Pero para a maioría dos propósitos, cando alguén di SWR que significa VSWR, na conversa común son intercambiables.
· SWR: SWR significa relación de onda estacionaria. Describe as ondas estacionarias de tensión e corrente que aparecen na liña. É unha descrición xenérica para ondas estacionarias de corrente e tensión. A miúdo úsase en asociación con medidores usados para detectar a relación de onda estacionaria. Tanto a corrente como a tensión suben e baixan na mesma proporción nun determinado desaxuste. · VSWR: A relación VSWR ou tensión de onda estacionaria aplícase especificamente ás ondas estacionarias de tensión que se configuran nun alimentador ou liña de transmisión. Como é máis doado detectar as ondas estacionarias de tensión e, en moitos casos, as tensións son máis importantes en termos de avaría do dispositivo, o termo VSWR úsase a miúdo, especialmente nas áreas de deseño de RF.
Para os efectos máis prácticos, ISWR é o mesmo que VSWR. En condicións ideais, a tensión RF nunha liña de transmisión de sinal é a mesma en todos os puntos da liña, descoidando as perdas de potencia causadas pola resistencia eléctrica nos fíos da liña e as imperfeccións no material dieléctrico que separa os condutores da liña. O VSWR ideal é polo tanto 1: 1. (A miúdo o valor SWR escríbese simplemente en termos do primeiro número ou numerador da razón porque o segundo número ou denominador sempre é 1.) Cando o VSWR é 1, o ISWR tamén é 1. Esta condición óptima pode só existen cando a carga (como unha antena ou un receptor sen fíos), na que se entrega enerxía RF, ten unha impedancia idéntica á impedancia da liña de transmisión. Isto significa que a resistencia de carga debe ser a mesma que a impedancia característica da liña de transmisión e que a carga non debe conter reactancia (é dicir, a carga debe estar libre de indutancia ou capacitancia). En calquera outra situación, a tensión e a corrente fluctúan en varios puntos da liña, e o SWR non é 1.
4. Como afecta VSWR ao rendemento no sistema de transmisión
Hai moitas formas nas que o VSWR afecta o rendemento dun sistema de transmisión ou de calquera sistema que poida usar frecuencias de radio e impedancias idénticas. Aínda que o VSWR úsase normalmente, as ondas de tensión e de corrente poden causar problemas.
· Os amplificadores de potencia do transmisor poden danarse: O aumento dos niveis de tensión e corrente vistos no alimentador como resultado das ondas estacionarias poden danar os transistores de saída do transmisor. Os dispositivos semicondutores son moi fiables se funcionan dentro dos límites especificados, pero as ondas estacionarias de tensión e corrente no alimentador poden causar danos catastróficos se fan que o aparello funcione fóra dos seus límites.
· A protección PA reduce a potencia de saída: Tendo en conta o perigo real de altos niveis de SWR que causan danos ao amplificador de potencia, moitos transmisores incorporan circuítos de protección que reducen a saída do transmisor a medida que aumenta o SWR. Isto significa que unha mala coincidencia entre o alimentador e a antena producirá un SWR elevado que fai que a saída se reduza e, polo tanto, unha importante perda de potencia transmitida.
· Os niveis de alta tensión e corrente poden danar o alimentador: É posible que os niveis de alta tensión e corrente causados pola alta relación de onda estacionaria poidan causar danos a un alimentador. Aínda que na maioría dos casos os alimentadores funcionarán ben dentro dos seus límites e debería duplicarse a tensión e a corrente, hai algunhas circunstancias nas que se poden causar danos. Os máximos actuais poden causar un excesivo quecemento local que podería distorsionar ou derreter os plásticos empregados e sábese que as altas tensións provocan arcos nalgunhas circunstancias.
· Os atrasos causados por reflexos poden causar distorsión: Cando un sinal se reflicte por desaxuste, reflíctese cara á fonte e pódese reflectir de novo cara á antena. Introdúcese un atraso igual ao dobre do tempo de transmisión do sinal ao longo do alimentador. Se se transmiten datos, isto pode causar interferencias entre símbolos e, noutro exemplo de transmisión de televisión analóxica, víase unha imaxe "pantasma".
· Redución do sinal en comparación co sistema perfectamente combinado: Curiosamente a perda de nivel de sinal causada por un VSWR pobre non é tan grande como algúns poden imaxinar. Calquera sinal reflectido pola carga reflíctese de novo ao transmisor e como a correspondencia no transmisor pode permitir que o sinal se reflicta de novo á antena, as perdas sufridas son fundamentalmente as introducidas polo alimentador. Como guía, unha lonxitude RG30 de 213 metros cunha perda de aproximadamente 1.5 dB a 30 MHz significará que unha antena que funcione cun VSWR só producirá unha perda de algo máis de 1 dB nesta frecuencia en comparación cunha antena perfectamente combinada.
Pódense usar moitos métodos diferentes para medir a relación de onda estacionaria. O método máis intuitivo usa unha liña ranurada que é unha sección da liña de transmisión cunha ranura aberta que permite a unha sonda detectar a tensión real en varios puntos da liña. Así, os valores máximo e mínimo pódense comparar directamente. Este método úsase en frecuencias VHF e máis altas. A frecuencias máis baixas, estas liñas son pouco longas. Os acopladores direccionais pódense empregar en HF a través de frecuencias de microondas. Algúns teñen un cuarto de onda ou máis de longo, o que restrinxe o seu uso ás frecuencias máis altas. Outros tipos de acopladores direccionais mostran a corrente e a tensión nun único punto da ruta de transmisión e combinan matematicamente de tal xeito que representan a potencia que flúe nunha dirección. O tipo común de medidor SWR / potencia usado en operacións afeccionadas pode conter un acoplador direccional dobre. Outros tipos utilizan un único acoplador que se pode xirar 180 graos para probar a enerxía que flúe en calquera dirección. Este tipo de acopladores unidireccionais están dispoñibles para moitos rangos de frecuencia e niveis de potencia e con valores de acoplamento axeitados para o medidor analóxico empregado.
Liña ranurada
A potencia directa e reflectida medida polos acopladores direccionais pode usarse para calcular o SWR. Os cálculos pódense facer matemáticamente en forma analóxica ou dixital ou empregando métodos gráficos integrados no contador como escala adicional ou lendo desde o punto de cruzamento entre dúas agullas do mesmo contador.
Os instrumentos de medida anteriores pódense usar "en liña", é dicir, a potencia completa do transmisor pode pasar polo dispositivo de medida para permitir un seguimento continuo de SWR. Outros instrumentos, como analizadores de rede, acopladores direccionais de baixa potencia e pontes de antena utilizan pouca potencia para a medición e deben estar conectados no lugar do transmisor. Os circuítos de ponte pódense usar para medir directamente as partes reais e imaxinarias dunha impedancia de carga e usar eses valores para derivar SWR. Estes métodos poden proporcionar máis información que só SWR ou potencia directa e reflectida. Os analizadores de antenas autónomos usan varios métodos de medición e poden mostrar SWR e outros parámetros representados en función da frecuencia. Usando acopladores direccionais e unha ponte en combinación, é posible facer un instrumento en liña que lea directamente en impedancia complexa ou en SWR. Tamén hai dispoñibles analizadores de antena autónomos que miden múltiples parámetros.
Un medidor de potencia
NOTA: Se a súa lectura SWR é inferior a 1, ten un problema. É posible que teña un medidor SWR defectuoso, que falla na antena ou na conexión da antena ou que poida ter unha radio mal ou defectuosa.
Cando unha onda transmitida atinxe un límite como o que está entre a liña de transmisión sen perdas e a carga (Figura 1), transmitirase certa enerxía á carga e outra reflectirase. O coeficiente de reflexión relaciona as ondas entrantes e reflectidas como:
Γ = V-/V+ (Ec. 1)
Onde V- é a onda reflectida e V + é a onda entrante. VSWR está relacionado coa magnitude do coeficiente de reflexión de tensión (Γ) por:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (ecuación 2)
Figura 1. Circuíto da liña de transmisión que ilustra o límite de desaxuste da impedancia entre a liña de transmisión e a carga. As reflexións prodúcense no límite designado por Γ. A onda incidente é V + e a onda reflexiva V-.
VSWR pódese medir directamente cun medidor SWR. Pódese utilizar un instrumento de proba de RF como un analizador de rede vectorial (VNA) para medir os coeficientes de reflexión do porto de entrada (S11) e do porto de saída (S22). S11 e S22 son equivalentes a Γ no porto de entrada e saída, respectivamente. Os VNA con modos matemáticos tamén poden calcular e amosar directamente o valor VSWR resultante.
A perda de retorno nos portos de entrada e saída pódese calcular a partir do coeficiente de reflexión, S11 ou S22, do seguinte xeito:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (ecuación 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (ecuación 4)
O coeficiente de reflexión calcúlase a partir da impedancia característica da liña de transmisión e da impedancia de carga do seguinte xeito:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (ecuación 5)
Onde ZL é a impedancia de carga e ZO é a impedancia característica da liña de transmisión (Figura 1).
VSWR tamén se pode expresar en termos de ZL e ZO. Substituíndo a ecuación 5 pola ecuación 2, obtemos:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Para ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Polo tanto:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Ec. 7)
Máis arriba observamos que VSWR é unha especificación dada en forma de relación en relación a 1, como exemplo 1.5: 1. Hai dous casos especiais de VSWR, ∞: 1 e 1: 1. Unha proporción de infinito a un prodúcese cando a carga é un circuíto aberto. Unha relación de 1: 1 prodúcese cando a carga está perfectamente combinada coa impedancia característica da liña de transmisión.
VSWR defínese a partir da onda estacionaria que xorde na propia liña de transmisión por:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Ecuación 8)
Onde VMAX é a amplitude máxima e VMIN é a amplitude mínima da onda estacionaria. Con dúas ondas superimpostas, o máximo prodúcese cunha interferencia construtiva entre as ondas entrantes e as reflectidas. Así:
VMAX = V + + V- (ecuación 9)
para a máxima interferencia construtiva. A amplitude mínima prodúcese con interferencias deconstrutivas ou:
VMIN = V + - V- (ecuación 10)
A substitución das ecuacións 9 e 10 pola ecuación 8 produce
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (ecuación 11)
Substituíndo a ecuación 1 pola ecuación 11, obtemos:
Mentres a onda eléctrica percorre as distintas partes do sistema de antena (receptor, liña de alimentación, antena, espazo libre) pode atopar diferenzas de impedancias. En cada interface, algunha fracción da enerxía da onda reflectirase de novo á fonte, formando unha onda estacionaria na liña de alimentación. A relación entre potencia máxima e potencia mínima na onda pódese medir e chámase relación de onda estacionaria de tensión (VSWR). Un VSWR de menos de 1.5: 1 é ideal, un VSWR de 2: 1 considérase marxinalmente aceptable en aplicacións de baixa potencia onde a perda de enerxía é máis crítica, aínda que un VSWR de ata 6: 1 aínda pode usarse coa dereita equipamento. No caso de que non che importen as ecuacións matemáticas, aquí tes unha pequena táboa de "follas de trampas" para axudar a comprender a correlación de VSWR coa porcentaxe de potencia reflectida que volverá.
VSWR
Poder retornado
(aproximado)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. Que causa o VSWR elevado?
Se o VSWR é demasiado alto, podería haber moita enerxía reflectida nun amplificador de potencia, causando danos nos circuítos internos. Nun sistema ideal, habería un VSWR de 1: 1. As causas dunha alta clasificación VSWR poden ser o uso dunha carga inadecuada ou algo descoñecido como unha liña de transmisión danada.
