stringtranslate.com

Коэффициент стоячей волны

КСВ вертикальной антенны HB9XBG для диапазона 40 м в зависимости от частоты

В радиотехнике и телекоммуникациях коэффициент стоячей волны ( КСВ ) является мерой согласования импеданса нагрузки с характеристическим сопротивлением линии передачи или волновода . Рассогласование импедансов приводит к появлению стоячих волн вдоль линии передачи, а КСВ определяется как отношение амплитуды частичной стоячей волны в пучности (максимум) к амплитуде в узле (минимум) вдоль линии.

Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) (произносится как «визвар» [1] [2] ) — это отношение максимального и минимального напряжения в линии передачи. Например, КСВ, равный 1,2, означает, что пиковое напряжение в 1,2 раза превышает минимальное напряжение вдоль этой линии, если длина линии составляет не менее половины длины волны.

КСВ также можно определить как отношение максимальной амплитуды к минимальной амплитуде токов линии передачи , напряженности электрического поля или напряженности магнитного поля. Если пренебречь потерями в линии передачи, эти соотношения идентичны.

Коэффициент стоячей волны мощности ( PSWR ) определяется как квадрат КСВН, [3] однако этот устаревший термин не имеет прямого физического отношения к мощности, фактически участвующей в передаче.

КСВ обычно измеряется с помощью специального прибора, называемого КСВ-метром . Поскольку КСВ является мерой импеданса нагрузки относительно характеристического сопротивления используемой линии передачи (которые вместе определяют коэффициент отражения , как описано ниже), данный КСВ-метр может интерпретировать наблюдаемое импеданс в терминах КСВ, только если он имеет был разработан для того же волнового сопротивления, что и линия. На практике большинство линий передачи, используемых в этих приложениях, представляют собой коаксиальные кабели с сопротивлением 50 или 75  Ом , поэтому большинство КСВ-метров соответствуют одному из них.

Проверка КСВ – стандартная процедура на радиостанции. Хотя ту же информацию можно получить, измеряя полное сопротивление нагрузки с помощью анализатора импеданса (или «мостового сопротивления»), КСВ-метр проще и надежнее для этой цели. Путем измерения величины рассогласования импедансов на выходе передатчика выявляются проблемы, связанные либо с антенной, либо с линией передачи.

Согласование импеданса

КСВ используется как мера согласования импеданса нагрузки с характеристическим сопротивлением линии передачи, по которой передаются радиочастотные (РЧ) сигналы. Это особенно относится к линиям передачи, соединяющим радиопередатчики и приемники с их антеннами , а также к аналогичному использованию радиочастотных кабелей, например, для подключения кабельного телевидения к телевизионным приемникам и усилителям-распределителям . Согласование импедансов достигается, когда импеданс источника является комплексно-сопряженным с импедансом нагрузки. Самый простой способ добиться этого и минимизировать потери в линии передачи — это сделать мнимую часть комплексного импеданса как источника, так и нагрузки равной нулю, то есть чистые сопротивления, равные характеристическому импедансу источника и нагрузки. линия передачи. Когда существует несоответствие между импедансом нагрузки и линией передачи, часть прямой волны, направленной в сторону нагрузки, отражается обратно по линии передачи в сторону источника. В этом случае источник видит сопротивление, отличное от ожидаемого, что может привести к меньшей (или, в некоторых случаях, большей) мощности, подаваемой им, причем результат очень чувствителен к электрической длине линии передачи.

Такое несоответствие обычно нежелательно и приводит к появлению стоячих волн вдоль линии передачи, что увеличивает потери в линии передачи (существенные на более высоких частотах и ​​для более длинных кабелей). КСВ является мерой глубины стоячих волн и, следовательно, мерой согласования нагрузки с линией передачи. Согласованная нагрузка приведет к КСВ 1:1, что означает отсутствие отраженной волны. Бесконечный КСВ представляет собой полное отражение от нагрузки, не способной поглощать электрическую мощность, при этом вся падающая мощность отражается обратно к источнику.

Следует понимать, что соответствие нагрузки линии передачи отличается от соответствия источника линии передачи или соответствия источника нагрузке, наблюдаемой через линию передачи. Например, если существует идеальное соответствие между импедансом нагрузки Z load и импедансом источника Z source = Z * load , это идеальное соответствие сохранится, если источник и нагрузка соединены через линию передачи с электрической длиной в половину длины волны. (или кратное половине длины волны) с использованием линии передачи с любым характеристическим сопротивлением Z 0 . Однако КСВ обычно не будет 1:1 и зависит только от нагрузки Z и Z 0 . При другой длине линии передачи источник будет видеть другой импеданс, чем нагрузка Z , который может или не может хорошо соответствовать источнику. Иногда это делается намеренно, например, когда четвертьволновая секция согласования используется для улучшения согласования между несогласованным в противном случае источником и нагрузкой.

Однако типичные источники радиочастот , такие как передатчики и генераторы сигналов, предназначены для учета чисто резистивного сопротивления нагрузки, такого как 50 Ом или 75 Ом, что соответствует характеристическому сопротивлению обычных линий передачи. В этих случаях согласование нагрузки с линией передачи Z load = Z 0 всегда гарантирует , что источник будет видеть тот же импеданс нагрузки, как если бы линии передачи не было. Это идентично КСВ 1:1. Это условие ( Z load = Z 0 ) также означает, что нагрузка, воспринимаемая источником, не зависит от электрической длины линии передачи. Поскольку электрическая длина физического сегмента линии передачи зависит от частоты сигнала, нарушение этого условия означает, что сопротивление, наблюдаемое источником через линию передачи, становится функцией частоты (особенно если линия длинная), даже если Z нагрузка не зависит от частоты. Таким образом, на практике хороший КСВ (около 1:1) подразумевает, что выходной сигнал передатчика имеет именно тот импеданс, который он ожидает для оптимальной и безопасной работы.

Связь с коэффициентом отражения

Падающая волна (синяя) полностью отражается (красная волна) в противофазе на короткозамкнутом конце линии передачи, создавая стоячую волну чистого напряжения (черная). Γ = −1, КСВ = ∞.
Стоячие волны на линии передачи, чистое напряжение показано разными цветами в течение одного периода колебаний. Приходящая волна слева (амплитуда = 1) частично отражается (сверху вниз) Γ = 0,6, -0,333 и 0,8 ∠60°. Результирующий КСВ = 4, 2, 9.

Компонент напряжения стоячей волны в однородной линии передачи состоит из прямой волны (с комплексной амплитудой ), наложенной на отраженную волну (с комплексной амплитудой ).

Волна частично отражается, когда линия передачи заканчивается с сопротивлением, не равным ее характеристическому сопротивлению . Коэффициент отражения можно определить как:

или

представляет собой комплексное число , которое описывает как величину, так и фазовый сдвиг отражения. Простейшими случаями измерения при нагрузке являются:

КСВ напрямую соответствует величине .

В некоторых точках линии прямые и отраженные волны конструктивно интерферируют точно по фазе, а результирующая амплитуда определяется суммой амплитуд этих волн:

В других точках волны интерферируют на 180° не по фазе, при этом амплитуды частично компенсируются:

Тогда коэффициент стоячей волны по напряжению будет

Поскольку величина всегда попадает в диапазон [0,1], КСВ всегда больше или равен единице. Обратите внимание , что фазы V f и V r изменяются вдоль линии передачи в противоположных направлениях друг к другу. Следовательно, комплексный коэффициент отражения также меняется, но только по фазе. Поскольку КСВ зависит только от комплексной величины , можно видеть, что КСВ, измеренный в любой точке линии передачи (пренебрегая потерями в линии передачи), дает идентичные показания.

Поскольку мощность прямой и отраженной волн пропорциональна квадрату составляющих напряжения каждой волны, КСВ можно выразить через прямую и отраженную мощность:

Путем выборки комплексного напряжения и тока в точке подключения КСВ-метр способен вычислить эффективные прямые и отраженные напряжения в линии передачи для характеристического импеданса, для которого был разработан КСВ-метр. Поскольку прямая и отраженная мощность связаны с квадратом прямого и отраженного напряжений, некоторые КСВ-метры также отображают прямую и отраженную мощность.

В частном случае нагрузки R L , которая является чисто резистивной, но не равна характеристическому сопротивлению линии передачи Z 0 , КСВ определяется просто их соотношением:

с соотношением или его обратной величиной выбирается так, чтобы получить значение больше единицы.

Модель стоячей волны

Используя комплексное обозначение амплитуд напряжения, для сигнала на частоте f действительные (действительные) напряжения V действительные как функция времени t понимаются как относящиеся к комплексным напряжениям согласно:

Таким образом, если взять в скобках действительную часть комплексной величины, фактическое напряжение состоит из синусоидальной волны с частотой f с пиковой амплитудой, равной комплексной величине V , и с фазой , определяемой фазой комплекса V. Тогда с положением вдоль линии передачи, заданным x , с линией, заканчивающейся нагрузкой, расположенной в точке x o , комплексные амплитуды прямой и обратной волн будут записаны как:

для некоторой комплексной амплитуды A (соответствующей прямой волне в точке x o , в некоторых методах лечения используются векторы, где временная зависимость соответствует , а пространственная зависимость (для волны в направлении + x ) любого соглашения дает тот же результат для V fact .

Согласно принципу суперпозиции чистое напряжение, присутствующее в любой точке x линии передачи, равно сумме напряжений прямой и отраженной волн:

Поскольку нас интересуют изменения величины V net вдоль линии (как функция от x ) , вместо этого мы будем искать квадрат величины этой величины, что упрощает математику. Чтобы получить квадрат величины, мы умножаем указанную выше величину на ее комплексно-сопряженное число:

В зависимости от фазы третьего члена максимальное и минимальное значения Vnet ( квадратный корень из величины в уравнениях) составляют и соответственно для коэффициента стоячей волны:




как утверждалось ранее. Вдоль линии видно, что приведенное выше выражение для колеблется синусоидально между и с периодом 2 π /2 тыс.  . Это половина направляемой длины волны λ = 2 π / к для частоты f  . Это можно рассматривать как результат интерференции двух волн одной частоты, движущихся в противоположных направлениях.

Например, на частоте f = 20 МГц (длина волны в свободном пространстве 15 м) в линии передачи, коэффициент скорости которой равен 0,67, управляемая длина волны (расстояние между пиками напряжения только прямой волны) будет λ = 10 м. В случаях, когда прямая волна при x = 0 находится в нулевой фазе (пиковое напряжение), тогда при x = 10 м она также будет в нулевой фазе, но при x = 5 м она будет в фазе 180° (пиковое отрицательное напряжение). . С другой стороны, величина напряжения, вызванного стоячей волной, возникающей в результате его добавления к отраженной волне, будет иметь длину волны между пиками всего лишь 1/2λ знак равно 5 м. В зависимости от местоположения нагрузки и фазы отражения может наблюдаться пик величины Vnet при x = 1,3 м. Тогда был бы найден еще один пик, где | В сеть | = V max при x = 6,3 м, тогда как минимумы стоячей волны будут найденыпри x = 3,8 м, 8,8 м и т. д.

Практическое значение КСВ

Пример оценки полосы пропускания антенны по графику КСВН с помощью программы Ansys HFSS [4]

Самый распространенный случай измерения и исследования КСВ — при установке и настройке передающих антенн . Когда передатчик подключен к антенне с помощью питающей линии , полное сопротивление точки возбуждения антенны должно совпадать с характеристическим сопротивлением питающей линии, чтобы передатчик мог видеть полное сопротивление, для которого он был разработан (импеданс питающей линии, обычно 50 или 75 Ом).

Импеданс конкретной конструкции антенны может варьироваться из-за ряда факторов, которые не всегда можно четко определить. Сюда входит частота передатчика (по сравнению с конструкцией антенны или резонансной частотой), высота антенны над землей и качество земли, близость к крупным металлическим конструкциям, а также различия в точном размере проводников, используемых для построения антенны. [5] (стр. 20.2)

Когда антенна и фидерная линия не имеют совпадающих импедансов, передатчик обнаруживает неожиданное сопротивление, при котором он может быть не в состоянии обеспечить полную мощность и в некоторых случаях даже может повредить передатчик. [5] (стр. 19.4–19.6) Отраженная мощность в линии передачи увеличивает средний ток и, следовательно, потери в линии передачи по сравнению с мощностью, фактически передаваемой в нагрузку. [6] Именно взаимодействие этих отраженных волн с прямыми волнами вызывает появление стоячих волн, [5] (стр. 19.4–19.6) с отмеченными нами негативными последствиями. [5] (стр. 19.13)

Согласование импеданса антенны с импедансом питающей линии иногда может быть достигнуто путем регулировки самой антенны, но в противном случае возможно использование антенного тюнера , устройства согласования импеданса. Установка тюнера между фидерной линией и антенной позволяет фидерной линии воспринимать нагрузку, близкую к ее характеристическому сопротивлению, при этом большая часть мощности передатчика (небольшая ее часть может рассеиваться внутри тюнера) излучается антенной, несмотря на в противном случае неприемлемое сопротивление точки питания. Установка тюнера между передатчиком и линией питания также может преобразовать импеданс, наблюдаемый на конце линии питания на передатчике, в тот, который предпочитает передатчик. Однако в последнем случае в линии питания по-прежнему присутствует высокий КСВ, что приводит к увеличению потерь в линии питания.

Величина этих потерь зависит от типа линии электропередачи и ее длины. Они всегда увеличиваются с частотой. Например, определенная антенна, используемая далеко от ее резонансной частоты, может иметь КСВ 6:1. Для частоты 3,5 МГц с антенной, подключенной через 75 метров коаксиального кабеля RG-8A, потери из-за стоячих волн составят 2,2 дБ. Однако то же самое несоответствие 6:1 на 75-метровом коаксиальном кабеле RG-8A приведет к потерям в 10,8 дБ на частоте 146 МГц. [5] (стр. 19.4–19.6) Таким образом, лучшее согласование антенны с питающей линией, то есть более низкий КСВ, становится все более важным с увеличением частоты, даже если передатчик способен выдерживать наблюдаемый импеданс (или между передатчиком и питающей линией используется антенный тюнер).

Определенные типы передач могут страдать от других негативных последствий отраженных волн в линии передачи. Аналоговое телевидение может испытывать «призраки» из-за задержанных сигналов, перескакивающих взад и вперед по длинной линии. FM-стерео также может быть затронуто, а цифровые сигналы могут иметь задержку импульсов, что приводит к битовым ошибкам. Всякий раз, когда время задержки сигнала, возвращающегося вниз, а затем снова вверх по линии, сравнимо с постоянными времени модуляции, возникают эффекты. По этой причине эти типы передач требуют низкого КСВ на линии передачи, даже если потери, вызванные КСВ, могут быть приемлемыми и согласование выполняется на передатчике.

Методы измерения коэффициента стоячей волны

Прорезная линия. Зонд перемещается вдоль линии для измерения переменного напряжения. КСВ — это максимальное значение, разделенное на минимальное напряжение.

Для измерения коэффициента стоячей волны можно использовать множество различных методов. Самый интуитивно понятный метод использует линию с прорезями , которая представляет собой участок линии передачи с открытой прорезью, которая позволяет датчику определять фактическое напряжение в различных точках линии. [7]

Таким образом, максимальные и минимальные значения можно сравнивать напрямую. Этот метод используется на УКВ и более высоких частотах. На более низких частотах такие линии непрактично длинные.

Направленные ответвители можно использовать на ВЧ и СВЧ частотах. Некоторые из них имеют длину четверть волны или более, что ограничивает их использование более высокими частотами. Другие типы направленных ответвителей измеряют ток и напряжение в одной точке пути передачи и математически объединяют их таким образом, чтобы представить мощность, идущую в одном направлении. [8] Обычный тип КСВ/измерителя мощности, используемый в любительской работе, может содержать двунаправленный ответвитель. В других типах используется один соединитель, который можно поворачивать на 180 градусов для измерения мощности, проходящей в любом направлении. Однонаправленные ответвители этого типа доступны для многих диапазонов частот и уровней мощности, а также с соответствующими значениями связи для используемого аналогового счетчика.

Направленный ваттметр с вращающимся элементом направленного ответвителя.

Прямая и отраженная мощность, измеренная направленными ответвителями, может использоваться для расчета КСВ. Вычисления могут выполняться математически в аналоговой или цифровой форме или с использованием графических методов, встроенных в счетчик в качестве дополнительной шкалы, или путем считывания точки пересечения между двумя стрелками одного и того же счетчика. Вышеуказанные измерительные приборы могут использоваться «в линии», то есть полная мощность передатчика может проходить через измерительное устройство, что позволяет осуществлять непрерывный контроль КСВ. Другие инструменты, такие как анализаторы цепей, маломощные направленные ответвители и антенные мосты, используют для измерений низкую мощность и должны подключаться вместо передатчика. Мостовые схемы можно использовать для непосредственного измерения реальной и мнимой частей импеданса нагрузки и использования этих значений для определения КСВ. Эти методы могут предоставить больше информации, чем просто КСВ или мощность в прямом и отраженном направлении. [9] Автономные антенные анализаторы используют различные методы измерения и могут отображать КСВ и другие параметры в зависимости от частоты. Используя комбинацию направленных ответвителей и моста, можно создать линейный прибор, который считывает непосредственно комплексное сопротивление или КСВ. [10] Также доступны автономные антенные анализаторы , которые измеряют несколько параметров.

Коэффициент стоячей волны мощности

Термин « коэффициент стоячей волны мощности» (PSWR) иногда называют квадратом коэффициента стоячей волны по напряжению. Этот термин широко называют «вводящим в заблуждение». [11]

Выражение «коэффициент стоячей волны мощности», которое иногда можно встретить, вводит в заблуждение еще больше, поскольку распределение мощности вдоль линии без потерь является постоянным. ...

-  Дж. Х. Гридли (2014) [12]

Однако он соответствует одному типу измерения КСВ с использованием того, что раньше было стандартным измерительным прибором на микроволновых частотах, — щелевой линии . Линия с прорезями представляет собой волновод (или заполненную воздухом коаксиальную линию), в которой небольшая чувствительная антенна, являющаяся частью кристаллического детектора или детектора , помещена в электрическое поле линии. Напряжение, индуцированное в антенне, выпрямляется либо точечным диодом (кристаллическим выпрямителем) , либо диодом с барьером Шоттки , встроенным в детектор. Эти детекторы имеют квадратичный выходной сигнал для низких уровней входного сигнала. Таким образом, показания соответствовали квадрату электрического поля вдоль щели E 2 ( x ), при этом максимальные и минимальные показания E 2 max и E 2 min определялись при перемещении зонда вдоль щели. Их соотношение дает квадрат КСВ, так называемый PSWR. [13]

Этот метод рационализации терминов чреват проблемами. [ необходимы разъяснения ] Квадратичный закон детекторного диода проявляется только тогда, когда напряжение на диоде ниже колена диода. Как только обнаруженное напряжение превышает колено, отклик диода становится почти линейным. В этом режиме диод и связанный с ним фильтрующий конденсатор создают напряжение, пропорциональное пику дискретизированного напряжения. Оператор такого детектора не будет иметь готовой информации о режиме, в котором работает детекторный диод, и поэтому дифференцирование результатов между КСВ или так называемым PSWR непрактично. Возможно, еще хуже, это обычный случай, когда минимальное обнаруженное напряжение находится ниже колена, а максимальное напряжение выше колена. В этом случае результаты вычислений по большей части бессмысленны. Таким образом, термины PSWR и коэффициент стоячей волны мощности устарели и их следует рассматривать только с точки зрения устаревших измерений.

Влияние КСВ на медицинские приложения

КСВ также может оказывать пагубное влияние на работу медицинских приложений, использующих микроволновое излучение. В микроволновой электрохирургии антенна, помещенная непосредственно в ткань, не всегда может оптимально совпадать с фидерной линией, что приводит к возникновению КСВ. Наличие КСВ может повлиять на компоненты мониторинга, используемые для измерения уровней мощности, влияя на надежность таких измерений. [14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нотт, Юджин Ф.; Шеффер, Джон Ф.; Тули, Майкл Т. (2004). Сечение радара. Серия SciTech Radar and Defense (2-е изд.). Научно-техническое издательство. п. 374. ИСБН 978-1-891121-25-8.
  2. ^ Шауб, Кейт Б.; Келли, Джо (2004). Производственные испытания радиочастотных и однокристальных устройств беспроводной связи. Микроволновая библиотека Artech House. Артех Хаус. п. 93. ИСБН 978-1-58053-692-9.
  3. ^ Сильвер, Сэмюэл (1984) [1949]. Теория и проектирование микроволновых антенн . ИЭЭ. п. 28. ISBN 0863410170.
  4. ^ Слюсар, И.; Слюсарь, В.; Волошко С.; Зинченко А.; Уткин Ю. (22–27 июня 2020 г.). Синтез широкополосной кольцевой антенны двухленточной конструкции (PDF) . 12-я Международная конференция по теории и технике антенн (ICATT-2020). Харьков, Украина. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  5. ^ abcde Хатчинсон, Чак, изд. (2000). Справочник ARRL для радиолюбителей 2001 г. Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи . С. 19.4–19.6, 19.13, 20.2. ISBN 978-0-87259-186-8.
  6. ^ Форд, Стив (апрель 1994 г.), «Одержимость SWR» (PDF) , журнал QST , том. 78, нет. 4, Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи , стр. 70–72 , получено 4 ноября 2014 г.
  7. ^ Терман, Фредрик Э. (1952). Электронные измерения . МакГроу Хилл. п. 135 и далее. LCCN  51-12650.
  8. ^ Шульц, Гленн Б., (W9IQ) (24 января 2018 г.). «Как на самом деле работает КСВ-метр?». ham.stackexchange.com . Проверено 18 марта 2018 г.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  9. ^ «Nautel добавляет две модели в серию NX» . Наутел (Пресс-релиз). 11 марта 2015 года . Проверено 6 июля 2017 г.
  10. ^ «Модель ОИБ-1 и ОИБ-3». www.deltaelectronics.com . Дельта Электроникс, Инк.
  11. ^ Вольф, Кристиан. «Коэффициент стоячей волны». радартуториал.еу .
  12. ^ Гридли, Дж. Х. (2014). Принципы линий электропередачи в энергетике и связи. Эльзевир. п. 265. ИСБН 978-1483186030– через Google Книги.
  13. ^ Роллин, Бернард Винсент (1964). Введение в электронику . Кларендон Пресс. п. 209. ОСЛК  1148924.
  14. ^ «Проблемы с КСВН в медицинских приложениях». microsofts101.com . Проверено 6 июля 2017 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки