Стоячие волны являются ключевой величиной для любой системы, использующей линии передачи/фидеры, где важны измерения КСВН и коэффициента стоячей волны по напряжению.
Стоячие волны являются важной проблемой при рассмотрении фидеров / линий передачи, а коэффициент стоячей волны или, чаще, коэффициент стоячей волны по напряжению, КСВ представляет собой измерение уровня стоячих волн на фидере. Стоячие волны представляют собой мощность, которая не воспринимается нагрузкой и отражается обратно по линии передачи или фидеру. Хотя стоячие волны и КСВ очень важны, часто теория и расчеты КСВ могут маскировать представление о том, что происходит на самом деле. К счастью, можно получить хорошее представление о теме, не углубляясь в теорию КСВН.
Основы стоячей волны
При рассмотрении систем, включающих линии передачи, необходимо понимать, что источники, линии передачи/фидеры и нагрузки имеют волновое сопротивление. 50 Ом — очень распространенный стандарт для радиочастотных приложений, хотя иногда в некоторых системах могут встречаться и другие импедансы. Чтобы получить максимальную передачу мощности от источника к линии передачи или от линии передачи к нагрузке, будь то резистор, вход в другую систему или антенна, уровни импеданса должны совпадать. Другими словами, для 50-омной системы источник или генератор сигналов должен иметь импеданс источника 50 Ом, линия передачи должна быть 50 Ом, как и нагрузка.
Проблемы возникают, когда мощность передается в линию передачи или фидер и направляется к нагрузке. Если имеется несоответствие, т. е. полное сопротивление нагрузки не соответствует импедансу линии передачи, то передача всей мощности невозможна.
Поскольку мощность не может исчезнуть, мощность, которая не передана в нагрузку, должна куда-то уйти, и там она возвращается по линии передачи обратно к источнику.
Когда это происходит, напряжения и токи прямой и отраженной волн в фидере складываются или вычитаются в разных точках фидера в соответствии с фазами. Таким образом создаются стоячие волны. То, как происходит эффект, можно продемонстрировать с помощью веревки. Если один конец оставить свободным, а другой сдвинуть вверх или вниз, можно увидеть, как волновое движение движется вниз по веревке. Однако, если один конец закреплен, создается движение стоячей волны, и можно увидеть точки минимальной и максимальной вибрации. При сопротивлении нагрузки ниже импеданса фидера устанавливаются величины напряжения и тока. Здесь общий ток в точке нагрузки выше, чем у идеально согласованной линии, а напряжение меньше.
Значения тока и напряжения вдоль фидера изменяются вдоль фидера. При малых значениях отраженной мощности форма волны почти синусоидальна, но при больших значениях она становится больше похожей на двухполупериодную выпрямленную синусоиду. Этот сигнал состоит из напряжения и тока от прямой мощности плюс напряжения и тока от отраженной мощности.
На расстоянии четверти длины волны от нагрузки комбинированные напряжения достигают максимального значения, а ток минимален. На расстоянии половины длины волны от нагрузки напряжение и ток такие же, как и на нагрузке.
Аналогичная ситуация возникает, когда сопротивление нагрузки больше полного сопротивления фидера, однако в этот раз общее напряжение на нагрузке выше, чем значение идеально согласованной линии. Напряжение достигает минимума на расстоянии четверти длины волны от нагрузки, а ток максимален. Однако на расстоянии половины длины волны от нагрузки напряжение и ток такие же, как и на нагрузке.
Затем, когда в конце линии находится разомкнутая цепь, картина стоячей волны для фидера аналогична схеме короткого замыкания, но с обратными моделями напряжения и тока.
Стоит отметить, что расстояние между пиками на картине стоячей волны составляет половину длины волны, а не полную длину волны, как некоторые могут ожидать. Это потому, что они представляют собой интерференционную картину между прямой и отраженной волнами.
определение КСВ
Определение КСВ служит основой для всех расчетов и формул.
Определение КСВН:
Коэффициент стоячей волны по напряжению, КСВН, определяется как отношение максимального напряжения к минимальному на линии без потерь.
Результирующее соотношение обычно выражается в виде отношения, например, 2:1, 5:1 и т. д. Идеальное совпадение — это 1:1, а полное несоответствие, т. е. короткое замыкание или обрыв цепи, — ∞:1. На практике есть потери на любом фидере или линии передачи. Для измерения КСВ в этой точке системы определяется мощность в прямом и обратном направлениях, которая преобразуется в показатель КСВ. Таким образом, КСВ измеряется в конкретной точке и нет необходимости определять максимумы и минимумы напряжения по длине линии.
КСВ против КСВ
Термины КСВ и КСВ часто встречаются в литературе о стоячих волнах в радиочастотных системах, и многие спрашивают о разнице.
- КСВ: КСВ означает коэффициент стоячей волны. Он описывает стоячие волны напряжения и тока, которые появляются на линии. Это общее описание стоячих волн тока и напряжения. Он часто используется в сочетании с измерителями, используемыми для определения коэффициента стоячей волны. И ток, и напряжение возрастают и падают в одинаковой пропорции для данного рассогласования.
- КСВН: КСВН или коэффициент стоячей волны по напряжению применяется конкретно к стоячим волнам по напряжению, которые устанавливаются на фидере или линии передачи. Поскольку стоячие волны напряжения легче обнаружить, а во многих случаях напряжения более важны с точки зрения выхода устройства из строя, часто используется термин КСВН, особенно в областях проектирования ВЧ.
Несколько раз также встречается термин мощность стоячих волн. Однако это полное заблуждение, поскольку прямая и отраженная мощности постоянны (при условии отсутствия потерь в фидере), а мощность не возрастает и не падает так же, как стоячие волны напряжения и тока, которые представляют собой сумму как прямых, так и отраженных элементов.
Как КСВ влияет на производительность
Есть несколько способов, которыми КСВ влияет на характеристики системы передатчика или любой системы, которая может использовать РЧ и согласованные импедансы.
Хотя обычно используется термин КСВ, стоячие волны напряжения и тока могут вызывать проблемы. Некоторые эффекты подробно описаны ниже:
- Усилители мощности передатчика могут быть повреждены: повышенные уровни напряжения и тока на фидере из-за стоячих волн могут повредить выходные транзисторы передатчика. Полупроводниковые устройства очень надежны, если работают в установленных пределах, но стоячие волны напряжения и тока на фидере могут привести к катастрофическим повреждениям, если они заставят устройство работать за их пределами.
- Защита PA уменьшает выходную мощность: Ввиду очень реальной опасности высоких уровней КСВ, вызывающих повреждение усилителя мощности, многие передатчики включают схемы защиты, которые уменьшают выходной сигнал передатчика по мере увеличения КСВ. Это означает, что плохое согласование между фидером и антенной приведет к высокому КСВ, что приведет к снижению выходного сигнала и, следовательно, к значительным потерям передаваемой мощности.
- Высокие уровни напряжения и тока могут повредить фидер: Возможно, что высокие уровни напряжения и тока, вызванные высоким коэффициентом стоячей волны, могут повредить фидер. Хотя в большинстве случаев фидеры будут работать хорошо в своих пределах, и удвоение напряжения и тока должно быть допустимым, существуют некоторые обстоятельства, при которых может быть причинен ущерб. Максимальные значения тока могут вызвать чрезмерный локальный нагрев, который может деформировать или расплавить используемые пластмассы, а высокие напряжения, как известно, в некоторых случаях вызывают искрение.
- Задержки, вызванные отражениями, могут вызывать искажения: когда сигнал отражается из-за рассогласования, он отражается обратно к источнику, а затем может снова отражаться к антенне. Вводится задержка, равная удвоенному времени прохождения сигнала по фидеру. Если данные передаются, это может вызвать межсимвольные помехи, а в другом примере, когда передавалось аналоговое телевидение, было видно «фантомное» изображение.
- Снижение уровня сигнала по сравнению с идеально согласованной системой: Интересно, что потеря уровня сигнала, вызванная плохим КСВ, не так велика, как некоторые могут себе 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. В качестве ориентира, 30-метровый коаксиальный кабель RG213 с потерями около 1,5 дБ на частоте 30 МГц будет означать, что антенна, работающая с КСВ, даст потери чуть более 1 дБ на этой частоте по сравнению с идеально согласованной антенной.
Ключевые темы КСВН
Есть несколько тем, которые составляют часть базового обзора VSWR. Некоторые из этих смежных тем включены ниже.
- Коэффициент отражения: коэффициент отражения — это параметр, указывающий часть сигнала, которая отражается на стыке двух элементов согласованной системы.
- Как измерить КСВ: Одним из ключевых понятий для любого параметра является его измерение. Существует несколько способов измерения КСВ, одним из самых популярных является использование простого измерителя КСВ.
- Возвратные потери: возвратные потери как параметр тесно связаны с VSWR. На самом деле это мера отраженного сигнала по сравнению с падающим сигналом — это потеря отраженного сигнала по сравнению с падающим, обычно выражаемая в децибелах.
Коэффициент стоячей волны является важным параметром для любой фидерной системы. Хотя устанавливаются стоячие волны тока и напряжения, часто более широко обсуждается коэффициент стоячей волны напряжения, поскольку его легче обнаружить и измерить.