Stående bølgeforhold - Standing wave ratio

I radioteknikk og telekommunikasjon er stående bølgeforhold ( SWR ) et mål på impedanstilpasning av belastninger til den karakteristiske impedansen til en overføringslinje eller bølgeleder . Impedansmatchinger resulterer i stående bølger langs overføringslinjen, og SWR er definert som forholdet mellom den delvise stående bølgens amplitude ved en antinode (maksimum) og amplituden ved en node (minimum) langs linjen.

SWR er vanligvis tenkt i forhold til maksimums- og minimumsgrensene vekselspenninger langs transmisjonslinjen, og således kalles det spenningsstandbølgeforhold eller VSWR (noen ganger uttales "vizwar"). For eksempel betyr VSWR-verdien 1,2: 1 at en vekselstrømsspenning, på grunn av stående bølger langs overføringslinjen, vil ha en toppverdi på 1,2 ganger den for den minste vekselstrømsspenningen langs den linjen, hvis linjen er minst en halv bølgelengde lang. SWR kan også defineres som forholdet mellom maksimal amplitude og minimum amplitude av overføringslinjens strømmer , elektrisk feltstyrke eller magnetfeltstyrke. Forsømmelse av tap av overføringslinje, disse forholdene er identiske.

Den kraft standbølgeforhold ( PSWR ) er definert som kvadratet av VSWR, men dette har avviklet terminologien ingen fysisk forhold til den faktiske krefter som er involvert i transmisjonen.

SWR måles vanligvis ved hjelp av et dedikert instrument kalt en SWR-meter . Siden SWR er et mål på lastimpedansen i forhold til den karakteristiske impedansen til overføringslinjen i bruk (som sammen bestemmer refleksjonskoeffisienten som beskrevet nedenfor ), kan en gitt SWR-meter tolke impedansen den ser i form av SWR bare hvis den har blitt designet for den spesielle karakteristiske impedansen. I praksis er de fleste overføringslinjer som brukes i disse applikasjonene, koaksialkabler med en impedans på enten 50 eller 75 ohm , så de fleste SWR-målere tilsvarer en av disse.

Kontroll av SWR er en standard prosedyre i en radiostasjon. Selv om den samme informasjonen kunne oppnås ved å måle lastens impedans med en impedansanalysator (eller "impedansbro"), er SWR-måleren enklere og mer robust for dette formålet. Ved å måle størrelsen på impedansforskjellen ved senderutgangen, avslører det problemer på grunn av antennen eller overføringslinjen.

Impedansmatching

SWR brukes som et mål på impedanstilpasning av en belastning til den karakteristiske impedansen til en overføringslinje som bærer radiofrekvenssignaler (RF). Dette gjelder spesielt overføringslinjer som forbinder radiosendere og mottakere med deres antenner , samt lignende bruk av RF-kabler som kabel-TV- tilkoblinger til TV-mottakere og distribusjonsforsterkere . Impedansmatching oppnås når kildeimpedansen er det komplekse konjugatet av lastimpedansen. Den enkleste måten å oppnå dette på, og måten som minimerer tap langs overføringslinjen, er at den imaginære delen av den komplekse impedansen til både kilden og belastningen er null, det vil si rene motstander, lik den karakteristiske impedansen til overføringslinje. Når det er et misforhold mellom lastimpedansen og overføringslinjen, reflekteres en del av den fremoverbølgen som sendes mot belastningen tilbake langs overføringslinjen mot kilden. Kilden ser da en annen impedans enn den forventer, noe som kan føre til at mindre (eller i noen tilfeller mer) strøm leveres av den, og resultatet er veldig følsomt for den elektriske lengden på overføringsledningen.

En slik uoverensstemmelse er vanligvis uønsket og resulterer i stående bølger langs overføringsledningen som forstørrer tap av overføringslinjer (betydelig ved høyere frekvenser og for lengre kabler). SWR er et mål på dybden til de stående bølgene og er derfor et mål på tilpasningen av lasten til overføringslinjen. En matchet belastning vil resultere i en SWR på 1: 1 som ikke innebærer en reflektert bølge. En uendelig SWR representerer full refleksjon av en belastning som ikke kan absorbere elektrisk kraft, med all innfallende kraft reflektert tilbake mot kilden.

Det skal forstås at samsvaret mellom en last og overføringslinjen er forskjellig fra samsvaret mellom en kilde og overføringslinjen eller samsvaret mellom en kilde og belastningen sett gjennom overføringsledningen. For eksempel, hvis det er en perfekt samsvar mellom lastimpedansen Z- belastning og kildeimpedansen Z- kilde = Z * belastning , vil den perfekte matchen forbli hvis kilden og belastningen er koblet gjennom en overføringsledning med en elektrisk lengde på en halv bølgelengde (eller et multiplum av en halv bølgelengde) ved hjelp av en transmisjonslinje av en hvilken som helst karakteristisk impedans Z 0 . Imidlertid vil SWR generelt ikke være 1: 1, avhengig bare av Z- belastning og Z 0 . Med en annen lengde på overføringslinjen, vil kilden se en annen impedans enn Z- belastning, som kanskje ikke passer bra til kilden. Noen ganger er dette bevisst, som når en kvartbølgeavstemningsseksjon brukes til å forbedre samsvaret mellom en ellers uoverensstemmende kilde og belastning.

Imidlertid er typiske RF- kilder som sendere og signalgeneratorer designet for å se på en ren resistiv belastningsimpedans som 50Ω eller 75Ω, som tilsvarer vanlige overføringslinjers karakteristiske impedanser. I disse tilfellene, å matche belastningen til overføringslinjen, Z belastning = Z 0 , sørger alltid for at kilden vil se den samme lastimpedansen som om overføringslinjen ikke var der. Dette er identisk med en 1: 1 SWR. Denne tilstanden ( Z belastning = Z 0 ) betyr også at belastningen sett av kilden er uavhengig av overføringsledningens elektriske lengde. Siden den elektriske lengden til et fysisk overføringslinjesegment avhenger av signalfrekvensen, betyr brudd på denne tilstanden at impedansen som kilden ser gjennom overføringsledningen, blir en funksjon av frekvensen (spesielt hvis linjen er lang), selv om Z belastning er frekvensuavhengig. Så i praksis innebærer en god SWR (nær 1: 1) at senderens utgang ser den nøyaktige impedansen den forventer for optimal og sikker drift.

Forholdet til refleksjonskoeffisienten

Hendelsesbølge (blå) reflekteres fullt ut (rød bølge) ut av fase ved kortsluttet ende av overføringslinjen, og skaper en nettospenning (svart) stående bølge. Γ = −1, SWR = ∞.
Stående bølger på overføringslinjen, nettospenning vist i forskjellige farger i løpet av en svingningsperiode. Innkommende bølge fra venstre (amplitude = 1) reflekteres delvis med (topp til bunn) Γ = 0,6, −0,333 og 0,8 ∠60 °. Resulterende SWR = 4, 2, 9.

Spenningskomponenten til en stående bølge i en jevn overføringslinje består av fremoverbølgen (med kompleks amplitude ) overlagret på den reflekterte bølgen (med kompleks amplitude ).

En bølge reflekteres delvis når en overføringslinje avsluttes med annet enn en impedans lik dens karakteristiske impedans . Den refleksjonskoeffisienten kan defineres som:

eller

er et komplekst tall som beskriver både størrelsen og faseskiftet til refleksjonen. De enkleste tilfellene med målt ved belastning er:

  • : fullstendig negativ refleksjon, når linjen er kortsluttet,
  • : ingen refleksjon, når linjen passer perfekt,
  • : fullstendig positiv refleksjon når linjen er åpen.

SWR tilsvarer direkte størrelsen på .

På noen punkter langs linjen interfererer forover- og reflekterte bølger konstruktivt, nøyaktig i fase, med den resulterende amplituden gitt av summen av deres bølgenes amplituder:

På andre punkter forstyrrer bølgene 180 ° utenfor fasen med amplitudene som delvis avbryter:

Spenningen stående bølgeforhold er da

Siden størrelsen på alltid faller i området [0,1], er SWR alltid større enn eller lik enhet. Merk at den fase av V f og V r variere langs transmisjonslinjen i motsatte retninger til hverandre. Derfor varierer den komplekse verdsatte refleksjonskoeffisienten også, men bare i fase. Med SWR bare avhengig av den komplekse størrelsen på , kan det sees at SWR målt på et hvilket som helst punkt langs overføringslinjen (forsømmelse av overføringslinjetap) får en identisk avlesning.

Siden kraften til de fremre og reflekterte bølgene er proporsjonal med kvadratet til spenningskomponentene på grunn av hver bølge, kan SWR uttrykkes i form av fremover og reflektert kraft:

Ved å prøve den komplekse spenningen og strømmen ved innsettingspunktet, er en SWR-måler i stand til å beregne de effektive fremover- og reflekterte spenningene på overføringsledningen for den karakteristiske impedansen som SWR-måleren er designet for. Siden forover- og reflektert effekt er relatert til kvadratet av forover- og reflekterte spenninger, viser noen SWR-målere også fremover- og reflektert effekt.

I det spesielle tilfellet med en belastning R L , som er rent resistiv, men forskjellig fra den karakteristiske impedans for transmisjonslinjen Z 0 , er den SWR utelukkende ved at deres forhold:

med ± 1 valgt for å oppnå en verdi større enn enhet.

Det stående bølgemønsteret

Ved hjelp av kompleks notasjon for de spennings amplitudene, for et signal med frekvens , den faktiske (real) spenningene V faktisk som en funksjon av tiden t er forstått å forholde seg til de komplekse spenninger i henhold til:

.

Dermed tar vi den virkelige delen av den komplekse mengden inne i parentesen, den faktiske spenningen består av en sinusbølge ved frekvensen v med en toppamplitude lik den komplekse størrelsen på V, og med en fase gitt av fasen av komplekset V. Så med posisjonen langs en overføringslinje gitt av x, med linjen som ender i en belastning plassert på x 0 , vil de komplekse amplitudene til forover- og bakoverbølgene skrives som:

for en eller annen kompleks amplitude A (tilsvarer foroverbølgen ved x 0 ). Her k er bølgetallet på grunn av den styrte bølgelengden langs transmisjonslinjen. Merk at noen behandlinger bruker faser der tidsavhengigheten er i henhold til og romlig avhengighet (for en bølge i + x-retning) av . Enten konvensjon oppnår det samme resultatet for V faktisk .

I henhold til superposisjonsprinsippet er nettospenningen tilstede på et hvilket som helst punkt x på overføringslinjen lik summen av spenningene på grunn av de fremover og reflekterte bølgene:

Siden vi er interessert i variasjonene av størrelsen på V- nettet langs linjen (som en funksjon av x), skal vi i stedet løse den kvadratiske størrelsen på den størrelsen, noe som forenkler matematikken. For å oppnå den kvadratiske størrelsen multipliserer vi mengden over med dens komplekse konjugat:

Avhengig av fasen av det tredje begrepet, er maksimums- og minimumsverdiene til V netto (kvadratroten av mengden i ligningene) (1 + | Γ |) | A | og (1 - | Γ |) | A | henholdsvis for et stående bølgeforhold på:

som tidligere hevdet. Langs linjen ses det ovennevnte uttrykket for å svinge sinusformet mellom og med en periode på 2π / 2k. Dette er halvparten av den guidede bølgelengden λ = 2π / k for frekvensen ν. Det kan sees på grunn av interferens mellom to bølger av den frekvensen som beveger seg i motsatt retning.

For eksempel, med en frekvens ν = 20 MHz (ledig rombølgelengde på 15 m) i en overføringslinje hvis hastighetsfaktor er 2/3, ville den guidede bølgelengden (avstanden mellom spenningstoppene for den fremre bølgen alene) være λ = 10 m . I tilfeller der fremoverbølgen ved x = 0 er i null fase (toppspenning), vil den ved x = 10 m også være i null fase, men ved x = 5 m vil den være i 180 ° fase (topp negativ spenning) . På den annen side vil størrelsen på spenningen på grunn av en stående bølge produsert ved tilsetning til en reflektert bølge, ha en bølgelengde mellom toppene på bare λ / 2 = 5 m. Avhengig av plasseringen av belastningen og refleksjonsfasen, kan det være en topp i størrelsen på V netto ved x = 1,3 m. Deretter ville det bli funnet en annen topp der | V nett | = V maks ved x = 6,3 m, mens det ville finne minimum av stående bølge | V nett | = V min ved x = 3,8 m, 8,8 m, etc.

Praktiske implikasjoner av SWR

Eksempel på estimert båndbredde på antennen i henhold til tidsplanen VSWR ved hjelp av Ansys HFSS

Det vanligste tilfellet for måling og undersøkelse av SWR er når du installerer og stiller inn antenner . Når en sender som er koblet til en antenne med en tilførselsledning , den drivende punkt impedans må antennens passer til den karakteristiske impedans av mateledningen for at senderen til å se den impedans den er designet for (impedansen av mateledningen, vanligvis 50 eller 75 ohm).

Impedansen til en bestemt antennedesign kan variere på grunn av en rekke faktorer som ikke alltid kan identifiseres tydelig. Dette inkluderer senderfrekvensen (sammenlignet med antennens design eller resonansfrekvens ), antennens høyde over og bakkenes kvalitet, nærheten til store metallstrukturer og variasjoner i den nøyaktige størrelsen på lederne som ble brukt til å konstruere antennen.

Når en antenne og matelinje ikke har samsvarende impedanser, ser senderen en uventet impedans, der den kanskje ikke kan produsere sin fulle effekt, og til og med kan skade senderen i noen tilfeller. Den reflekterte effekten i overføringslinjen øker gjennomsnittsstrømmen og derfor tap i overføringslinjen sammenlignet med kraften som faktisk leveres til lasten. Det er samspillet mellom disse reflekterte bølgene og fremoverbølgene som forårsaker stående bølgemønstre, med de negative konsekvensene vi har notert.

Tilpasning av antennens impedans til impedansen til matelinjen kan noen ganger oppnås ved å justere antennen selv, men ellers er det mulig å bruke en antennemottaker , en impedansmatchende enhet. Installering av tuneren mellom matelinjen og antennen gjør det mulig for matelinjen å se en belastning nær den karakteristiske impedansen, mens du sender det meste av senderens kraft (en liten mengde kan spres i tuneren) som skal utstråles av antennen til tross for dens ellers uakseptable matepunktimpedans. Installering av en tuner mellom senderen og matelinjen kan også transformere impedansen som sees ved senderenden av matelinjen til den foretrukne av senderen. Imidlertid, i sistnevnte tilfelle, har fremføringslinjen fortsatt en høy SWR-tilstedeværelse, med de resulterende økte tapene på matelinjen ubegrenset.

Størrelsen på disse tapene er avhengig av typen overføringsledning og lengden. De øker alltid med frekvens. For eksempel kan en bestemt antenne som brukes langt borte fra resonansfrekvensen ha en SWR på 6: 1. For en frekvens på 3,5 MHz, med antennen matet gjennom 75 meter RG-8A-koaksial, ville tapet på grunn av stående bølger være 2,2 dB. Imidlertid vil den samme 6: 1-uoverensstemmelsen gjennom 75 meter RG-8A-koaksjon medføre 10,8 dB tap ved 146 MHz. Dermed blir en bedre matching av antennen til matelinjen, det vil si en lavere SWR, stadig viktigere med økende frekvens, selv om senderen er i stand til å imøtekomme den impedansen som sees (eller en antennetuner brukes mellom senderen og matingen linje).

Visse typer overføringer kan ha andre negative effekter fra reflekterte bølger på en overføringslinje. Analog TV kan oppleve "spøkelser" fra forsinkede signaler som spretter frem og tilbake på en lang linje. FM-stereo kan også påvirkes, og digitale signaler kan oppleve forsinkede pulser som fører til bitfeil. Når forsinkelsestidene for et signal som går ned igjen og deretter oppover linjen er sammenlignbare med modulasjonstidskonstantene, oppstår effekter. Av denne grunn krever denne typen sendinger en lav SWR på matelinjen, selv om SWR-indusert tap kan være akseptabelt og matching gjøres på senderen.

Metoder for måling av stående bølgeforhold

Slisset linje. Sonden beveger seg langs linjen for å måle den variable spenningen. SWR er maksimum delt på minimumsspenning

Mange forskjellige metoder kan brukes til å måle stående bølgeforhold. Den mest intuitive metoden bruker en slisselinje som er en del av overføringslinjen med et åpent spor som gjør det mulig for en sonde å oppdage den faktiske spenningen på forskjellige punkter langs linjen. Dermed kan maksimums- og minimumsverdiene sammenlignes direkte. Denne metoden brukes ved VHF og høyere frekvenser. Ved lavere frekvenser er slike linjer upraktisk lange. Retningskoblinger kan brukes ved HF gjennom mikrobølgefrekvenser. Noen er en kvart bølge eller mer lange, noe som begrenser bruken til høyere frekvenser. Andre typer retningskoblinger sampler strømmen og spenningen på et enkelt punkt i overføringsbanen og kombinerer dem matematisk på en slik måte at de representerer kraften som flyter i en retning. Den vanlige typen SWR / effektmåler som brukes i amatørdrift, kan inneholde en dobbeltretningskobling. Andre typer bruker en enkelt kobling som kan dreies 180 grader for å prøve strømmen i begge retninger. Enveiskoblinger av denne typen er tilgjengelige for mange frekvensområder og effektnivåer og med passende koblingsverdier for den analoge måleren som brukes.

Et retningsbestemt wattmeter som bruker et roterbart retningskoblingselement

Forover- og reflektert effekt målt av retningskoblinger kan brukes til å beregne SWR. Beregningene kan gjøres matematisk i analog eller digital form eller ved å bruke grafiske metoder innebygd i måleren som en ekstra skala eller ved å lese fra krysspunktet mellom to nåler på samme måler.

Ovennevnte måleinstrumenter kan brukes "i linje", det vil si at full effekt fra senderen kan passere gjennom måleinstrumentet for å muliggjøre kontinuerlig overvåking av SWR. Andre instrumenter, for eksempel nettverksanalysatorer, retningskoblinger med lav effekt og antennebroer, bruker lav effekt til målingen og må kobles til i stedet for senderen. Brokretser kan brukes til å direkte måle de virkelige og imaginære delene av en lastimpedans og til å bruke disse verdiene til å utlede SWR. Disse metodene kan gi mer informasjon enn bare SWR eller fremover og reflektert kraft. Frittstående antenneanalysatorer bruker forskjellige målemetoder og kan vise SWR og andre parametere tegnet mot frekvens. Ved å bruke retningskoblinger og en bro i kombinasjon, er det mulig å lage et instrument i linje som leser direkte i kompleks impedans eller i SWR. Frittstående antenneanalysatorer er også tilgjengelig som måler flere parametere.

Effekt stående bølgeforhold

Uttrykket kraftstående bølgeforhold (PSWR) blir noen ganger referert til og definert som kvadratet til spenningen stående bølgeforhold. Begrepet er mye sitert som "misvisende." Med ordene til Gridley:

Uttrykket "power standing-wave ratio", som noen ganger kan oppstå, er enda mer misvisende, for kraftfordelingen langs en tapsfri linje er konstant .....

-  JH Gridley

Imidlertid tilsvarer det en type måling av SWR ved bruk av det som tidligere var et standard måleinstrument ved mikrobølgefrekvenser, den spalte linjen . Slisselinjen er en bølgeleder (eller luftfylt koaksial linje) der en liten sensingantenne som er en del av en krystalldetektor eller detektor er plassert i det elektriske feltet i linjen. Spenningen indusert i antennen rettes opp av enten en punktkontaktdiode (krystall likeretter) eller en Schottky-barrierdiode som er innlemmet i detektoren. Disse detektorene har en kvadratisk lovutgang for lave inngangsnivåer. Avlesningene tilsvarte derfor kvadratet til det elektriske feltet langs sporet, E 2 ( x ), med maksimale og minimale avlesninger av E 2 max og E 2 min funnet når sonden flyttes langs sporet. Forholdet mellom disse gir kvadratet til SWR, den såkalte PSWR.

Denne teknikken for rasjonalisering av vilkår er full av problemer. Den firkantede oppførselen til detektordioden vises bare når spenningen over dioden er under dioden. Når den oppdagede spenningen overstiger kneet, blir diodens respons nesten lineær. I denne modusen produserer dioden og den tilhørende filtreringskondensatoren en spenning som er proporsjonal med toppen av den samplede spenningen. Operatøren av en slik detektor ville ikke ha en klar indikasjon på modusen hvor detektordioden fungerer, og det er derfor ikke praktisk å skille resultatene mellom SWR eller såkalt PSWR. Kanskje enda verre, er det vanlige tilfellet der minimum oppdaget spenning er under kneet og maksimal spenning er over kneet. I dette tilfellet er de beregnede resultatene stort sett meningsløse. Dermed blir begrepene PSWR og Power Standing Wave Ratio avviklet og bør bare vurderes fra et eldre måleperspektiv.

Implikasjoner av SWR på medisinske applikasjoner

SWR kan også ha en skadelig innvirkning på ytelsen til mikrobølgebaserte medisinske applikasjoner. Ved mikrokirurgisk elektrokirurgi kan det hende at en antenne som er plassert direkte i vev ikke alltid passer optimalt med matelinjen, noe som resulterer i en SWR. Tilstedeværelsen av SWR kan påvirke overvåkingskomponenter som brukes til å måle effektnivåer som påvirker påliteligheten til slike målinger.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker

  • Standing Wave Diagram Et webapplikasjon som tegner Standing Wave Diagram og beregner SWR, inngangsimpedans, refleksjonskoeffisient og mer
  • Refleksjon og VSWR En flashdemonstrasjon av overføringslinjerefleksjon og SWR
  • VSWR —Et online konverteringsverktøy mellom SWR, returtap og refleksjonskoeffisient
  • Online VSWR-kalkulator
  • VSWR tutorial Serie med sider som omhandler alle aspekter av VSWR, refleksjonskoeffisient, retur tap, praktiske aspekter, måling, etc.