КСВ

Коэффициент стоячей волны (КСВ)

Что такое КСВ (SWR)?

Коэффициент стоячей волны (SWR) — это отношение максимальной величины или амплитуды стоячей волны к её минимальной величине. Указывает, имеется ли несоответствие импеданса между нагрузкой и внутренним сопротивлением в радиочастотной (RF) линии передачи или волноводе. Такие несоответствия указывают на наличие стоячих волн вдоль линии, которые могут снизить эффективность передачи электроэнергии.

Что такое стоячие волны?

Стоячие волны, впервые наблюденные ученым Майклом Фарадеем в 19 веке, представляют собой мощность, которую не приняла линия передачи. Эти нежелательные волны отражаются вдоль линии, влияя на эффективность её передачи и снижая мощность, которая в конечном итоге передаётся.

Стоячая волна — это комбинация этих волн, движущихся в противоположных направлениях и с одинаковой амплитудой и частотой. Поскольку волны «накладываются» друг на друга, возникает интерференция и их энергии (напряжение или ток) либо суммируются, либо нейтрализуются друг другом.

Стоячие волны возникают, когда линия передачи заканчивается неправильно. В результате бегущая волна (также известная как падающая волна) отражается — полностью или частично — на приёмном конце. Вместе падающая и отражённая волны порождают стоячие волны вдоль линии.

В некоторых точках линии передачи две волны (или сигналы) совпадают по фазе, поэтому они складываются вместе, что приводит к максимальному напряжению и току. Эти точки известны как максимумы напряжения или тока.

В других точках две волны не совпадают по фазе, поэтому результирующие напряжение и ток упадут до минимума (минимумы напряжения или тока). В конечном счёте, амплитуда стоячих волн указывает на величину отражения вдоль линии передачи.

Как работают стоячие волны

В реальных условиях нагрузка на линию передачи или волновод не поглощает всю достигающую её радиочастотную мощность. Эта мощность известна как прямая мощность.

Вместо этого некоторая мощность направляется обратно к источнику сигнала, когда сигнал достигает точки, где линия соединяется с нагрузкой. Это отражённая мощность или обратная мощность. Отражённая мощность и прямая мощность вместе создают схему максимумов напряжения и тока (контуры) и минимумов (узлы) на линии. Эти схемы известны как стоячие волны.

Объяснение коэффициента стоячей волны (КСВ)

Таким образом, КСВ — это следующие соотношения:

Отношение радиочастотного напряжения в контуре (максимумы) к радиочастотному напряжению в узле (минимумы); или
Отношение радиочастотного тока в контуре (максимумы) к радиочастотному току в узле (минимумы).

Наибольшее значение SWR, т.е. бесконечное и, следовательно, нежелательное значение, возникает, когда к концу линии не подключена нагрузка, что означает, что линия не ограничена. Это может произойти, когда конец линии либо закорочен, либо просто оставлен разомкнутым (разомкнутая цепь). Высокий КСВ указывает на наличие экстремальных напряжений и токов в определенных точках линии.

Иногда умеренно высокий КСВ не приводит к значительным потерям мощности или перегреву линии, и его можно терпеть. Такие ситуации могут возникать при относительно низких ВЧ частотах и низких уровнях ВЧ мощности, а также на коротких отрезках линий передачи с малыми потерями.

Математическое выражение коэффициента стоячей волны

Когда КСВ относится к соотношению прямого и отраженного напряжений, оно известно как коэффициент стоячей волны по напряжению, или КСВН. КСВН — это отношение максимальной величины напряжения к минимальной на линии без потерь.

Если верно следующее:

i = падающая волна и r = отражённая волна

Верно и следующее:

V = напряжение и | V | = величина напряжения

Тогда верно и следующее:

| V max | = | V i| + | Vr| и | V min | = | V i | — | Vr|

| Imax | = |Ii| + |Ir| и | I min | = | Ii | — | Ir|

КСВ = |Вмакс|

| Вмин |

Аналогично, текущий коэффициент стоячей волны выражается следующим образом:

ISWR = | Imax|

| Iмин |

Значение КСВ выражается как 2:1, 5:1 и т.д. Поскольку это числовое соотношение, оно не имеет единиц измерения. При идеальном совпадении импедансов между линией передачи и нагрузкой КСВ будет составлять 1:1. Но при полном несоответствии, то есть при коротком замыкании, значение КСВ равно ∞:1.

Хотя КСВ — это общий способ описания как стоячих волн тока, так и напряжения, КСВН чаще используется для радиочастотных приложений и, в целом, для любой фидерной системы.

Стоячие волны и полное сопротивление

В системах связи и других радиочастотных системах все линии передачи, фидеры и нагрузки имеют некоторый характеристический импеданс. Для радиочастотных приложений 50 Ом является значением общего импеданса. Чтобы обеспечить максимальную передачу мощности от источника или генератора сигналов к линии передачи или от линии передачи к нагрузке, уровни их полного сопротивления должны совпадать. Для системы с сопротивлением 50 Ом импеданс источника, импеданс линии передачи и импеданс нагрузки должны составлять 50 Ом.

Однако такие совпадения случаются не всегда. Фактически, несоответствие импедансов между линией и нагрузкой может иметь место и действительно имеет место. В таких ситуациях вся мощность, которая передаётся в линию и направляется к нагрузке, не передаётся на нагрузку. Поскольку эта мощность должна куда-то уходить (она не может исчезнуть), она возвращается по линии к источнику. Когда это происходит, напряжения и токи прямой и отражённой волн складываются или вычитаются в разных точках, что приводит к появлению стоячих волн и потере эффективности передачи.

Возможные значения коэффициента стоячей волны

В идеальных условиях радиочастотное напряжение на линии передачи сигнала одинаково во всех точках линии; следовательно, КСВ равно 1. Когда это происходит, нагрузка использует всю радиочастотную мощность, которая поступает к ней от линии передачи.

Однако, это оптимальное условие может существовать только тогда, когда нагрузка — например, антенна или беспроводной приёмник, — на которую подаётся радиочастотное питание, имеет тот же импеданс, что и импеданс линии передачи. Проще говоря, импедансы линии и нагрузки идентичны. Кроме того, сопротивление нагрузки совпадает с характеристическим импедансом линии передачи, и нагрузка не содержит реактивного сопротивления. (В нём нет индуктивности или ёмкости.)

В реальных условиях напряжение и ток колеблются в различных точках линии. Следовательно, импедансы линии и нагрузки не могут быть идентичными, поэтому КСВ не может быть равен 1. Теоретически КСВ может достигать любого значения. И хотя КСВ может превышать 100, на практике это обычно ограничено потерями в линии. КСВ менее 2 считается «подходящим вариантом» для многих приложений. Для других приложений требуется КСВ меньше 1,1 или выше. Другие могут допускать КСВ 3 или выше.

Коэффициент стоячей волны в сравнении с отношением отраженной мощности к прямой мощности

КСВ на линии передачи — это не то же самое, что отношение отражённой мощности к прямой мощности. Однако эти два соотношения взаимосвязаны. В целом, чем выше отношение отражённой мощности к прямой, тем больше КСВ. Верно и обратное.

При высоком КСВ потери мощности в линии больше, чем потери, возникающие при КСВ, равном 1. Эти завышенные потери известны как потери КСВ и могут быть значительными, особенно когда КСВ превышает 2 и линия передачи изначально имеет значительные потери.

Высокий КСВ также может иметь другие нежелательные эффекты. Во-первых, это может привести к перегреву линии передачи. Это также может привести к пробою диэлектрического материала, разделяющего линейные проводники. По всем этим причинам радиотехники пытаются минимизировать КСВ на линиях передачи данных.

Влияние коэффициента стоячей волны

Стоячие волны влияют на эффективность передачи энергии в любой системе, использующей RF и согласованные импедансы. Проще говоря, происходит значительная потеря передаваемой мощности. Поскольку стоячие волны приводят к повышению уровней напряжения и тока в некоторых точках линии, они могут повредить выходные транзисторы передатчика. Эти высокие уровни также могут привести к повреждению устройства подачи из-за чрезмерного локального нагрева или образования дуги.

Несоответствие импедансов может привести к отражению сигнала обратно к источнику и антенне. Это может вызвать задержки передачи, а также межсигнальные помехи. В аналоговых приложениях, таких как устаревшие аналоговые телевизоры, помехи могут приводить к отражению «призрачного» изображения на экране.

techtarget

Вверх