Poměr stojatých vln

Poměr stojatých vln (SWR, z anglického standing wave ratio , SWR) je poměr největší hodnoty amplitudy intenzity elektrického nebo magnetického pole stojaté vlny na antinodech přenosového vedení k amplitudě v uzlech [ 2] .

SWR je měřítkem toho, jak je zátěž (např. anténa ) přizpůsobena přenosové lince ( feeder ). SWR v přenosovém vedení nezávisí na vnitřním odporu zdroje elektromagnetických vln (generátoru) a (v případě lineárního zatížení) na výkonu generátoru. Hodnota SWR v homogenním bezztrátovém přenosovém vedení je konstantní po celé délce přenosového vedení a nezávisí na jeho délce. SWR ovlivňuje:

účinnost systému "přenosové vedení - zatížení";
maximální hodnota výkonu přenášeného po vedení;
provozní režim generátoru.

Vztah s koeficientem odrazu

SWR souvisí s modulem koeficientu odrazu v daném úseku přenosového vedení, tyto dvě veličiny nesou stejnou informaci. Vzhledem k tomu, že nerovnoměrné rozložení amplitudy vlny podél čáry je způsobeno interferencí („sčítání a odečítání“) dopadajících a odražených vln, největší hodnota amplitudy vlny podél čáry (tedy hodnota amplitudy při antinoda ) je $|\gamma |$ $A$

A_{\text{inc}}+A_{\text{ref}},

a nejmenší hodnota amplitudy (tj. hodnota amplitudy v uzlu) je

A_{\text{inc}}-A_{\text{ref}},

kde je amplituda dopadající vlny (například vlny napětí, pak, nebo proudové vlny, pak ); je amplituda odražené vlny. $A_{\text{inc))$ $A=U,$ $A=I$ $A_{\text{ref}}$

tudíž

{\text{KCB}}={\frac {A_{\text{inc}}+A_{\text{ref}}}{A_{\text{inc}}-A_{\text{ref} }}}.

Z toho vyplývá vztah SWR s modulem koeficientu odrazu pro napětí ( ) nebo proud ( , : $|\gamma |$ $|\Gamma _{U}|=U_{\text{ref}}/U_{\text{inc}}$ $|\Gamma _{I}|=I_{\text{ref}}/I_{\text{inc}}$ $|\Gamma _{U}|=|\Gamma _{I}|)$

{\text{KCB}}={\frac {1+|\Gamma |}{1-|\Gamma |}}.

V režimu postupné vlny (v tomto režimu je přenosové vedení přizpůsobeno zátěži), nedochází k žádné odražené vlně (tj. ) a SWR = 1. $A_{\text{ref}}=0$ $|\Gamma _{U}|=0$
V režimu smíšené vlny ( ), SWR > 1. $A_{\text{ref}}\neq 0$
V režimu stojatých vln , kdy (to znamená, že amplitudy odražených a dopadajících vln jsou stejné), a SWR má tendenci k nekonečnu. $A_{\text{ref}}=A_{\text{inc}}$ $|\Gamma _{U}|=1$

V bezztrátovém přenosovém vedení s vlnovou impedancí zatíženou čistě odporovou zátěží s odporem $W,$ $R:$

při SWR = $R>W$ $R/W;$
při SWR = $R<W$ $W/R.$

Pokud je například přenosové vedení s vlnovou impedancí 50 ohmů zatíženo čistě aktivním odporem 100 ohmů nebo 25 ohmů , pak SWR ve vedení bude 2,0, zatímco amplituda vlny na antinodě překročí amplituda vlny v uzlu dvakrát. Na Volpert-Smithově koláčovém grafu jsou čáry konstantního SWR soustředné kruhy, jejichž střed se shoduje se středem grafu (střed grafu odpovídá hodnotě SWR \u003d 1 ).

V praxi se SWR široce používá jako charakteristika kvality přizpůsobení a pro obvody se soustředěnými parametry, ve kterých nejsou vysloveně dlouhé linky . V tomto případě je indikace hodnoty SWR shodná s indikací hodnoty. Například fráze „hodnota SWR na vstupu zesilovače je 2,0“ znamená, že hodnota modulu koeficientu odrazu napětí ze vstupu zesilovače při připojení ke generátoru s čistě aktivním jmenovitým vnitřním odporem je Nebo: fráze „hodnota SWR antény je 2,0“ znamená, že hodnota modulu koeficientu odrazu ze vstupu el. anténa, když je buzena generátorem s vnitřním odporem rovným jmenovitému odporu antény je To také znamená, že když je anténa buzena přenosovým vedením s vlnovou impedancí rovnou jmenovitému odporu antény, SWR ve vysílání linka v blízkosti antény bude 2,0. $|\gamma |.$ $|\gamma |$ $|\Gamma |\cca 0{,}33.$ $|\gamma |$ $|\Gamma |\cca 0{,}33.$

KBV, VSWR a další koeficienty

Hodnota SWR je převrácená hodnota poměru postupných vln (TWR), který byl v minulosti široce používán v praxi spolu s SWR.

V přenosovém vedení s T-vlnou (například u vedení koaxiálního typu) lze SWR určit napětím (jako poměr největší hodnoty amplitudy napětí podél vedení k nejmenší, v praxi termín napětí používá se SWR (VSWR). Podobně v linii s T-vlnou lze určit SWR z proudu (jako poměr amplitud proudů). Takto určené hodnoty PSV a PSV pro proud se rovnají PSV. Pro přenosová vedení s jinými typy vln, například pro dielektrické nebo kovové vlnovody, je obtížné nebo nemožné zadat a použít VSWR a VSWR pro proud.

Při měření amplitudy intenzity pole nebo napětí, potřebné pro měření SWR, se používají sekce detektorů s diodami , které mají v režimu slabého signálu charakteristiku proud-napětí blízkou kvadratické . Výsledek detekce je přibližně úměrný druhé mocnině naměřené intenzity pole nebo amplitudy napětí, tj. úměrný výkonu odbočujícímu z přenosového vedení do sekce detektoru. V minulosti se pro zjednodušení zpracování výsledků měření (aby se nevytahovala druhá odmocnina) místo SWR uváděl poměr takto získaných odhadů druhých mocnin amplitud (síla pole ve vedení, napětí mezi liniových vodičů), která se přibližně rovná druhé mocnině SWR. Tento poměr nebyl zcela správně nazýván "SWR by power" . Aby bylo možné oddělit „správný“ SWR (poměr amplitudy intenzity pole) od takového „KSVR“, stále se místo SWR hojně používá termín VSWR podle napětí (VSWR) a označení Kst U.

V zahraniční literatuře se používají následující zkratky:

zkratce SWR odpovídá zkratka SWR (z anglického s tanding w ave r atio );
VSWR a Kst U - VSWR (z angl . voltage SWR );
SWR pro proud - ISWR (z francouzštiny i ntensité de courant - síla proudu a anglicky SWR );
SWR in power - PSWR (z anglického power SWR ).

Použití KBV, VSWR, VSWR pro proud, VSWR pro napájení GOST nezajišťuje [2] .

Přijatelné SWR

Je žádoucí, aby hodnota SWR v přenosovém vedení byla blízká jednotce, přičemž maximální účinnost systému "přenosové vedení - zátěž" je rovna [3] poměru výkonu uvolněného v zátěži k výkonu dopadající vlna přenášená generátorem do přenosového vedení. Přípustné hodnoty SWR při provozní frekvenci nebo v pásmu provozních frekvencí pro různá zařízení jsou upraveny v technických specifikacích a GOST. Obecně přijatelné hodnoty SWR jsou mezi 1,1 a 2,0. Ve vlnovodné dráze jsou dosažitelné i prakticky dostupné hodnoty SWR výrazně nižší (lepší) než v koaxiální dráze a jsou předvídatelnější.

Hodnota SWR závisí na mnoha faktorech, zejména:

z poměru mezi vlnovou impedancí přenosového vedení a zatěžovacím odporem;
z přítomnosti nehomogenit v přenosovém vedení, například spojení, poškození, ohyby malého poloměru;
na kvalitě zakončení kabelu ve vysokofrekvenčním konektoru (konektoru) přenosového vedení na straně zátěže.

Zvýšení (tj. zhoršení) SWR vede ke zhoršení účinnosti systému z následujících hlavních důvodů:

tepelné ztráty v samotném přenosovém vedení se zvyšují ve srovnání s případem SWR = 1 (toto dodatečné zvýšení ztrát je tím silnější, čím vyšší je měrný útlum v přenosovém vedení);
v důsledku nesouladu mezi zátěží a přenosovým vedením (důvod zvýšení SWR) klesá příkon generátoru zátěží (často je nesprávné hovořit o odrazu výkonu od zátěže a jeho přenosu odraženým vlna následovaná absorpcí v generátoru );

Ekvivalentní obvod výstupního obvodu aktivního zařízení pracujícího v nelineárním režimu (zejména s proudovým omezením) však není „spojení ideálního zdroje proudu J a konstantní komplexní vodivosti G , se kterou je požadováno aby odpovídala zátěži“, protože hodnoty J , G a vibrační síla se komplexně mění se změnou odporu zátěže. Pokud se tedy v přenosové lince připojené k „vyladěnému“ (to znamená, že přenosové lince dává maximální výkon) generátoru, SWR změní (zhorší nebo dokonce zlepší), pak bude generátor dodávat přenosové lince méně energie. V tomto ohledu existuje další faktor:

mění se režim činnosti aktivního zařízení zdroje elektromagnetických vln, což je negativní faktor, který dále snižuje uvolňování výkonu v zátěži. Tento faktor lze částečně eliminovat umístěním přizpůsobovacího zařízení („anténního tuneru“) mezi generátor a přenosové vedení; v tomto případě se však objevuje nový zdroj ztrát - samotné přizpůsobovací zařízení, jehož účinnost s rostoucím SWR klesá.

Možné jsou i další důsledky:

porucha přenosového vedení nebo jeho roztavení v antinodech napětí nebo proudu;
porucha výkonného zesilovače (tranzistoru) v důsledku provozního režimu přesahujícího přípustné limity: zvýšení proudu nebo napětí na výstupní elektrodě může vést k poruše, zvýšení rozptýleného výkonu může vést k přehřátí; v rozsahu UHF a mikrovlnné trouby se k ochraně aktivních zařízení používají nereciproční zařízení - ventily a oběhová čerpadla , která nepropouštějí vlnu odraženou od zátěže do generátoru, ale při dlouhodobém provozu na neodpovídající zátěži mohou také selhat;
zvýšení nerovnoměrnosti frekvenční charakteristiky cesty, které se může projevit zejména zkreslením tvaru vysílaných krátkých impulsů (jejichž délka je srovnatelná s dobou šíření signálu v přenosovém vedení) a projev mnohonásobných odrazů krátkých pulzů (jejichž trvání je mnohem kratší než doba šíření signálu v přenosovém vedení, podobně jako efektový dozvuk v akustice);
samobuzení propojených kaskád.

Pro snížení SWR a zvýšení účinnosti musí být zátěž co nejvíce přizpůsobena přenosovému vedení (v tomto případě podmínka přizpůsobení znamená, že odpor zátěže je čistě aktivní a rovný charakteristické impedanci přenosového vedení). Pokud je kvalita přizpůsobení nevyhovující, použijí se přizpůsobovací zařízení, která jsou zapojena mezi přenosové vedení a zátěž nebo v přenosovém vedení co nejblíže zátěži. Pokud účinnost není určujícím faktorem, lze použít odpovídající tlumiče .

Měření SWR

Zařízení pro měření SWR - SWR meter.

Přímá metoda měření SWR je založena na použití měřicí čáry , která měří amplitudy intenzity pole na antinodě a uzlu. Tato metoda je historicky nejstarší.

Častěji se SWR měří nepřímo pomocí reflektometru s následným převodem na SWR. U složitějších (multifunkčních, zpravidla automatických) měřicích přístrojů na bázi reflektometrů je měření SWR jednou z funkcí (spolu s měřením impedance, komplexního koeficientu odrazu, S-parametrů , výkonu). Stupnice reflektometru určeného k měření SWR může být předem kalibrována v jednotkách SWR. Konstrukce reflektometrů používaných k měření SWR jsou různé. Průchozí měřiče SWR (snímače) jsou zabudovány do přenosového vedení nebo umístěny na výstupu rádiového vysílače , lze je ve zjednodušené podobě použít jako součást ochranného obvodu rádiového vysílače proti nesouladu zátěže. $|\gamma |$

Při měření SWR zvažte následující.

SWR se určuje v ustáleném stavu, kdy se přechodový proces v přenosovém vedení, ke kterému dochází v okamžiku zapnutí generátoru, zastaví (vlna se šíří po dlouhém vedení od generátoru směrem k zátěži, částečně se od něj odráží, šíří se v opačný směr než je generátor, se od něj částečně odráží atd.). Tuto okolnost je třeba vzít v úvahu při plánování měření SWR pomocí reflektometrů pracujících v časové oblasti.
Při měření kvality shody potenciálně nelineární zátěže je třeba vzít v úvahu, že výsledek může záviset na výkonu měřicího signálu. Například při měření SWR na vstupu zesilovače může vstupní impedance aktivního zařízení záviset na režimu jeho činnosti a zejména na výkonu měřicího signálu. V takových případech by mělo být měření prováděno pomocí měřicího signálu s přesně definovaným (nominálním) výkonem.
Ve ztrátovém přenosovém vedení modul koeficientu odrazu plynule klesá, jak se vzdaluje od zátěže a přibližuje se ke generátoru. Je to proto, že jak dopadající, tak odražené vlny procházejí útlumem. Proto ve ztrátovém přenosovém vedení má SWR konvenční význam [3] . Provozní režim v takovém vedení lze charakterizovat dvěma hodnotami SWR: v blízkosti zátěže a v blízkosti generátoru. Měření SWR na straně generátoru bez zohlednění útlumu na jednotku délky v přenosovém vedení může vést k nesprávnému závěru o vysoké kvalitě přizpůsobení zátěže přenosovému vedení a k nadhodnocení účinnosti "přenosového vedení". - systém zatížení.

Například při použití kabelu PK50-7-15 je specifický útlum na frekvencích CB (asi 27 MHz ) 0,04 dB /m a při délce kabelu 40 m se odražený signál zeslabí o 3,2 dB . Výsledkem bude hodnota SWR v blízkosti antény 2,00, měřič SWR bude ukazovat hodnotu 1,38, se SWR na anténě 3,00, měřič bude ukazovat přibližně 1,63 atd.

Při měření SWR antény bez použití RF anechoické komory může být výsledek měření nesprávný, pokud anténa přijímá rádiové signály z blízkých výkonných zdrojů, jejichž amplituda na vstupu měřiče je srovnatelná s amplitudou měřicího signálu odraženého od anténa. Tento problém není neobvyklý v pásmech dekametrů a delších vlnových délek, kde je efektivní výška antén plné velikosti vysoká. Pro zmírnění tohoto vlivu se zvyšuje výkon generátoru měřicího signálu, do cesty jsou zařazeny frekvenční filtry a používají se další obvodová řešení. Tím však není eliminována potřeba bezdozvukové komory, takže anténa nevrací do měřiče svůj vlastní signál odražený od okolních předmětů.

Například v domácích panoramatických měřičích VSWR a útlumu, jako je X1-43, byla použita amplitudová modulace testovacího signálu na frekvenci 100 kHz (přepínatelná) a napětí z detektorů prošlo úzkopásmovým pásmovým filtrem ( vypnuto), díky čemuž byly přijímací obvody selektivní. Nevýhodou této metody je snížení frekvenčního rozlišení měřiče, protože v každém konkrétním bodě rozmítání není přenášen spektrálně čistý harmonický signál (dodávaný do testovaného zařízení), ale spektrum několik set kilohertzů. široký.

Snímač SWR na výstupu rádiového vysílače může udávat nesprávné údaje, pokud signál obsahuje nedostatečně potlačené nosné harmonické (například v důsledku nesprávného naladění výstupního oscilačního obvodu rádiového vysílače) nebo jiné rušivé kmity.
Měřič SWR je určen pro použití v trase s určitou hodnotou vlnové impedance. Pokus o měření SWR v cestě s jinou hodnotou impedance poskytne nesprávný výsledek.

Například měření SWR v dráze 75 Ω pomocí měřiče SWR v dráze 50 Ω poskytne nesprávný výsledek.

Poznámky

↑ I. Sliusar, V. Slyusar, S. Voloshko, A. Zinchenko, Y. Utkin . Synthesis of a Broadband ring Antenna of a Two-Tape Design Archived 22. října 2020 na Wayback Machine // 12th International Conference on Antenna Theory and Techniques ( ICATT -2020 )], 22.–27. června 2020, Charkov, Ukrajina.
↑ 1 2 GOST 18238-72. „Přenosové vedení ultravysokých frekvencí. Termíny a definice".
↑ 1 2 Sazonov D. M. Antény a mikrovlnná zařízení. Proč. pro radiotechnické obory vysokých škol. - M .: Vyšší. škola, 1988. - 432 s.

Odkazy

SWR, koeficient odrazu, reverzní útlum a převodní tabulka zpětných ztrát

Slovníky a encyklopedie	Skvělý norský
V bibliografických katalozích	GND : 4502840-0