Tỷ lệ sóng đứng điện áp là gì? Làm thế nào để tính toán VSWR?
"VSWR (Tỷ lệ sóng đứng điện áp), là thước đo mức độ hiệu quả của công suất tần số vô tuyến được truyền từ nguồn điện, qua đường truyền, thành tải (ví dụ: từ bộ khuếch đại công suất qua đường truyền, đến ăng-ten ). " Đây là khái niệm của VSWR. Thông tin thêm về VSWR, chẳng hạn như các yếu tố ảnh hưởng của VSWR, tác động đến hệ thống truyền tải, sự khác biệt với SWR,… Bài viết này có thể giải thích chi tiết cho bạn.
Theo Wikipedia, tỷ lệ sóng đứng (SWR) được định nghĩa là:
"một phép đo sự phù hợp trở kháng của tải với trở kháng đặc trưng của đường truyền hoặc ống dẫn sóng. Sự không khớp trở kháng dẫn đến sóng dừng dọc theo đường truyền và SWR được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của sóng dừng một phần tại cực dương (tối đa) với biên độ tại một nút (cực tiểu) dọc theo đường thẳng. "
SWR thường được đo bằng một công cụ chuyên dụng được gọi là Máy đo SWR. Vì SWR là thước đo trở kháng tải so với trở kháng đặc trưng của đường truyền đang sử dụng (cùng xác định hệ số phản xạ như mô tả bên dưới), một máy đo SWR nhất định có thể giải thích trở kháng mà nó thấy theo SWR chỉ khi nó có được thiết kế cho trở kháng đặc tính cụ thể đó. Trong thực tế, hầu hết các đường truyền được sử dụng trong các ứng dụng này là cáp đồng trục với trở kháng 50 hoặc 75 ohms, vì vậy hầu hết các máy đo SWR đều tương ứng với một trong những loại này.
Kiểm tra SWR là một quy trình tiêu chuẩn trong một đài phát thanh. Mặc dù có thể thu được thông tin tương tự bằng cách đo trở kháng của tải bằng máy phân tích trở kháng (hoặc "cầu trở kháng"), đồng hồ SWR đơn giản hơn và mạnh mẽ hơn cho mục đích này. Bằng cách đo độ lớn của sự không phù hợp trở kháng ở đầu ra máy phát, nó cho thấy các vấn đề do ăng-ten hoặc đường truyền.
Nhân tiện, nếu bạn nghĩ mình chưa từng trải qua sóng đứng thì điều đó rất khó xảy ra. Sóng đứng trong lò vi sóng là nguyên nhân khiến thức ăn chín không đều (mâm xoay là giải pháp một phần cho vấn đề đó). Bước sóng của tín hiệu 2.45 GHz là khoảng 12 cm, hay khoảng XNUMX inch. Các hạt rỗng trong bức xạ (và sự đốt nóng) sẽ được tách ra ở một khoảng cách tương tự như bước sóng.
Hệ số phản xạ là a tham số mô tả một sóng điện từ bị phản xạ bởi một trở kháng không liên tục trong môi trường truyền sóng, bằng tỉ số giữa biên độ của sóng phản xạ và sóng tới. Hệ số phản xạ là một chất lượng rất hữu ích khi xác định VSWR hoặc điều tra sự phù hợp giữa, ví dụ, bộ nạp và tải. Chữ cái Hy Lạp Γ thường được sử dụng cho hệ số phản xạ, mặc dù σ cũng thường được nhìn thấy.
Hệ số phản xạ
Sử dụng định nghĩa cơ bản của hệ số phản xạ, nó có thể được tính toán từ kiến thức về sự cố và điện áp phản ánh.
Địa điểm:
= Hệ số phản xạ
Vref = điện áp phản xạ
Vfwd = điện áp chuyển tiếp
2) Tổn thất trả hàng & Tổn thất dự trữ
Quay trở lại mất là sự mất mát công suất tín hiệu do tín hiệu phản xạ hoặc trở lại bởi sự gián đoạn trong liên kết cáp quang hoặc đường truyền và đơn vị biểu thị của nó cũng tính bằng decibel (dBs). Sự không phù hợp trở kháng này có thể xảy ra với một thiết bị được lắp trong đường dây hoặc với tải kết thúc. Hơn nữa, tổn thất trả về là mối quan hệ giữa cả hệ số phản xạ (Γ) và tỷ lệ sóng đứng (SWR), và luôn là một số dương và tổn thất trả về cao là một tham số đo lường thuận lợi và nó thường tương quan với mức chèn thấp thua. Ngẫu nhiên, nếu bạn tăng khoản lỗ trả lại, nó sẽ tương quan với SWR thấp hơn.
Mất tín hiệu, xảy ra dọc theo chiều dài của một liên kết sợi quang, được gọi là mất chèn. Tuy nhiên, mất chèn là một sự cố tự nhiên xảy ra với tất cả các loại đường truyền, cho dù đó là dữ liệu hay điện. Hơn nữa, về cơ bản đối với tất cả các đường truyền vật lý hoặc đường dẫn điện, đường dẫn càng dài thì tổn thất càng cao. Hơn nữa, những tổn thất này cũng xảy ra tại mỗi điểm kết nối dọc theo đường dây, bao gồm các mối nối và đầu nối. Tham số đo cụ thể này được biểu thị bằng decibel và phải luôn là một số dương. Tuy nhiên, nên, không có nghĩa là luôn luôn, và nếu tình cờ, nó là âm, thì đó không phải là một tham số đo lường thuận lợi. Trong một số trường hợp, tổn thất chèn có thể xuất hiện dưới dạng một phép đo thông số âm.
Mất mát trả lại & mất điểm chèn
Vì vậy, bây giờ, chúng ta hãy xem xét sơ đồ trên một cách chi tiết để chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách tương tác của tổn thất chèn và tổn thất trả về. Như bạn có thể thấy, công suất sự cố truyền xuống một đường dây tải điện từ bên trái cho đến khi nó đến thành phần. Khi nó đến thành phần, một phần của tín hiệu được phản xạ trở lại đường truyền về phía nguồn mà nó đến. Ngoài ra, hãy nhớ rằng phần tín hiệu này không đi vào thành phần.
Phần còn lại của tín hiệu thực sự đi vào thành phần. Ở đó một số bị hấp thụ, và phần còn lại đi qua thành phần vào đường truyền ở phía bên kia. Công suất phát ra từ linh kiện được gọi là công suất truyền qua, và nó nhỏ hơn công suất sự cố vì hai lý do:
① Một phần của tín hiệu bị phản xạ.
② Thành phần hấp thụ một phần tín hiệu.
Vì vậy, tóm lại, chúng tôi biểu thị tổn thất chèn bằng decibel, và nó là tỷ số giữa công suất tới trên công suất truyền. Hơn nữa, chúng ta có thể tóm tắt rằng tổn thất trả lại, mà chúng ta cũng biểu thị bằng decibel là tỷ số giữa công suất tới và công suất phản xạ. Do đó, chúng ta có thể thấy cách hai loại thông số đo lường tổn thất giúp đánh giá chính xác hiệu quả tổng thể của tín hiệu và thành phần có thể đo được trong hệ thống hoặc trong một đường dẫn.
Trong thực tiễn điện tử ngày nay, về mặt sử dụng, tổn thất trở lại được ưu tiên hơn so với SWR vì nó mang lại độ phân giải tốt hơn cho các giá trị nhỏ hơn của sóng phản xạ.
3) Đối sánh trở kháng là gì
Kết hợp trở kháng là nguồn thiết kế và trở kháng tải để giảm thiểu phản xạ tín hiệu hoặc tối đa hóa công suất truyền. Trong mạch DC, nguồn và tải phải bằng nhau. Trong mạch điện xoay chiều, nguồn phải bằng tải hoặc liên hợp phức tạp của tải, tùy thuộc vào mục tiêu. Trở kháng (Z) là đơn vị đo sự đối nghịch với dòng điện, là một giá trị phức với phần thực được định nghĩa là điện trở (R), và phần ảo được gọi là điện kháng (X). Khi đó, phương trình của trở kháng là theo định nghĩa Z = R + jX, trong đó j là đơn vị ảo. Trong hệ thống điện một chiều, điện kháng bằng XNUMX, do đó trở kháng giống như điện trở.
Tỷ lệ sóng đứng điện áp (VSWR) là một dấu hiệu về số lượng không phù hợp giữa một ăng-ten và đường cấp dữ liệu kết nối với nó. (Nhấp chuột tại đây để chọn sản phẩm ăng-ten của chúng tôi) Đây còn được gọi là Tỷ lệ sóng đứng (SWR). Phạm vi giá trị của VSWR là từ 1 đến ∞. Giá trị VSWR dưới 2 được coi là phù hợp cho hầu hết các ứng dụng ăng-ten. Ăng-ten có thể được mô tả là có "Phù hợp tốt". Vì vậy, khi ai đó nói rằng ăng-ten được kết hợp kém, thường có nghĩa là giá trị VSWR vượt quá 2 cho một tần số quan tâm. Mất mát trở lại là một thông số kỹ thuật khác được quan tâm và được đề cập chi tiết hơn trong phần Lý thuyết Ăng-ten. Một chuyển đổi thường được yêu cầu là giữa tổn thất trả lại và VSWR, và một số giá trị được lập bảng trong biểu đồ, cùng với biểu đồ của các giá trị này để tham khảo nhanh.
Cùng xem nhanh video về VSWR nhé!
2) Các yếu tố Ảnh hưởng đến VSWR
· tần số
· Antenna mặt đất
· Vật kim loại gần đó
· Loại cấu tạo ăng-ten
· Nhiệt độ
3) SWR so với VSWR so với ISWR và PSWR
SWR là một khái niệm, tức là tỷ số sóng đứng. VSWR thực chất là cách bạn thực hiện phép đo, bằng cách đo điện áp để xác định SWR. Bạn cũng có thể đo SWR bằng cách đo dòng điện hoặc thậm chí công suất (ISWR và PSWR). Nhưng đối với hầu hết các ý định và mục đích, khi ai đó nói SWR, họ có nghĩa là VSWR, trong cuộc trò chuyện thông thường chúng có thể hoán đổi cho nhau.
· SWR: SWR là viết tắt của tỷ số sóng đứng. Nó mô tả điện áp và sóng dừng hiện tại xuất hiện trên đường dây. Nó là một mô tả chung cho cả dòng điện và sóng dừng điện áp. Nó thường được sử dụng kết hợp với các máy đo được sử dụng để phát hiện tỷ lệ sóng dừng. Cả dòng điện và điện áp đều tăng và giảm theo tỷ lệ như nhau đối với một sự không phù hợp nhất định. · VSWR: VSWR hoặc tỷ lệ sóng dừng điện áp áp dụng cụ thể cho các sóng dừng điện áp được thiết lập trên một bộ nạp hoặc đường truyền. Vì việc phát hiện sóng dừng của điện áp dễ dàng hơn và trong nhiều trường hợp, điện áp quan trọng hơn về sự cố thiết bị, thuật ngữ VSWR thường được sử dụng, đặc biệt là trong các khu vực thiết kế RF.
Đối với hầu hết các mục đích thực tế, ISWR giống như VSWR. Trong điều kiện lý tưởng, điện áp RF trên đường truyền tín hiệu là như nhau tại tất cả các điểm trên đường dây, bỏ qua tổn thất điện năng gây ra bởi điện trở trong dây dẫn đường dây và sự không hoàn hảo trong vật liệu điện môi ngăn cách các dây dẫn đường dây. Do đó, VSWR lý tưởng là 1: 1. (Thường thì giá trị SWR được viết đơn giản dưới dạng số đầu tiên hoặc tử số của tỷ lệ vì số thứ hai, hoặc mẫu số, luôn là 1.) Khi VSWR là 1, ISWR cũng là 1. Điều kiện tối ưu này có thể chỉ tồn tại khi tải (chẳng hạn như ăng-ten hoặc bộ thu không dây), nơi phân phối nguồn RF, có trở kháng giống với trở kháng của đường truyền. Điều này có nghĩa là điện trở tải phải giống với trở kháng đặc trưng của đường dây tải điện và tải không được chứa điện kháng (nghĩa là tải phải không có điện cảm hoặc điện dung). Trong bất kỳ tình huống nào khác, điện áp và dòng điện dao động ở các điểm khác nhau dọc theo đường dây, và SWR không phải là 1.
4. VSWR ảnh hưởng đến hiệu suất trong hệ thống truyền như thế nào
Có nhiều cách VSWR ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống truyền dẫn hoặc bất kỳ hệ thống nào có thể sử dụng tần số vô tuyến và trở kháng giống hệt nhau. Mặc dù VSWR được sử dụng bình thường, cả sóng điện áp và sóng hiện tại đều có thể gây ra sự cố.
· Bộ khuếch đại công suất máy phát có thể bị hỏng: Mức điện áp và dòng điện tăng lên trên bộ nạp do sóng dừng, có thể làm hỏng các bóng bán dẫn đầu ra của máy phát. Các thiết bị bán dẫn rất đáng tin cậy nếu hoạt động trong giới hạn quy định của chúng, nhưng sóng dừng điện áp và dòng điện trên bộ nạp có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng nếu chúng khiến thiết bị hoạt động ngoài giới hạn của chúng.
· Bảo vệ PA giảm công suất đầu ra: Do nguy cơ thực sự của mức SWR cao gây ra hư hỏng cho bộ khuếch đại công suất, nhiều máy phát kết hợp mạch bảo vệ làm giảm đầu ra từ máy phát khi SWR tăng. Điều này có nghĩa là sự kết hợp kém giữa bộ cấp và ăng-ten sẽ dẫn đến SWR cao, làm giảm đầu ra và do đó làm giảm đáng kể công suất truyền.
· Mức điện áp và dòng điện cao có thể làm hỏng bộ nạp: Có thể mức điện áp và dòng điện cao gây ra bởi tỷ lệ sóng đứng cao có thể gây ra hư hỏng cho bộ cấp nguồn. Mặc dù trong hầu hết các trường hợp, bộ nạp sẽ được vận hành tốt trong giới hạn của chúng và có thể đáp ứng được việc tăng gấp đôi điện áp và dòng điện, nhưng có một số trường hợp có thể gây ra hư hỏng. Dòng điện cực đại có thể gây ra hiện tượng nóng cục bộ quá mức có thể làm biến dạng hoặc chảy nhựa được sử dụng và điện áp cao đã được biết là gây ra phóng điện trong một số trường hợp.
· Độ trễ do phản xạ có thể gây ra biến dạng: Khi một tín hiệu bị phản xạ bởi sự không phù hợp, nó sẽ bị phản xạ trở lại nguồn và sau đó có thể bị phản xạ lại về phía ăng-ten. Độ trễ được đưa vào bằng hai lần thời gian truyền của tín hiệu dọc theo bộ trung chuyển. Nếu dữ liệu đang được truyền, điều này có thể gây nhiễu giữa các ký hiệu và trong một ví dụ khác khi truyền hình tương tự, hình ảnh "bóng ma" đã được nhìn thấy.
· Giảm tín hiệu so với hệ thống kết hợp hoàn hảo: Điều thú vị là sự mất mát mức tín hiệu do VSWR kém gần như không lớn như một số người có thể tưởng tượng. Bất kỳ tín hiệu nào được phản xạ bởi tải, sẽ được phản xạ trở lại máy phát và vì sự phù hợp tại máy phát có thể cho phép tín hiệu được phản xạ trở lại ăng-ten, tổn thất phát sinh về cơ bản là do bộ nạp đưa vào. Theo hướng dẫn, đồng trục RG30 dài 213 mét với mức suy hao khoảng 1.5 dB ở 30 MHz sẽ có nghĩa là một ăng-ten hoạt động với VSWR sẽ chỉ cho mức suy hao chỉ hơn 1dB ở tần số này so với một ăng-ten được kết hợp hoàn hảo.
Nhiều phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để đo tỷ số sóng dừng. Phương pháp trực quan nhất sử dụng một đường có rãnh là một đoạn đường dây truyền dẫn có khe hở cho phép đầu dò phát hiện điện áp thực tế tại các điểm khác nhau dọc theo đường dây. Do đó, các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất có thể được so sánh trực tiếp. Phương pháp này được sử dụng ở tần số VHF và cao hơn. Ở tần số thấp hơn, các đường như vậy dài không thực tế. Bộ ghép định hướng có thể được sử dụng ở HF thông qua các tần số vi sóng. Một số có độ dài một phần tư sóng hoặc hơn, điều này hạn chế việc sử dụng chúng ở các tần số cao hơn. Các loại bộ ghép định hướng khác lấy mẫu dòng điện và điện áp tại một điểm duy nhất trên đường truyền và kết hợp chúng theo phương pháp toán học để thể hiện dòng điện chạy theo một hướng. Loại SWR / đồng hồ đo công suất phổ biến được sử dụng trong hoạt động nghiệp dư có thể chứa bộ nối hai hướng. Các loại khác sử dụng một bộ ghép nối duy nhất có thể xoay 180 độ để nguồn mẫu chảy theo một trong hai hướng. Các bộ ghép nối một chiều loại này có sẵn cho nhiều dải tần số và mức công suất và với các giá trị ghép nối thích hợp cho đồng hồ đo tương tự được sử dụng.
Đường có rãnh
Công suất chuyển tiếp và phản xạ được đo bằng bộ ghép định hướng có thể được sử dụng để tính toán SWR. Các phép tính có thể được thực hiện bằng toán học ở dạng tương tự hoặc kỹ thuật số hoặc bằng cách sử dụng các phương pháp đồ họa được tích hợp trong đồng hồ như một thang đo bổ sung hoặc bằng cách đọc từ điểm giao nhau giữa hai kim trên cùng một đồng hồ.
Các dụng cụ đo trên có thể được sử dụng "thẳng hàng" tức là toàn bộ công suất của máy phát có thể đi qua thiết bị đo để cho phép theo dõi liên tục SWR. Các thiết bị khác, chẳng hạn như bộ phân tích mạng, bộ ghép định hướng công suất thấp và cầu ăng-ten sử dụng công suất thấp cho phép đo và phải được kết nối thay cho máy phát. Mạch cầu có thể được sử dụng để đo trực tiếp các phần thực và ảo của trở kháng tải và sử dụng các giá trị đó để tính SWR. Các phương pháp này có thể cung cấp nhiều thông tin hơn là chỉ SWR hoặc chuyển tiếp và phản ánh công suất. Máy phân tích ăng-ten độc lập sử dụng các phương pháp đo khác nhau và có thể hiển thị SWR và các thông số khác được vẽ theo tần số. Bằng cách sử dụng kết hợp các bộ ghép định hướng và cầu nối, có thể tạo ra một thiết bị trực tuyến đọc trực tiếp trong trở kháng phức tạp hoặc trong SWR. Máy phân tích ăng-ten độc lập cũng có sẵn để đo nhiều tham số.
Đồng hồ đo điện
LƯU Ý: Nếu chỉ số SWR của bạn dưới 1, bạn có vấn đề. Bạn có thể có đồng hồ đo SWR không tốt, có vấn đề gì đó với ăng-ten hoặc kết nối ăng-ten hoặc có thể có đài bị hỏng hoặc bị lỗi.
Khi sóng truyền đến một ranh giới như đường giữa đường truyền và tải không tổn hao (Hình 1), một phần năng lượng sẽ được truyền tới tải và một phần sẽ được phản xạ. Hệ số phản xạ liên quan đến sóng tới và sóng phản xạ như:
Γ = V-/V+ (Phương trình 1)
Trong đó V- là sóng phản xạ và V + là sóng tới. VSWR liên quan đến độ lớn của hệ số phản xạ điện áp (Γ) bởi:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Phương trình 2)
Hình 1. Mạch đường truyền minh họa ranh giới sai lệch trở kháng giữa đường truyền và tải. Phản xạ xảy ra ở ranh giới được chỉ định bởi Γ. Sóng tới là V + và sóng phản xạ là V-.
VSWR có thể được đo trực tiếp bằng máy đo SWR. Có thể sử dụng công cụ kiểm tra RF như máy phân tích mạng vector (VNA) để đo hệ số phản xạ của cổng đầu vào (S11) và cổng đầu ra (S22). S11 và S22 tương ứng với Γ tại cổng đầu vào và đầu ra. Các VNA với các chế độ toán học cũng có thể trực tiếp tính toán và hiển thị giá trị VSWR kết quả.
Mất mát trở lại tại các cổng đầu vào và đầu ra có thể được tính từ hệ số phản xạ, S11 hoặc S22, như sau:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (Phương trình 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (Phương trình 4)
Hệ số phản xạ được tính từ trở kháng đặc tính của đường truyền và trở kháng tải như sau:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (Phương trình 5)
Trong đó ZL là trở kháng tải và ZO là trở kháng đặc tính của đường truyền (Hình 1).
VSWR cũng có thể được thể hiện dưới dạng ZL và ZO. Thay thế phương trình 5 thành phương trình 2, chúng ta có được:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Dành cho ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Vì thế:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Phương trình 7)
Chúng tôi đã lưu ý ở trên rằng VSWR là một đặc tả được đưa ra ở dạng tỷ lệ so với 1, như một ví dụ 1.5: 1. Có hai trường hợp đặc biệt của VSWR,: 1 và 1: 1. Một tỷ lệ vô cực với một xảy ra khi tải là một mạch mở. Tỷ lệ 1: 1 xảy ra khi tải hoàn toàn khớp với trở kháng đặc tính đường truyền.
VSWR được xác định từ sóng đứng phát sinh trên chính đường truyền bằng cách:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Phương trình 8)
Trong đó VMAX là biên độ cực đại và VMIN là biên độ tối thiểu của sóng đứng. Với hai sóng siêu áp, cực đại xảy ra với giao thoa tăng cường giữa sóng tới và sóng phản xạ. Như vậy:
VMAX = V + + V- (Phương trình 9)
cho sự can thiệp xây dựng tối đa. Biên độ tối thiểu xảy ra với giao thoa giải cấu trúc, hoặc:
VMIN = V + - V- (Phương trình 10)
Thay thế các phương trình 9 và 10 thành phương trình 8 mang lại
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (Phương trình 11)
Thay thế phương trình 1 thành phương trình 11, chúng ta có được:
Khi sóng điện truyền qua các phần khác nhau của hệ thống ăng-ten (máy thu, đường cấp, ăng-ten, không gian trống), nó có thể gặp phải sự khác biệt về trở kháng. Tại mỗi mặt phân cách, một phần năng lượng của sóng sẽ phản xạ trở lại nguồn, tạo thành sóng dừng trong đường truyền. Tỷ số giữa công suất cực đại và công suất cực tiểu trong sóng có thể được đo và được gọi là tỷ số sóng dừng điện áp (VSWR). VSWR nhỏ hơn 1.5: 1 là lý tưởng, VSWR 2: 1 được coi là chấp nhận được trong các ứng dụng công suất thấp, nơi tổn thất điện năng nghiêm trọng hơn, mặc dù VSWR cao tới 6: 1 vẫn có thể sử dụng được với quyền Trang thiết bị. Chỉ trong trường hợp bạn không quan tâm đến các phương trình toán học, đây là một bảng "cheat sheet" nhỏ để giúp hiểu mối tương quan của VSWR với phần trăm công suất phản xạ sẽ trả về.
VSWR
Điện trở lại
(gần đúng)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. điều gì gây ra VSWR cao?
Nếu VSWR quá cao, có thể có quá nhiều năng lượng bị phản xạ trở lại bộ khuếch đại công suất, gây hỏng mạch bên trong. Trong một hệ thống lý tưởng, sẽ có VSWR là 1: 1. Nguyên nhân của xếp hạng VSWR cao có thể là do sử dụng tải không đúng hoặc một cái gì đó không xác định, chẳng hạn như đường truyền bị hỏng.
