Коэффициент стоячей волны в радиотехнике и телекоммуникациях

Введение

Измерение, используемое в радиотехнике и телекоммуникациях

В радиотехнике и телекоммуникациях коэффициент стоячей волны (SWR) является мерой согласования импеданса нагрузки с характеристическим импедансом линии передачи или волновода. Несогласованность импедансов приводит к возникновению стоячих волн вдоль линии передачи, а SWR определяется как отношение амплитуды стоячей волны в антиузле (максимум) к амплитуде в узле (минимум) вдоль линии. Коэффициент стоячей волны по напряжению (VSWR) (произносится "визвар") – это отношение максимального к минимальному напряжению на линии передачи. Например, VSWR, равный 1,2, означает, что пиковое напряжение в 1,2 раза превышает минимальное напряжение вдоль этой линии, если длина линии составляет не менее половины длины волны. SWR также может быть определен как отношение максимальной к минимальной амплитуды токов линии передачи, напряженности электрического поля или напряженности магнитного поля. При отсутствии потерь в линии передачи эти соотношения идентичны. Коэффициент мощности стоячей волны (PSWR) определяется как квадрат VSWR, однако этот устаревший термин не имеет прямой физической связи с мощностью, фактически задействованной в передаче. SWR обычно измеряется с помощью специального прибора, называемого измерителем SWR. Поскольку SWR является мерой импеданса нагрузки относительно характеристического импеданса используемой линии передачи (которые вместе определяют коэффициент отражения, как описано ниже), данный измеритель SWR может интерпретировать видимый импеданс в терминах SWR только в том случае, если он разработан для того же конкретного характеристического импеданса, что и линия. На практике большинство линий передачи, используемых в этих приложениях, представляют собой коаксиальные кабели с импедансом 50 или 75 Ом, поэтому большинство измерителей SWR соответствуют одному из этих значений. Проверка SWR является стандартной процедурой на радиостанции. Хотя ту же информацию можно получить, измерив импеданс нагрузки анализатором импеданса (или "импедансным мостом"), измеритель SWR проще и надежнее для этой цели. Измеряя величину рассогласования импеданса на выходе передатчика, можно выявить проблемы, связанные либо с антенной, либо с линией передачи.

In radio engineering and telecommunications, standing wave ratio (SWR) is a measure of impedance matching of loads to the characteristic impedance of a transmission line or waveguide. Impedance mismatches result in standing waves along the transmission line, and SWR is defined as the ratio of the partial standing wave's amplitude at an antinode (maximum) to the amplitude at a node (minimum) along the line. Voltage standing wave ratio (VSWR) (pronounced "vizwar") is the ratio of maximum to minimum voltage on a transmission line For example, a VSWR of 1.2 means a peak voltage 1.2 times the minimum voltage along that line, if the line is at least one half wavelength long. A SWR can be also defined as the ratio of the maximum amplitude to minimum amplitude of the transmission line's currents, electric field strength, or the magnetic field strength. Neglecting transmission line loss, these ratios are identical. The power standing wave ratio (PSWR) is defined as the square of the VSWR, however, this deprecated term has no direct physical relation to power actually involved in transmission. SWR is usually measured using a dedicated instrument called an SWR meter. Since SWR is a measure of the load impedance relative to the characteristic impedance of the transmission line in use (which together determine the reflection coefficient as described below), a given SWR meter can interpret the impedance it sees in terms of SWR only if it has been designed for the same particular characteristic impedance as the line. In practice most transmission lines used in these applications are coaxial cables with an impedance of either 50 or 75 ohms, so most SWR meters correspond to one of these. Checking the SWR is a standard procedure in a radio station. Although the same information could be obtained by measuring the load's impedance with an impedance analyzer (or "impedance bridge"), the SWR meter is simpler and more robust for this purpose. By measuring the magnitude of the impedance mismatch at the transmitter output it reveals problems due to either the antenna or the transmission line.

Соответствие импеданса

SWR используется в качестве меры согласования импеданса нагрузки с характеристическим импедансом линии передачи, несущей радиочастотные (RF) сигналы. Это особенно актуально для линий передачи, соединяющих радиопередатчики и приемники с их антеннами, а также для аналогичных применений RF-кабелей, таких как подключение кабельного телевидения к телевизионным приемникам и распределительным усилителям. Согласование импеданса достигается, когда импеданс источника является комплексно сопряженным импедансу нагрузки. Самый простой способ достижения этого, и способ, который минимизирует потери в линии передачи, заключается в том, чтобы мнимая часть комплексного импеданса как источника, так и нагрузки была равна нулю, то есть чистые сопротивления, равные характеристическому импедансу линии передачи. При рассогласовании импеданса нагрузки и линии передачи часть прямой волны, направленной к нагрузке, отражается обратно по линии передачи к источнику. В этом случае источник видит импеданс, отличный от ожидаемого, что может привести к уменьшению (или, в некоторых случаях, увеличению) поставляемой им мощности, причем результат очень чувствителен к электрической длине линии передачи. Такое рассогласование обычно нежелательно и приводит к возникновению стоячих волн вдоль линии передачи, что увеличивает потери в линии передачи (значительные на более высоких частотах и для более длинных кабелей). SWR является мерой глубины этих стоячих волн и, следовательно, мерой согласования нагрузки с линией передачи. Согласованная нагрузка приведет к SWR 1:1, что означает отсутствие отраженной волны. Бесконечный SWR представляет собой полное отражение от нагрузки, не способной поглощать электрическую мощность, при этом вся падающая мощность отражается обратно к источнику. Важно понимать, что согласование нагрузки с линией передачи отличается от согласования источника с линией передачи или согласования источника с нагрузкой, видимой через линию передачи. Например, если существует идеальное согласование между импедансом нагрузки Zload и импедансом источника, то это идеальное согласование сохранится, если источник и нагрузка соединены через линию передачи с электрической длиной, равной половине длины волны (или кратной половине длины волны), используя линию передачи с любым характеристическим импедансом Z0. Однако SWR обычно не будет равен 1:1, завися только от Zload и Z0. При другой длине линии передачи источник будет видеть импеданс, отличный от Zload, который может быть как хорошим, так и плохим согласованием с источником. Иногда это делается намеренно, например, при использовании четвертьволнового согласующего участка для улучшения согласования между в противном случае несогласованными источником и нагрузкой. Однако типичные RF-источники, такие как передатчики и генераторы сигналов, рассчитаны на работу с чисто резистивным импедансом нагрузки, например, 50 Ом или 75 Ом, что соответствует характеристическим импедансам обычных линий передачи. В этих случаях согласование нагрузки с линией передачи, Zload = Z0, всегда гарантирует, что источник будет видеть тот же импеданс нагрузки, как если бы линии передачи не было. Это эквивалентно SWR 1:1. Это условие (Zload = Z0) также означает, что нагрузка, видимая источником, не зависит от электрической длины линии передачи. Поскольку электрическая длина физического участка линии передачи зависит от частоты сигнала, нарушение этого условия означает, что импеданс, видимый источником через линию передачи, становится функцией частоты (особенно если линия длинная), даже если Zload не зависит от частоты. Таким образом, на практике хороший SWR (близкий к 1:1) означает, что выход передатчика видит именно тот импеданс, который он ожидает для оптимальной и безопасной работы.

SWR is used as a measure of impedance matching of a load to the characteristic impedance of a transmission line carrying radio frequency (RF) signals. This especially applies to transmission lines connecting radio transmitters and receivers with their antennas, as well as similar uses of RF cables such as cable television connections to TV receivers and distribution amplifiers. Impedance matching is achieved when the source impedance is the complex conjugate of the load impedance. The easiest way of achieving this, and the way that minimizes losses along the transmission line, is for the imaginary part of the complex impedance of both the source and load to be zero, that is, pure resistances, equal to the characteristic impedance of the transmission line. When there is a mismatch between the load impedance and the transmission line, part of the forward wave sent toward the load is reflected back along the transmission line towards the source. The source then sees a different impedance than it expects which can lead to lesser (or in some cases, more) power being supplied by it, the result being very sensitive to the electrical length of the transmission line. Such a mismatch is usually undesired and results in standing waves along the transmission line which magnifies transmission line losses (significant at higher frequencies and for longer cables). The SWR is a measure of the depth of those standing waves and is, therefore, a measure of the matching of the load to the transmission line. A matched load would result in an SWR of 1:1 implying no reflected wave. An infinite SWR represents complete reflection by a load unable to absorb electrical power, with all the incident power reflected back towards the source. It should be understood that the match of a load to the transmission line is different from the match of a source to the transmission line or the match of a source to the load seen through the transmission line. For instance, if there is a perfect match between the load impedance Zload and the source impedance that perfect match will remain if the source and load are connected through a transmission line with an electrical length of one half wavelength (or a multiple of one half wavelengths) using a transmission line of any characteristic impedance Z0. However the SWR will generally not be 1:1, depending only on Zload and Z0. With a different length of transmission line, the source will see a different impedance than Zload which may or may not be a good match to the source. Sometimes this is deliberate, as when a quarter wave matching section is used to improve the match between an otherwise mismatched source and load. However typical RF sources such as transmitters and signal generators are designed to look into a purely resistive load impedance such as 50Ω or 75Ω, corresponding to common transmission lines' characteristic impedances. In those cases, matching the load to the transmission line, Zload Z0, always ensures that the source will see the same load impedance as if the transmission line weren't there. This is identical to a 1:1 SWR. This condition (Zload Z0) also means that the load seen by the source is independent of the transmission line's electrical length. Since the electrical length of a physical segment of transmission line depends on the signal frequency, violation of this condition means that the impedance seen by the source through the transmission line becomes a function of frequency (especially if the line is long), even if Zload is frequency independent. So in practice, a good SWR (near 1:1) implies a transmitter's output seeing the exact impedance it expects for optimum and safe operation.

Коэффициент мощности стоячей волны

Термин коэффициент мощности стоячей волны (PSWR) иногда используется и определяется как квадрат коэффициента отражения по напряжению (КСВН). Этот термин широко критикуется как "вводящий в заблуждение". Однако он соответствует одному из способов измерения КСВН с использованием прорезанной линии – прибора, ранее являвшегося стандартным для измерений на микроволновых частотах. Прорезанная линия представляет собой волновод (или коаксиальную линию, заполненную воздухом), в которой небольшая зондирующая антенна, являющаяся частью кристаллического детектора, размещается в электрическом поле линии. Напряжение, индуцированное в антенне, выпрямляется точечным контактным диодом (кристаллическим выпрямителем) или барьерным диодом Шоттки, встроенным в детектор. Эти детекторы демонстрируют выходной сигнал, подчиняющийся квадратичному закону при низких уровнях входного сигнала. Следовательно, показания соответствовали квадрату электрического поля вдоль прорези, E²(x), с максимальными и минимальными значениями E²max и E²min, определяемыми при перемещении зонда вдоль прорези. Отношение этих значений дает квадрат КСВН, так называемый PSWR. Этот подход к рационализации терминов сопряжен с рядом проблем. Квадратичное поведение диода-детектора наблюдается только при напряжении на диоде ниже его коленного уровня. Как только обнаруженное напряжение превышает колено, характеристика диода становится почти линейной. В этом режиме диод и связанный с ним фильтрующий конденсатор генерируют напряжение, пропорциональное пиковому значению измеренного напряжения. Оператор такого детектора не имеет возможности определить, в каком режиме работает диод, и поэтому дифференцировать результаты, соответствующие КСВН или так называемому PSWR, непрактично. Еще хуже, когда минимальное обнаруженное напряжение ниже колена, а максимальное – выше. В этом случае вычисленные результаты практически не имеют смысла. Таким образом, термины PSWR и Power Standing Wave Ratio не рекомендуются к использованию и должны рассматриваться только в контексте устаревших измерений.

Влияние СВР на медицинские приложения

КСВ также может негативно сказываться на производительности медицинских применений, основанных на микроволновых технологиях. В микроволновой электрохирургии антенна, помещенная непосредственно в ткани, может не всегда иметь оптимальное согласование с линией передачи, что приводит к возникновению КСВ. Наличие КСВ может влиять на работу контрольных компонентов, используемых для измерения уровней мощности, и, как следствие, на достоверность этих измерений.