Стоячие волны являются важной проблемой при рассмотрении фидеров / линий передачи, а КСВ или, чаще, коэффициент стоячей волны напряжения, КСВН представляет собой измерение уровня стоячих волн на фидере. Стоячие волны представляют собой мощность, которая не принимается нагрузкой и отражается обратно вдоль линии передачи или фидера.

Хотя стоячие волны и КСВН очень важны, часто теория и расчёты КСВН могут скрыть представление о том, что происходит на самом деле. К счастью, можно получить хорошее представление о теме, не углубляясь слишком глубоко в теорию КСВН.

Основы стоячей волны

При рассмотрении систем, включающих линии передачи, необходимо понимать, что источники, линии передачи / фидеры и нагрузки имеют характеристический импеданс. 50 Ом является очень распространенным стандартом для радиочастотных приложений, хотя в некоторых системах иногда могут наблюдаться другие импедансы.

Для получения максимальной передачи мощности от источника к линии передачи или линии передачи к нагрузке, будь то резистор, вход в другую систему или антенна, уровни импеданса должны совпадать.

Другими словами, для системы 50 Ом источник или генератор сигналов должен иметь сопротивление источника 50 Ом, линия передачи должна быть 50 Ом, а также нагрузка.

Проблемы возникают, когда мощность передаётся в линию передачи или фидер и направляется к нагрузке. Если есть несоответствие, т.е. сопротивление нагрузки не соответствует сопротивлению линии передачи, то передача всей мощности невозможна.

Поскольку мощность не может исчезнуть, мощность, которая не передаётся в нагрузку, должна куда-то уходить, и там она возвращается по линии передачи обратно к источнику.

Когда это происходит, напряжения и токи прямой и отраженной волн в фидере складываются или вычитаются в разных точках вдоль фидера в соответствии с фазами. Таким образом устанавливаются стоячие волны.

Способ, которым возникает эффект, можно продемонстрировать на отрезке верёвки. Если один конец оставить свободным, а другой переместить вверх и вниз, можно увидеть, что движение волны движется вниз вдоль верёвки. Однако, если один конец зафиксирован, устанавливается движение стоячей волны, и можно увидеть точки минимальной и максимальной вибрации.

Когда сопротивление нагрузки ниже, чем импеданс фидера, устанавливаются значения напряжения и тока. Здесь общий ток в точке нагрузки выше, чем у идеально подобранной линии, тогда как напряжение меньше.

Значения тока и напряжения вдоль фидера изменяются вдоль фидера. При малых значениях отражённой мощности форма волны почти синусоидальная, но при больших значениях она становится больше похожей на выпрямленную синусоидальную волну. Эта форма сигнала состоит из напряжения и тока от прямой мощности плюс напряжения и тока от отражённой мощности.

На расстоянии в четверть длины волны от нагрузки объединённые напряжения достигают максимального значения, в то время как ток минимален. На расстоянии половины длины волны от нагрузки напряжение и ток такие же, как и на нагрузке.

Аналогичная ситуация возникает, когда сопротивление нагрузки больше, чем полное сопротивление фидера, однако на этот раз общее напряжение на нагрузке выше, чем значение идеально подобранной линии. Напряжение достигает минимума на расстоянии четверти длины волны от нагрузки, а ток максимален. Однако на расстоянии половины длины волны от нагрузки напряжение и ток такие же, как и на нагрузке.

Затем, когда на конце линии имеется разомкнутая цепь, схема стоячей волны для фидера аналогична схеме короткого замыкания, но с обратными схемами напряжения и тока.

Стоит отметить, что расстояние между пиками на схеме стоячей волны составляет половину длины волны, а не полную длину волны, как некоторые могут ожидать. Это потому, что они представляют собой интерференционную картину между прямым и отражённым сигналами.

Определение КСВН

Определение КСВН обеспечивает основу для всех расчетов и формул.

Коэффициент стоячей волны напряжения, КСВН определяется как отношение максимального к минимальному напряжению на линии без потерь.

Результирующее соотношение обычно выражается в виде отношения, например, 2:1, 5:1 и т.д. Идеальное соответствие составляет 1:1, а полное несоответствие, то есть короткое замыкание или разомкнутая цепь, составляет ∞:1.

На практике на любом фидере или линии передачи есть потери. Для измерения КСВН в этой точке системы определяется прямая и обратная мощность, и это преобразуется в показатель для КСВН. Таким образом, КСВН измеряется в определённой точке, и максимумы и минимумы напряжения не нужно определять по длине линии.

КСВН против КСВ

Термины КСВН и КСВ часто встречаются в литературе о стоячих волнах в радиочастотных системах, и многие спрашивают о разнице.

• КСВ: КСВ означает коэффициент стоячей волны. Он описывает стоячие волны напряжения и тока, которые появляются на линии. Это общее описание как для стоячих волн тока, так и для стоячих волн напряжения. Он часто используется в сочетании со счетчиками, используемыми для определения коэффициента стоячей волны. И ток, и напряжение увеличиваются и уменьшаются в одинаковой пропорции при заданном несоответствии.
• КСВН: коэффициент стоячей волны КСВН или напряжения применяется конкретно к стоячим волнам напряжения, которые установлены на фидере или линии передачи. Поскольку легче обнаружить стоячие волны напряжения, а во многих случаях напряжения более важны с точки зрения выхода устройства из строя, часто используется термин КСВН, особенно в областях радиочастотного проектирования.

Термин «стоячие волны мощности» также встречается несколько раз. Однако это полная ошибка, поскольку прямая и отражённая мощность постоянны (при условии отсутствия потерь в фидере), и мощность не увеличивается и не падает также, как постоянные сигналы напряжения и тока, которые являются суммированием как прямых, так и отражённых элементов.

Типичный измеритель КСВН, используемый с передатчиком

Как КСВН влияет на производительность

Существует несколько способов, с помощью которых КСВН влияет на производительность системы передатчика или любой системы, которая может использовать ВЧ и согласованные импедансы.

Хотя обычно используется термин КСВН, проблемы могут вызывать как стоячие волны напряжения, так и тока. Некоторые из воздействий подробно описаны ниже:

• Усилители мощности передатчика могут быть повреждены: повышенные уровни напряжения и тока, наблюдаемые на фидере в результате стоячих волн, могут повредить выходные транзисторы передатчика. Полупроводниковые устройства очень надежны, если работают в заданных пределах, но стоячие волны напряжения и тока на фидере могут привести к катастрофическим повреждениям, если они заставят устройство работать за их пределами.
• Защита от PA снижает выходную мощность: Ввиду очень реальной опасности того, что высокие уровни КСВ могут привести к повреждению усилителя мощности, многие передатчики включают схемы защиты, которые уменьшают выходную мощность передатчика при повышении КСВ. Это означает, что плохое согласование между фидером и антенной приведет к высокому КСВ, что приведет к снижению выходной мощности и, следовательно, к значительным потерям передаваемой мощности.
• Высокие уровни напряжения и тока могут повредить устройство подачи: Возможно, что высокие уровни напряжения и тока, вызванные высоким коэффициентом стоячей волны, могут привести к повреждению устройства подачи. Хотя в большинстве случаев фидеры будут работать в пределах своих возможностей и удвоение напряжения и тока должно быть возможным, существуют некоторые обстоятельства, когда это может привести к повреждению. Максимальные значения тока могут вызвать чрезмерный локальный нагрев, который может исказить или расплавить используемые пластмассы, а высокие напряжения, как известно, в некоторых случаях вызывают образование дуги.
• Задержки, вызванные отражениями, могут вызывать искажения: когда сигнал отражается из-за несоответствия, он отражается обратно к источнику, а затем может быть отражен обратно к антенне. Вводится задержка, равная удвоенному времени передачи сигнала по фидеру. При передаче данных это может вызвать межсимвольные помехи, а в другом примере, когда передавалось аналоговое телевидение, было видно “призрачное” изображение.
• Уменьшение сигнала по сравнению с системой идеального соответствия: Интересно, что потеря уровня сигнала, вызванная плохим КСВН, далеко не так велика, как некоторые могут себе представить. Любой сигнал, отраженный нагрузкой, отражается обратно на передатчик, и поскольку согласование в передатчике может позволить сигналу снова отражаться обратно на антенну, понесенные потери в основном связаны с потерями, вносимыми фидером. В качестве руководства длина коаксиального кабеля RG213 длиной 30 метров с потерями около 1,5 дБ на частоте 30 МГц будет означать, что антенна, работающая с КСВН, даст потери чуть более 1 дБ на этой частоте по сравнению с идеально подобранной антенной.

Ключевые темы КСВН

Есть несколько тем, которые являются частью основного обзора КСВН. Ряд этих смежных тем приведён ниже:

• Коэффициент отражения: коэффициент отражения — это параметр, который указывает часть сигнала, которая отражается на стыке двух элементов согласованной системы.
• Как измерить КСВН: Одним из ключевых понятий для любого параметра является его измерение. Существует несколько способов измерения КСВН, одним из самых популярных является использование простого измерителя КСВ.
• Обратные потери: обратные потери как параметр тесно связаны с КСВН. На самом деле это мера отражённого сигнала по сравнению с падающим сигналом — это потеря отраженного сигнала по сравнению с падающим, обычно выражаемая в децибелах.

Коэффициент стоячей волны является важным параметром для любой фидерной системы. Хотя устанавливаются как стоячие волны тока, так и напряжения, часто более широко обсуждается коэффициент стоячей волны напряжения, поскольку его легче обнаружить и измерить.

electronics-notes.com