Qual é a relação da onda permanente de tensão? Como calcular VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), é uma medida de quão eficientemente a energia de radiofrequência é transmitida de uma fonte de energia, através de uma linha de transmissão, para uma carga (por exemplo, de um amplificador de potência através de uma linha de transmissão, para uma antena ). " Este é o conceito de VSWR. Mais sobre o VSWR, como os fatores que influenciam o VSWR, o impacto no sistema de transmissão, a diferença com o SWR, etc. Este artigo pode lhe dar uma explicação detalhada.
De acordo com a Wikipedia, a razão de ondas estacionárias (SWR) é definida como:
"uma medida de combinação de impedância de cargas com a impedância característica de uma linha de transmissão ou guia de ondas. As incompatibilidades de impedância resultam em ondas estacionárias ao longo da linha de transmissão, e SWR é definido como a razão da amplitude da onda estacionária parcial em um antinó (máximo) para a amplitude em um nó (mínimo) ao longo da linha. "
SWR é geralmente medido usando um instrumento dedicado chamado de Medidor de cabos de aço. Uma vez que SWR é uma medida da impedância de carga relativa à impedância característica da linha de transmissão em uso (que juntos determinam o coeficiente de reflexão conforme descrito abaixo), um determinado medidor de SWR pode interpretar a impedância que vê em termos de SWR apenas se tiver foi projetado para aquela impedância característica particular. Na prática, a maioria das linhas de transmissão usadas nessas aplicações são cabos coaxiais com impedância de 50 ou 75 ohms, de modo que a maioria dos medidores de SWR correspondem a um deles.
Verificar o SWR é um procedimento padrão em uma estação de rádio. Embora a mesma informação possa ser obtida medindo a impedância da carga com um analisador de impedância (ou "ponte de impedância"), o medidor SWR é mais simples e robusto para este propósito. Ao medir a magnitude da diferença de impedância na saída do transmissor, ele revela problemas devido à antena ou à linha de transmissão.
A propósito, se você acha que nunca experimentou uma onda estacionária pessoalmente, é muito improvável. As ondas estacionárias em um forno de micro-ondas são a razão pela qual os alimentos são cozidos de maneira desigual (o prato giratório é uma solução parcial para esse problema). O comprimento de onda do sinal de 2.45 GHz é de cerca de 12 centímetros, ou cerca de cinco polegadas. Nulos na radiação (e aquecimento) serão separados a uma distância semelhante ao comprimento de onda.
O coeficiente de reflexão é um parâmetro que descreve o quanto de uma onda eletromagnética é refletido por uma descontinuidade de impedância no meio de transmissão, igualando a razão da amplitude da onda refletida para a onda incidente. O coeficiente de reflexão é uma qualidade muito útil ao determinar VSWR ou investigar a correspondência entre, por exemplo, um alimentador e uma carga. A letra grega Γ é normalmente usada para coeficiente de reflexão, embora σ também seja freqüentemente vista.
Coeficiente de reflexão
Usando a definição básica do coeficiente de reflexão, ele pode ser calculado a partir do conhecimento de as tensões incidente e refletida.
Perda de retorno é a perda de potência do sinal devido à reflexão ou retorno do sinal por uma descontinuidade em um link de fibra ótica ou linha de transmissão, e sua unidade de expressão também é em decibéis (dBs). Essa diferença de impedância pode ser com um dispositivo inserido na linha ou com a carga de terminação. Além disso, a perda de retorno é a relação entre o coeficiente de reflexão (Γ) e a razão da onda estacionária (SWR), e é sempre um número positivo, e uma perda de retorno alta é um parâmetro de medição favorável e normalmente se correlaciona com uma inserção baixa perda. A propósito, se você aumentar a perda de retorno, ela se correlacionará com um SWR mais baixo.
A perda de sinal, que ocorre ao longo do comprimento de um link de fibra óptica, é chamado de perda de inserção. A perda de inserção é, no entanto, uma ocorrência natural que ocorre com todos os tipos de transmissões, sejam de dados ou elétricas. Além disso, como acontece basicamente com todas as linhas de transmissão físicas ou caminhos condutores, quanto mais longo o caminho, maior a perda. Além disso, essas perdas também ocorrem em cada ponto de conexão ao longo da linha, incluindo emendas e conectores. Este parâmetro de medição particular é expresso em decibéis e deve ser sempre um número positivo. No entanto, deveria, não significa sempre e, se por acaso for negativo, esse não é um parâmetro de medição favorável. Em alguns casos, uma perda de inserção pode aparecer como uma medição de parâmetro negativo.
Perda de retorno e perda de inserção
Portanto, agora, vamos examinar o diagrama acima em detalhes para que possamos obter uma melhor compreensão de como a perda de inserção e a perda de retorno interagem. Como você pode ver, a energia incidente viaja por uma linha de transmissão da esquerda até chegar ao componente. Assim que atinge o componente, uma parte do sinal é refletida de volta pela linha de transmissão em direção à fonte de onde veio. Além disso, lembre-se de que essa parte do sinal não entra no componente.
O restante do sinal realmente entra no componente. Lá, uma parte é absorvida e o resto passa pelo componente para a linha de transmissão do outro lado. A potência que sai do componente é chamada de potência transmitida, e é menor do que a potência incidente por dois motivos:
① Uma parte do sinal é refletida.
② O componente absorve uma parte do sinal.
Portanto, em resumo, expressamos a perda de inserção em decibéis, e é a razão entre a potência incidente e a potência transmitida. Além disso, podemos resumir que a perda de retorno, que também expressamos em decibéis, é a razão entre a potência incidente e a potência refletida. Portanto, podemos ver como os dois tipos de parâmetros de medição de perda ajudam a medir com precisão a eficiência geral de um sinal mensurável e componente dentro de um sistema ou em um caminho de passagem.
Nas práticas eletrônicas de hoje, em termos de uso, a perda de retorno é preferível a SWR, uma vez que oferece melhor resolução para valores menores de ondas refletidas.
3) O que é correspondência de impedância
A correspondência de impedância é fonte de design e impedâncias de carga para minimizar a reflexão do sinal ou maximizar a transferência de energia. Em circuitos CC, a fonte e a carga devem ser iguais. Em circuitos CA, a fonte deve ser igual à carga ou ao complexo conjugado da carga, dependendo do objetivo. A impedância (Z) é uma medida da oposição ao fluxo elétrico, que é um valor complexo com a parte real sendo definida como a resistência (R), e a parte imaginária é chamada de reatância (X). A equação para impedância é então, por definição, Z = R + jX, onde j é a unidade imaginária. Em sistemas DC, a reatância é zero, então a impedância é a mesma que a resistência.
A Taxa de Onda Permanente de Tensão (VSWR) é uma indicação da quantidade de incompatibilidade entre uma antena e a linha de alimentação conectada a ela. (Clique SUA PARTICIPAÇÃO FAZ A DIFERENÇA para escolher nossos produtos de antenas) Isso também é conhecido como Standing Wave Ratio (SWR). O intervalo de valores para VSWR é de 1 a ∞. Um valor VSWR abaixo de 2 é considerado adequado para a maioria das aplicações de antena. A antena pode ser descrita como tendo uma “boa combinação”. Então, quando alguém diz que a antena está mal combinada, muitas vezes isso significa que o valor de VSWR ultrapassa 2 para uma frequência de interesse. A perda de retorno é outra especificação de interesse e é abordada com mais detalhes na seção Teoria da Antena. Uma conversão comumente necessária é entre perda de retorno e VSWR, e alguns valores são tabulados no gráfico, junto com um gráfico desses valores para referência rápida.
Vamos fazer um vídeo rápido sobre VSWR!
2) fatores Afeta VSWR
· Frequência
· Antena aterrada
· Objetos de metal próximos
· Tipo de construção da antena
· Temperatura
3) SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR
SWR é um conceito, ou seja, a relação da onda estacionária. VSWR é realmente como você faz a medição, medindo as tensões para determinar o SWR. Você também pode medir o SWR medindo as correntes ou mesmo a potência (ISWR e PSWR). Mas para a maioria das intenções e propósitos, quando alguém diz SWR, quer dizer VSWR, na conversa comum eles são intercambiáveis.
· SWR: SWR significa proporção da onda estacionária. Ele descreve as ondas estacionárias de tensão e corrente que aparecem na linha. É uma descrição genérica para ondas estacionárias de corrente e tensão. É frequentemente usado em associação com medidores usados para detectar a proporção da onda estacionária. Tanto a corrente quanto a tensão aumentam e diminuem na mesma proporção para uma determinada incompatibilidade. · VSWR: O VSWR ou relação de onda estacionária de tensão se aplica especificamente às ondas estacionárias de tensão que são configuradas em um alimentador ou linha de transmissão. Como é mais fácil detectar as ondas estacionárias de tensão e, em muitos casos, as tensões são mais importantes em termos de quebra do dispositivo, o termo VSWR é frequentemente usado, especialmente em áreas de design de RF.
Para a maioria dos propósitos práticos, ISWR é o mesmo que VSWR. Em condições ideais, a tensão de RF em uma linha de transmissão de sinal é a mesma em todos os pontos da linha, desprezando as perdas de potência causadas por resistência elétrica nos fios da linha e imperfeições no material dielétrico que separa os condutores da linha. O VSWR ideal é, portanto, 1: 1. (Freqüentemente, o valor SWR é escrito simplesmente em termos do primeiro número, ou numerador, da razão porque o segundo número, ou denominador, é sempre 1.) Quando o VSWR é 1, o ISWR também é 1. Esta condição ótima pode existem apenas quando a carga (como uma antena ou um receptor sem fio), na qual a energia de RF é fornecida, tem uma impedância idêntica à impedância da linha de transmissão. Isso significa que a resistência da carga deve ser igual à impedância característica da linha de transmissão e a carga não deve conter reatância (ou seja, a carga deve estar livre de indutância ou capacitância). Em qualquer outra situação, a tensão e a corrente flutuam em vários pontos ao longo da linha, e o SWR não é 1.
4. Como VSWR afeta o desempenho no sistema de transmissão
O VSWR afeta o desempenho de um sistema de transmissão ou de qualquer sistema que use frequências de rádio e impedâncias idênticas de muitas maneiras. Embora o VSWR seja usado normalmente, as ondas de tensão e corrente podem causar problemas.
· Os amplificadores de potência do transmissor podem ser danificados: Os níveis aumentados de tensão e corrente vistos no alimentador como resultado das ondas estacionárias podem danificar os transistores de saída do transmissor. Dispositivos semicondutores são muito confiáveis se operados dentro de seus limites especificados, mas as ondas estacionárias de tensão e corrente no alimentador podem causar danos catastróficos se fizerem com que o dispositivo opere fora de seus limites.
· A proteção PA reduz a potência de saída: Em vista do perigo real de altos níveis de SWR causando danos ao amplificador de potência, muitos transmissores incorporam circuitos de proteção que reduzem a saída do transmissor conforme o SWR aumenta. Isso significa que uma combinação inadequada entre o alimentador e a antena resultará em um ROE alto que faz com que a saída seja reduzida e, portanto, uma perda significativa na potência transmitida.
· Níveis de alta tensão e corrente podem danificar o alimentador: É possível que os níveis de alta tensão e corrente causados pela alta taxa de onda estacionária possam causar danos a um alimentador. Embora na maioria dos casos os alimentadores funcionem bem dentro de seus limites e a duplicação da tensão e da corrente deva ser acomodada, há algumas circunstâncias em que podem ser causados danos. Os máximos atuais podem causar aquecimento local excessivo que pode distorcer ou derreter os plásticos usados, e as altas tensões são conhecidas por causar arco em algumas circunstâncias.
· Atrasos causados por reflexos podem causar distorção: Quando um sinal é refletido por incompatibilidade, ele é refletido de volta para a fonte e pode então ser refletido de volta para a antena. Um atraso é introduzido igual a duas vezes o tempo de transmissão do sinal ao longo do alimentador. Se os dados estiverem sendo transmitidos, isso pode causar interferência entre os símbolos e, em outro exemplo em que a televisão analógica estava sendo transmitida, uma imagem “fantasma” foi vista.
· Redução do sinal em comparação com o sistema de combinação perfeita: Curiosamente, a perda de nível de sinal causada por um VSWR deficiente não é tão grande quanto alguns podem imaginar. Qualquer sinal refletido pela carga é refletido de volta para o transmissor e como a correspondência no transmissor pode permitir que o sinal seja refletido de volta para a antena novamente, as perdas incorridas são fundamentalmente aquelas introduzidas pelo alimentador. Como guia, um comprimento de 30 metros de coaxial RG213 com uma perda de cerca de 1.5 dB a 30 MHz significa que uma antena operando com um VSWR dará apenas uma perda de pouco mais de 1dB nesta frequência em comparação com uma antena perfeitamente combinada.
Muitos métodos diferentes podem ser usados para medir a proporção da onda estacionária. O método mais intuitivo usa uma linha com fenda que é uma seção da linha de transmissão com um slot aberto que permite a uma sonda detectar a tensão real em vários pontos ao longo da linha. Assim, os valores máximo e mínimo podem ser comparados diretamente. Este método é usado em VHF e frequências mais altas. Em frequências mais baixas, essas linhas são invariavelmente longas. Os acopladores direcionais podem ser usados em HF por meio de frequências de micro-ondas. Alguns têm um quarto de onda ou mais, o que restringe seu uso às frequências mais altas. Outros tipos de acopladores direcionais amostram a corrente e a tensão em um único ponto no caminho de transmissão e os combinam matematicamente de modo a representar a potência fluindo em uma direção. O tipo comum de medidor de SWR / potência usado na operação amadora pode conter um acoplador direcional duplo. Outros tipos usam um único acoplador que pode ser girado 180 graus para amostrar o fluxo de energia em qualquer direção. Acopladores unidirecionais desse tipo estão disponíveis para muitas faixas de frequência e níveis de potência e com valores de acoplamento apropriados para o medidor analógico usado.
Linha com Fenda
A potência direta e refletida medida por acopladores direcionais pode ser usada para calcular a ROE. Os cálculos podem ser feitos matematicamente na forma analógica ou digital ou usando métodos gráficos integrados ao medidor como uma escala adicional ou pela leitura do ponto de cruzamento entre duas agulhas no mesmo medidor.
Os instrumentos de medição acima podem ser usados "em linha", ou seja, a potência total do transmissor pode passar pelo dispositivo de medição de modo a permitir o monitoramento contínuo de SWR. Outros instrumentos, como analisadores de rede, acopladores direcionais de baixa potência e pontes de antena usam baixa potência para a medição e devem ser conectados no lugar do transmissor. Os circuitos de ponte podem ser usados para medir diretamente as partes reais e imaginárias de uma impedância de carga e usar esses valores para derivar SWR. Esses métodos podem fornecer mais informações do que apenas SWR ou potência direta e refletida. Analisadores de antena autônomos usam vários métodos de medição e podem exibir SWR e outros parâmetros plotados em relação à frequência. Usando acopladores direcionais e uma ponte em combinação, é possível fazer um instrumento em linha que lê diretamente em impedância complexa ou em SWR. Também estão disponíveis analisadores de antena independentes que medem vários parâmetros.
Um medidor de energia
NOTA: Se sua leitura de SWR estiver abaixo de 1, você tem um problema. Você pode ter um medidor de SWR ruim, algo errado com sua antena ou conexão da antena, ou possivelmente um rádio danificado ou com defeito.
Quando uma onda transmitida atinge um limite como aquele entre a linha de transmissão sem perdas e a carga (Figura 1), alguma energia será transmitida para a carga e outra será refletida. O coeficiente de reflexão relaciona as ondas recebidas e refletidas como:
Γ = V-/V+ (Equação 1)
Onde V- é a onda refletida e V + é a onda de entrada. O VSWR está relacionado à magnitude do coeficiente de reflexão de tensão (Γ) por:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Eq. 2)
Figura 1. Circuito da linha de transmissão ilustrando o limite da diferença de impedância entre a linha de transmissão e a carga. As reflexões ocorrem no limite designado por Γ. A onda incidente é V + e a onda reflexiva é V-.
O VSWR pode ser medido diretamente com um medidor de cabos de aço. Um instrumento de teste de RF, como um analisador de rede vetorial (VNA), pode ser usado para medir os coeficientes de reflexão da porta de entrada (S11) e da porta de saída (S22). S11 e S22 são equivalentes a Γ na porta de entrada e saída, respectivamente. Os VNAs com modos matemáticos também podem calcular e exibir diretamente o valor VSWR resultante.
A perda de retorno nas portas de entrada e saída pode ser calculada a partir do coeficiente de reflexão, S11 ou S22, da seguinte maneira:
RLIN = 20log10 | S11 | dB (Eq. 3)
RLOUT = 20log10 | S22 | dB (Eq. 4)
O coeficiente de reflexão é calculado a partir da impedância característica da linha de transmissão e da impedância de carga da seguinte forma:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (Eq. 5)
Onde ZL é a impedância da carga e ZO é a impedância característica da linha de transmissão (Figura 1).
O VSWR também pode ser expresso em termos de ZL e ZO. Substituindo a Equação 5 pela Equação 2, obtemos:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Para ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Assim sendo:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Eq. 7)
Observamos acima que o VSWR é uma especificação dada na forma de proporção em relação ao 1, como um exemplo 1.5: 1. Existem dois casos especiais de VSWR, ∞: 1 e 1: 1. Uma proporção de infinito para um ocorre quando a carga é um circuito aberto. Uma proporção de 1: 1 ocorre quando a carga é perfeitamente compatível com a impedância característica da linha de transmissão.
O VSWR é definido a partir da onda estacionária que surge na própria linha de transmissão por:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Eq. 8)
Onde VMAX é a amplitude máxima e VMIN é a amplitude mínima da onda estacionária. Com duas ondas superimpostas, o máximo ocorre com interferência construtiva entre as ondas recebidas e refletidas. Portanto:
VMAX = V + + V- (Eq. 9)
para máxima interferência construtiva. A amplitude mínima ocorre com interferência desconstrutiva, ou:
VMIN = V + - V- (Eq. 10)
Substituir as Equações 9 e 10 na Equação 8 produz
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (Eq. 11)
Substituindo a Equação 1 pela Equação 11, obtemos:
Conforme a onda elétrica viaja pelas diferentes partes do sistema de antena (receptor, linha de alimentação, antena, espaço livre), ela pode encontrar diferenças nas impedâncias. Em cada interface, alguma fração da energia da onda será refletida de volta para a fonte, formando uma onda estacionária na linha de alimentação. A relação entre a potência máxima e a potência mínima na onda pode ser medida e é chamada de relação da onda estacionária de tensão (VSWR). Um VSWR de menos de 1.5: 1 é ideal, um VSWR de 2: 1 é considerado marginalmente aceitável em aplicações de baixa potência onde a perda de potência é mais crítica, embora um VSWR tão alto quanto 6: 1 ainda possa ser usado com o direito equipamento. Apenas no caso de você não se importar com equações matemáticas, aqui está uma pequena tabela de “cheat sheet” para ajudar a entender a correlação de VSWR com a porcentagem de potência refletida que retornará.
VSWR
Poder Devolvido
(aproximado)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2. O que causa alto VSWR?
Se o VSWR estiver muito alto, pode haver muita energia refletida de volta para um amplificador de potência, causando danos aos circuitos internos. Em um sistema ideal, haveria um VSWR de 1: 1. As causas de uma classificação de VSWR alta podem ser o uso de uma carga inadequada ou algo desconhecido, como uma linha de transmissão danificada.
