Quel est le rapport d'onde stationnaire de tension? Comment calculer VSWR?
"VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), est une mesure de l'efficacité avec laquelle la puissance radiofréquence est transmise d'une source d'alimentation, via une ligne de transmission, à une charge (par exemple, d'un amplificateur de puissance via une ligne de transmission, à une antenne ). " C'est le concept de VSWR. En savoir plus sur VSWR, comme les facteurs d'influence du VSWR, l'impact sur le système de transmission, la différence avec le SWR, etc. Cet article peut vous donner une explication détaillée.
Selon Wikipedia, le rapport d'onde stationnaire (SWR) défini comme:
"une mesure de l'adaptation d'impédance des charges à l'impédance caractéristique d'une ligne de transmission ou d'un guide d'ondes. Les désadaptations d'impédance entraînent des ondes stationnaires le long de la ligne de transmission, et SWR est défini comme le rapport de l'amplitude de l'onde stationnaire partielle à un ventre (maximum) à l'amplitude à un nœud (minimum) le long de la ligne."
Le SWR est généralement mesuré à l'aide d'un instrument dédié appelé Compteur SWR. Étant donné que le ROS est une mesure de l'impédance de charge par rapport à l'impédance caractéristique de la ligne de transmission utilisée (qui ensemble déterminent le coefficient de réflexion comme décrit ci-dessous), un ROS donné peut interpréter l'impédance qu'il voit en termes de ROS uniquement s'il a été conçu pour cette impédance caractéristique particulière. En pratique, la plupart des lignes de transmission utilisées dans ces applications sont des câbles coaxiaux avec une impédance de 50 ou 75 ohms, de sorte que la plupart des ROS correspondent à l'un d'entre eux.
La vérification du ROS est une procédure standard dans une station de radio. Bien que la même information puisse être obtenue en mesurant l'impédance de la charge avec un analyseur d'impédance (ou "pont d'impédance"), le ROS est plus simple et plus robuste à cet effet. En mesurant l'amplitude de la désadaptation d'impédance à la sortie de l'émetteur, cela révèle des problèmes dus soit à l'antenne soit à la ligne de transmission.
Soit dit en passant, si vous pensez que vous n'avez jamais connu d'onde stationnaire personnellement, c'est très peu probable. Les ondes stationnaires dans un four à micro-ondes sont la raison pour laquelle les aliments sont cuits de manière inégale (le plateau tournant est une solution partielle à ce problème). La longueur d'onde du signal de 2.45 GHz est d'environ 12 centimètres, soit environ cinq pouces. Les zéros dans le rayonnement (et le chauffage) seront séparés à une distance similaire à la longueur d'onde.
Le coefficient de réflexion est un paramètre qui décrit la quantité d'onde électromagnétique réfléchie par une discontinuité d'impédance dans le milieu de transmission, égale au rapport de l'amplitude de l'onde réfléchie sur l'onde incidente. Le coefficient de réflexion est une qualité très utile pour déterminer le VSWR ou pour rechercher la correspondance entre, par exemple, un départ et une charge. La lettre grecque Γ est généralement utilisée pour le coefficient de réflexion, bien que σ soit également souvent vu.
Coefficient de reflexion
En utilisant la définition de base du coefficient de réflexion, il peut être calculé à partir d'une connaissance de les tensions incidente et réfléchie.
Où :
Γ = coefficient de réflexion
Vref = tension réfléchie
Vfwd = tension directe
2) Perte de retour et perte de réinsertion
Retour perte est la perte de puissance du signal due à la réflexion ou au retour du signal par une discontinuité dans une liaison à fibre optique ou une ligne de transmission, et son unité d'expression est également en décibels (dB). Cette discordance d'impédance peut être avec un appareil inséré dans la ligne ou avec la charge de terminaison. De plus, la perte de retour est la relation entre le coefficient de réflexion (Γ) et le rapport d'onde stationnaire (SWR), et est toujours un nombre positif, et une perte de retour élevée est un paramètre de mesure favorable, et elle est généralement corrélée à une faible insertion. perte. Incidemment, si vous augmentez la perte de rendement, elle sera corrélée à un SWR inférieur.
La perte de signal, qui se produit le long d'une liaison à fibre optique, est appelée perte d'insertion. La perte d'insertion est cependant un phénomène naturel qui se produit avec tous les types de transmissions, qu'il s'agisse de données ou d'électricité. De plus, comme c'est le cas pour pratiquement toutes les lignes de transmission physiques ou chemins conducteurs, plus le chemin est long, plus la perte est élevée. De plus, ces pertes se produisent également à chaque point de connexion le long de la ligne, y compris les épissures et les connecteurs. Ce paramètre de mesure particulier est exprimé en décibels et doit toujours être un nombre positif. Cependant, devrait, ne signifie pas toujours, et si par hasard, il est négatif, ce n'est pas un paramètre de mesure favorable. Dans certains cas, une perte d'insertion peut apparaître comme une mesure de paramètre négative.
Perte de retour et perte d'insertion
Alors maintenant, examinons le diagramme ci-dessus en détail afin que nous puissions mieux comprendre comment la perte d'insertion et la perte de retour interagissent. Comme vous pouvez le voir, la puissance incidente parcourt une ligne de transmission depuis la gauche jusqu'à ce qu'elle atteigne le composant. Une fois qu'il atteint le composant, une partie du signal est réfléchie sur la ligne de transmission vers la source d'où il provient. N'oubliez pas non plus que cette partie du signal n'entre pas dans le composant.
Le reste du signal entre bien dans le composant. Là, une partie est absorbée et le reste passe à travers le composant dans la ligne de transmission de l'autre côté. La puissance qui sort du composant s'appelle la puissance transmise, et elle est inférieure à la puissance incidente pour deux raisons:
① Une partie du signal est réfléchie.
Le composant absorbe une partie du signal.
Donc, en résumé, nous exprimons la perte d'insertion en décibels, et c'est le rapport de la puissance incidente à la puissance transmise. En outre, nous pouvons résumer cette perte de retour, que nous exprimons également en décibels, est le rapport de la puissance incidente à la puissance réfléchie. Par conséquent, nous pouvons voir comment les deux types de paramètres de mesure des pertes aident à évaluer avec précision l'efficacité globale d'un signal et d'un composant mesurables dans un système ou dans un chemin traversant.
Dans les pratiques électroniques d'aujourd'hui, en termes d'utilisation, l'affaiblissement de réflexion est préférable au ROS car il offre une meilleure résolution pour de plus petites valeurs d'ondes réfléchies.
3) Qu'est-ce que la correspondance d'impédance
La correspondance d'impédance est source de conception ainsi que impédances de charge pour minimiser la réflexion du signal ou maximiser le transfert de puissance. Dans les circuits CC, la source et la charge doivent être égales. Dans les circuits CA, la source doit être égale à la charge ou au complexe conjugué de la charge, selon l'objectif. L'impédance (Z) est une mesure de l'opposition au flux électrique, qui est une valeur complexe, la partie réelle étant définie comme la résistance (R), et la partie imaginaire est appelée la réactance (X). L'équation d'impédance est alors par définition Z = R + jX, où j est l'unité imaginaire. Dans les systèmes CC, la réactance est nulle, donc l'impédance est la même que la résistance.
3. Qu'est-ce que VSWR (rapport d'onde stationnaire de tension)
1) Quelle est la signification de VSWR
Le rapport d'onde stationnaire de tension (VSWR) est une indication du degré de non-concordance entre une antenne et la ligne d'alimentation qui y est connectée. (Cliquez sur ici pour choisir nos produits d'antenne) Ceci est également connu sous le nom de rapport d'onde stationnaire (SWR). La plage de valeurs pour VSWR va de 1 à ∞. Une valeur VSWR inférieure à 2 est considérée convient pour la plupart des applications d'antenne. L'antenne peut être décrite comme ayant une «bonne correspondance». Ainsi, quand quelqu'un dit que l'antenne est mal adaptée, cela signifie très souvent que la valeur VSWR dépasse 2 pour une fréquence d'intérêt. La perte de retour est une autre spécification intéressante et est traitée plus en détail dans la section Théorie de l'antenne. Une conversion couramment requise est entre la perte de retour et le VSWR, et certaines valeurs sont présentées sous forme de tableau dans le graphique, avec un graphique de ces valeurs pour une référence rapide.
Prenons une vidéo rapide sur VSWR!
2) Facteurs Affecte VSWR
· La fréquence
· Masse d'antenne
· Objets métalliques à proximité
· Type de construction d'antenne
· Température
3) SWR contre VSWR contre ISWR contre PSWR
SWR est un concept, c'est-à-dire le rapport d'onde stationnaire. VSWR est en fait la façon dont vous effectuez la mesure, en mesurant les tensions pour déterminer le SWR. Vous pouvez également mesurer le SWR en mesurant les courants ou même la puissance (ISWR et PSWR). Mais dans la plupart des cas, lorsque quelqu'un dit SWR, il veut dire VSWR, dans une conversation commune, ils sont interchangeables.
· SWR: SWR signifie rapport d'ondes stationnaires. Il décrit les ondes stationnaires de tension et de courant qui apparaissent sur la ligne. Il s'agit d'une description générique des ondes stationnaires de courant et de tension. Il est souvent utilisé en association avec des compteurs utilisés pour détecter le taux d'ondes stationnaires. Le courant et la tension montent et descendent dans la même proportion pour un décalage donné. · ROS: Le ROS ou rapport d'onde stationnaire de tension s'applique spécifiquement aux ondes stationnaires de tension qui sont établies sur une ligne d'alimentation ou de transmission. Comme il est plus facile de détecter les ondes stationnaires de tension et que, dans de nombreux cas, les tensions sont plus importantes en termes de panne de l'appareil, le terme VSWR est souvent utilisé, en particulier dans les zones de conception RF.
Dans la plupart des cas, ISWR est identique à VSWR. Dans des conditions idéales, la tension RF sur une ligne de transmission de signal est la même en tous points de la ligne, en négligeant les pertes de puissance causées par la résistance électrique des fils de ligne et les imperfections du matériau diélectrique séparant les conducteurs de ligne. Le ROS idéal est donc de 1:1. (Souvent, la valeur SWR est écrite simplement en fonction du premier nombre, ou numérateur, du rapport car le deuxième nombre, ou dénominateur, est toujours 1.) Lorsque le VSWR est 1, l'ISWR est également 1. Cette condition optimale peut n'existent que lorsque la charge (telle qu'une antenne ou un récepteur sans fil), dans laquelle la puissance RF est fournie, a une impédance identique à l'impédance de la ligne de transmission. Cela signifie que la résistance de charge doit être la même que l'impédance caractéristique de la ligne de transmission et que la charge ne doit contenir aucune réactance (c'est-à-dire que la charge doit être exempte d'inductance ou de capacité). Dans toute autre situation, la tension et le courant fluctuent en divers points le long de la ligne, et le ROS n'est pas 1.
4. Comment VSWR affecte les performances du système de transmission
Le VSWR affecte de nombreuses manières les performances d'un système de transmission ou de tout système pouvant utiliser des fréquences radio et des impédances identiques. Bien que le VSWR soit utilisé normalement, les ondes de tension et de courant peuvent causer des problèmes.
· Les amplificateurs de puissance des émetteurs peuvent être endommagés: Les niveaux accrus de tension et de courant observés sur le départ en raison des ondes stationnaires peuvent endommager les transistors de sortie de l'émetteur. Les dispositifs à semi-conducteurs sont très fiables s'ils fonctionnent dans les limites spécifiées, mais la tension et les ondes stationnaires de courant sur le chargeur peuvent causer des dommages catastrophiques si elles font fonctionner le dispositif en dehors de leurs limites.
· La protection PA réduit la puissance de sortie: Compte tenu du danger très réel de niveaux élevés de SWR causant des dommages à l'amplificateur de puissance, de nombreux émetteurs intègrent des circuits de protection qui réduisent la sortie de l'émetteur lorsque le SWR augmente. Cela signifie qu'une mauvaise correspondance entre le chargeur et l'antenne se traduira par un ROS élevé qui entraîne une réduction de la sortie et donc une perte significative de puissance émise.
· Les niveaux de tension et de courant élevés peuvent endommager le chargeur: Il est possible que les niveaux de tension et de courant élevés causés par le rapport d'ondes stationnaires élevé puissent endommager un départ. Bien que dans la plupart des cas, les départs fonctionneront bien dans leurs limites et que le doublement de la tension et du courant devrait pouvoir être pris en charge, il existe certaines circonstances dans lesquelles des dommages peuvent être causés. Les maxima de courant peuvent provoquer un échauffement local excessif qui pourrait déformer ou faire fondre les plastiques utilisés, et les tensions élevées sont connues pour provoquer des arcs électriques dans certaines circonstances.
· Les retards causés par les reflets peuvent provoquer une distorsion: Lorsqu'un signal est réfléchi par une discordance, il est réfléchi vers la source, puis peut être réfléchi à nouveau vers l'antenne. Un retard est introduit égal à deux fois le temps de transmission du signal le long du départ. Si des données sont transmises, cela peut provoquer des interférences entre symboles, et dans un autre exemple où la télévision analogique était transmise, une image «fantôme» a été vue.
· Réduction du signal par rapport au système parfaitement adapté: Il est intéressant de noter que la perte de niveau de signal causée par un mauvais VSWR n'est pas aussi importante que certains peuvent l'imaginer. Tout signal réfléchi par la charge est réfléchi vers l'émetteur et comme l'adaptation au niveau de l'émetteur peut permettre au signal d'être à nouveau réfléchi vers l'antenne, les pertes encourues sont fondamentalement celles introduites par la ligne d'alimentation. À titre indicatif, une longueur de 30 mètres de câble coaxial RG213 avec une perte d'environ 1.5 dB à 30 MHz signifiera qu'une antenne fonctionnant avec un VSWR ne donnera qu'une perte d'un peu plus de 1 dB à cette fréquence par rapport à une antenne parfaitement adaptée.
De nombreuses méthodes différentes peuvent être utilisées pour mesurer le rapport d'ondes stationnaires. La méthode la plus intuitive utilise une ligne fendue qui est une section de ligne de transmission avec une fente ouverte qui permet à une sonde de détecter la tension réelle à divers points le long de la ligne. Ainsi, les valeurs maximales et minimales peuvent être comparées directement. Cette méthode est utilisée en VHF et aux fréquences supérieures. À des fréquences plus basses, ces lignes sont d'une longueur impraticable. Les coupleurs directionnels peuvent être utilisés en HF jusqu'aux fréquences micro-ondes. Certains sont d'un quart d'onde ou plus long, ce qui limite leur utilisation aux fréquences les plus élevées. D'autres types de coupleurs directionnels échantillonnent le courant et la tension en un seul point du trajet de transmission et les combinent mathématiquement de manière à représenter la puissance circulant dans une direction. Le type courant de SWR/wattmètre utilisé en amateur peut contenir un double coupleur directionnel. D'autres types utilisent un seul coupleur qui peut être tourné à 180 degrés pour échantillonner la puissance circulant dans les deux sens. Les coupleurs unidirectionnels de ce type sont disponibles pour de nombreuses gammes de fréquences et niveaux de puissance et avec des valeurs de couplage appropriées pour le compteur analogique utilisé.
Ligne à fentes
La puissance directe et réfléchie mesurée par des coupleurs directionnels peut être utilisée pour calculer le SWR. Les calculs peuvent être effectués mathématiquement sous forme analogique ou numérique ou en utilisant des méthodes graphiques intégrées au compteur comme échelle supplémentaire ou en lisant à partir du point de croisement entre deux aiguilles sur le même compteur.
Les instruments de mesure ci-dessus peuvent être utilisés "en ligne", c'est-à-dire que la pleine puissance du transmetteur peut passer à travers le dispositif de mesure de manière à permettre une surveillance continue du SWR. D'autres instruments, tels que les analyseurs de réseau, les coupleurs directionnels de faible puissance et les ponts d'antenne utilisent une faible puissance pour la mesure et doivent être connectés à la place de l'émetteur. Les circuits en pont peuvent être utilisés pour mesurer directement les parties réelles et imaginaires d'une impédance de charge et pour utiliser ces valeurs pour dériver le SWR. Ces méthodes peuvent fournir plus d'informations que le SWR ou la puissance directe et réfléchie. Les analyseurs d'antenne autonomes utilisent diverses méthodes de mesure et peuvent afficher le SWR et d'autres paramètres tracés par rapport à la fréquence. En utilisant des coupleurs directionnels et un pont en combinaison, il est possible de fabriquer un instrument en ligne qui lit directement en impédance complexe ou en SWR. Des analyseurs d'antenne autonomes sont également disponibles pour mesurer plusieurs paramètres.
Un compteur de puissance
REMARQUE: Si votre lecture SWR est inférieure à 1, vous avez un problème. Vous pourriez avoir un mauvais compteur SWR, un problème avec votre antenne ou la connexion de l'antenne, ou peut-être une radio endommagée ou défectueuse.
Lorsqu'une onde transmise atteint une limite telle que celle située entre la ligne de transmission sans perte et la charge (Figure 1), une partie de l'énergie sera transmise à la charge et une partie sera reflétée. Le coefficient de réflexion relie les ondes entrantes et réfléchies comme suit:
= V-/V+ (Éq. 1)
Où V- est l'onde réfléchie et V + est l'onde entrante. VSWR est lié à la magnitude du coefficient de réflexion de tension () par:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Éq.2)
Figure 1. Circuit de ligne de transmission illustrant la limite de désadaptation d'impédance entre la ligne de transmission et la charge. Les réflexions se produisent à la limite désignée par Γ. L'onde incidente est V + et l'onde réfléchissante est V-.
Le VSWR peut être mesuré directement avec un compteur SWR. Un instrument de test RF tel qu'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) peut être utilisé pour mesurer les coefficients de réflexion du port d'entrée (S11) et du port de sortie (S22). S11 et S22 sont équivalents à Γ au niveau des ports d’entrée et de sortie, respectivement. Les VNA avec modes mathématiques peuvent également calculer et afficher directement la valeur de VSWR résultante.
La perte de retour au niveau des ports d’entrée et de sortie peut être calculée à partir du coefficient de réflexion S11 ou S22, comme suit:
RLIN = 20log10|S11| dB (Éq. 3)
RLOUT = 20log10|S22| dB (Éq. 4)
Le coefficient de réflexion est calculé à partir de l'impédance caractéristique de la ligne de transmission et de l'impédance de charge comme suit:
Γ = (ZL - ZO) / (ZL + ZO) (Éq.5)
Où ZL est l'impédance de charge et ZO est l'impédance caractéristique de la ligne de transmission (Figure 1).
VSWR peut également être exprimé en termes de ZL et ZO. En substituant l'équation 5 à l'équation 2, on obtient:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Pour ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Donc:
ROS = (ZL + ZO + ZO - ZL)/(ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO/ZL. (Équation 7)
Nous avons noté ci-dessus que VSWR est une spécification donnée sous forme de rapport par rapport à 1, à titre d'exemple 1.5: 1. Il existe deux cas particuliers de VSWR: ∞: 1 et 1: 1. Un rapport de l'infini à un se produit lorsque la charge est un circuit ouvert. Un rapport 1: 1 se produit lorsque la charge correspond parfaitement à l'impédance caractéristique de la ligne de transmission.
Le VSWR est défini à partir de l'onde stationnaire qui se forme sur la ligne de transmission même:
ROS = |VMAX|/|VMIN| (Équation 8)
Où VMAX est l'amplitude maximale et VMIN, l'amplitude minimale de l'onde stationnaire. Avec deux ondes superposées, le maximum se produit avec une interférence constructive entre les ondes entrantes et réfléchies. Ainsi:
VMAX = V+ + V- (Éq. 9)
pour une interférence constructive maximale. L'amplitude minimale se produit avec une interférence déconstructive, ou:
VMIN = V+ - V- (Éq. 10)
En substituant les équations 9 et 10 aux rendements de l'équation 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (Éq.11)
En substituant l'équation 1 dans l'équation 11, on obtient:
Lorsque l'onde électrique traverse les différentes parties du système d'antenne (récepteur, ligne d'alimentation, antenne, espace libre), elle peut rencontrer des différences d'impédance. À chaque interface, une fraction de l'énergie de l'onde sera réfléchie vers la source, formant une onde stationnaire dans la ligne d'alimentation. Le rapport entre la puissance maximale et la puissance minimale dans l'onde peut être mesuré et est appelé rapport d'onde stationnaire de tension (VSWR). Un ROS inférieur à 1.5:1 est idéal, un ROS de 2:1 est considéré comme marginalement acceptable dans les applications à faible puissance où la perte de puissance est plus critique, bien qu'un ROS aussi élevé que 6:1 puisse toujours être utilisable avec le bon équipement. Juste au cas où vous ne vous souciez pas des équations mathématiques, voici un petit tableau de « aide-mémoire » pour vous aider à comprendre la corrélation entre le ROS et le pourcentage de puissance réfléchie qui reviendra.
ROS
Puissance restituée
(approximatif)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2.Qu'est-ce qui cause un ROS élevé ?
Si le VSWR est trop élevé, il pourrait y avoir trop d'énergie réfléchie dans un amplificateur de puissance, ce qui endommagerait les circuits internes. Dans un système idéal, il y aurait un VSWR de 1: 1. Les causes d'un indice VSWR élevé peuvent être l'utilisation d'une charge incorrecte ou de quelque chose d'inconnu comme une ligne de transmission endommagée.
