Relación de onda estacionaria

La relación de onda estacionaria (SWR, del inglés Standing Wave Ratio , SWR) es la relación entre el valor más grande de la amplitud de la fuerza del campo eléctrico o magnético de una onda estacionaria en los antinodos de la línea de transmisión y la amplitud en los nodos [ 2] .

SWR es una medida de cómo una carga (como una antena ) se adapta a una línea de transmisión ( alimentador ). La ROE en la línea de transmisión no depende de la resistencia interna de la fuente de ondas electromagnéticas (generador) y (en el caso de una carga lineal) de la potencia del generador. El valor SWR en una línea de transmisión homogénea sin pérdidas es constante a lo largo de toda la línea de transmisión y no depende de su longitud. La ROE afecta:

eficiencia del sistema "línea de transmisión - carga";
el valor máximo de la potencia transmitida por la línea;
Modo de funcionamiento del generador.

Relación con el coeficiente de reflexión

La ROE está relacionada con el módulo del coeficiente de reflexión en una sección dada de la línea de transmisión, estas dos cantidades llevan la misma información. Dado que la distribución desigual de la amplitud de la onda a lo largo de la línea se debe a la interferencia ("suma y resta") de las ondas incidente y reflejada, el valor más grande de la amplitud de la onda a lo largo de la línea (es decir, el valor de la amplitud en el antinodo ) es ${\ estilo de visualización | \ gamma |}$ $A$

A_{\text{inc}}+A_{\text{ref}},

y el valor de amplitud más pequeño (es decir, el valor de amplitud en el nodo) es

A_{\text{inc}}-A_{\text{ref}},

donde es la amplitud de la onda incidente (por ejemplo, ondas de tensión, entonces, o ondas de corriente, entonces ); es la amplitud de la onda reflejada. $A_{\text{inc))$ ${\ estilo de visualización A = U,}$ ${\ estilo de visualización A = yo}$ $A_{\text{ref}}$

Como consecuencia

{\text{KCB}}={\frac {A_{\text{inc}}+A_{\text{ref}}}{A_{\text{inc}}-A_{\text{ref} }}}.

De aquí se sigue la relación de la ROE con el módulo del coeficiente de reflexión para tensión ( ) o corriente ( , : ${\ estilo de visualización | \ gamma |}$ $|\Gamma _{U}|=U_{\text{ref}}/U_{\text{inc}}$ $|\Gamma _{I}|=I_{\text{ref}}/I_{\text{inc}}$ ${\ estilo de visualización | \ Gamma _ {U} | = | \ Gamma _ {I} |)}$

{\text{KCB}}={\frac {1+|\Gamma |}{1-|\Gamma |}}.

En el modo de onda viajera (en este modo, la línea de transmisión se adapta a la carga), no hay onda reflejada (es decir , ) y SWR = 1. $A_{\text{ref}}=0$ ${\ estilo de visualización | \ Gamma _ {U} | = 0}$
En modo de onda mixta ( ), SWR > 1. $A_{\text{ref}}\neq 0$
En el modo de onda estacionaria , cuando (es decir, las amplitudes de las ondas incidente y reflejada son iguales), y la SWR tiende a infinito. $A_{\text{ref}}=A_{\text{inc}}$ ${\ estilo de visualización | \ Gamma _ {U} | = 1}$

En una línea de transmisión sin pérdidas con impedancia de onda cargada sobre una carga puramente resistiva con resistencia $W,$ ${\ estilo de visualización R:}$

en ROE = ${\ estilo de visualización R> W}$ ${\ estilo de visualización R/W;}$
en ROE = ${\ estilo de visualización R <W}$ ${\ estilo de visualización W/R.}$

Por ejemplo, si una línea de transmisión con una impedancia de onda de 50 ohmios se carga en una resistencia puramente activa de 100 ohmios o 25 ohmios , entonces la ROE en la línea será 2.0, mientras que la amplitud de la onda en el antinodo excederá la amplitud de la onda en el nodo dos veces. En el gráfico circular de Volpert-Smith, las líneas de SWR constante son círculos concéntricos, cuyo centro coincide con el centro del gráfico (el centro del gráfico corresponde al valor SWR \u003d 1 ).

En la práctica, SWR se usa ampliamente como una característica de la calidad de la coincidencia y para circuitos con parámetros agrupados, en los que no hay líneas explícitamente largas . En este caso, la indicación del valor SWR es idéntica a la indicación del valor. Por ejemplo, la frase "el valor SWR en la entrada del amplificador es 2.0" significa que el valor del módulo de coeficiente de reflexión de voltaje de la entrada del amplificador cuando está conectado a un generador con una resistencia interna nominal puramente activa es O: la frase "el valor de la ROE de la antena es 2,0" significa que el valor del módulo del coeficiente de reflexión de la entrada del antena cuando es excitada por un generador con una resistencia interna igual a la resistencia nominal de la antena Esto también significa que cuando la antena es excitada a través de una línea de transmisión con una impedancia de onda igual a la resistencia nominal de la antena, la ROE en la transmisión La línea cerca de la antena será 2.0. ${\ estilo de visualización | \ gamma |.}$ ${\ estilo de visualización | \ gamma |}$ ${\ estilo de visualización | \ Gamma | \ aproximadamente 0{,} 33.}$ ${\ estilo de visualización | \ gamma |}$ ${\ estilo de visualización | \ Gamma | \ aproximadamente 0{,} 33.}$

KBV, VSWR y otros coeficientes

El valor SWR es el recíproco de la relación de onda viajera (TWR), que en el pasado se usaba ampliamente en la práctica junto con la SWR.

En una línea de transmisión con onda T (por ejemplo, en una línea de tipo coaxial ), la ROE se puede determinar por el voltaje (como la relación entre el valor más grande de la amplitud del voltaje a lo largo de la línea y el más pequeño, en la práctica el término voltaje se utiliza SWR (VSWR)). De manera similar, en una línea con una onda T, se puede determinar la ROE a partir de la corriente (como la relación de las amplitudes de las corrientes). Los valores de VSWR y VSWR para corriente determinados de esta manera son iguales a VSWR. Para líneas de transmisión con otros tipos de ondas, por ejemplo, para guías de ondas dieléctricas o metálicas , VSWR y VSWR para corriente son difíciles o imposibles de ingresar y usar.

Al medir la amplitud de la intensidad de campo o el voltaje, necesarios para medir la ROE, se utilizan secciones de detectores con diodos , que en el modo de señal débil tienen una característica de corriente-voltaje cercana a la cuadrática . El resultado de la detección es aproximadamente proporcional al cuadrado de la intensidad de campo o la amplitud de tensión medidos, es decir, proporcional a la potencia ramificada desde la línea de transmisión a la sección del detector. En el pasado, para simplificar el procesamiento de los resultados de medición (para no extraer la raíz cuadrada), en lugar de la ROE, la relación de las estimaciones así obtenidas de los cuadrados de las amplitudes (intensidad de campo en la línea, voltaje entre los conductores de línea), que es aproximadamente igual al cuadrado de la ROE. Esta relación no se denominó correctamente "ROE por potencia" . Para separar la SWR (relación de amplitud de la intensidad de campo) "correcta" de tal "KSVR", el término VSWR por voltaje (VSWR) y la designación Kst U todavía se usan ampliamente en lugar de SWR .

Las siguientes abreviaturas se utilizan en la literatura extranjera:

la abreviatura SWR corresponde a la abreviatura SWR ( del inglés standing wave r atio ) ;
VSWR y Kst U - VSWR (del inglés voltage SWR );
SWR para corriente - ISWR (del francés i ntensité de courant - fuerza actual y SWR inglés );
SWR en potencia - PSWR (del inglés power SWR ).

GOST [2] no proporciona el uso de KBV, VSWR, VSWR para corriente, VSWR para potencia .

SWR aceptable

Es deseable que el valor de la ROE en la línea de transmisión sea cercano a la unidad, mientras que la eficiencia máxima del sistema "línea de transmisión - carga" sea igual [3] a la relación de la potencia liberada en la carga a la potencia de la onda incidente entregada por el generador a la línea de transmisión. Los valores de SWR permitidos en la frecuencia operativa o en la banda de frecuencia operativa para varios dispositivos están regulados en especificaciones técnicas y GOST. Los valores SWR generalmente aceptables están entre 1.1 y 2.0. En la ruta de la guía de ondas, los valores de SWR, tanto alcanzables como disponibles en la práctica, son significativamente más bajos (mejores) que en la ruta coaxial y son más predecibles.

El valor SWR depende de muchos factores, en particular:

de la relación entre la impedancia de onda de la línea de transmisión y la resistencia de carga;
de la presencia de inhomogeneidades en la línea de transmisión, por ejemplo, conexiones, daños, curvas de radio pequeño;
en la calidad de la terminación del cable en el conector de alta frecuencia (conector) de la línea de transmisión en el lado de la carga.

Un aumento (es decir, un deterioro) en SWR conduce a un deterioro en la eficiencia del sistema por las siguientes razones principales:

las pérdidas térmicas en la propia línea de transmisión aumentan en comparación con el caso de SWR = 1 (este aumento adicional de las pérdidas es tanto mayor cuanto mayor es la atenuación específica en la línea de transmisión);
Debido a un desajuste entre la carga y la línea de transmisión (la razón del aumento de SWR), el consumo de energía del generador por parte de la carga disminuye (a menudo es incorrecto hablar sobre el reflejo de la energía de la carga y su transferencia por el reflejo ). onda, seguida de absorción en el generador );

Sin embargo, el circuito equivalente del circuito de salida de un dispositivo activo que funciona en modo no lineal (en particular, con corte de corriente) no es "una conexión de una fuente de corriente ideal J y una conductividad compleja constante G con la que se requiere para igualar la carga", ya que los valores de J , G y la potencia vibratoria cambian de manera compleja a medida que cambia la resistencia de la carga. Por lo tanto, si en una línea de transmisión conectada a un generador “sintonizado” (es decir, que le da la máxima potencia a la línea de transmisión), la ROE cambia (empeora o incluso mejora), entonces el generador dará menos potencia a la línea de transmisión. En este sentido, hay un factor adicional:

cambia el modo de funcionamiento del dispositivo activo de la fuente de ondas electromagnéticas, lo cual es un factor negativo que reduce aún más la liberación de potencia en la carga. Este factor puede eliminarse parcialmente colocando un dispositivo de adaptación ("sintonizador de antena") entre el generador y la línea de transmisión; sin embargo, en este caso, aparece una nueva fuente de pérdidas: el propio dispositivo de adaptación, cuya eficiencia disminuye al aumentar la SWR.

Otras consecuencias también son posibles:

ruptura de la línea de transmisión o su fusión en los antinodos de voltaje o corriente;
falla de un amplificador potente (transistor) debido a que el modo de operación va más allá de los límites permitidos: un aumento en la corriente o voltaje en el electrodo de salida puede provocar una falla, un aumento en la potencia disipada puede provocar un sobrecalentamiento; en los rangos de UHF y microondas, los dispositivos no recíprocos se utilizan para proteger los dispositivos activos: válvulas y circuladores que no transmiten la onda reflejada de la carga al generador; sin embargo, con un funcionamiento prolongado con una carga no coincidente, también pueden fallar;
un aumento de la irregularidad de la respuesta de frecuencia del trayecto, que puede manifestarse, en particular, en la distorsión de la forma de los pulsos cortos transmitidos (cuya duración es comparable al tiempo de propagación de la señal en la línea de transmisión) y la manifestación de múltiples reflejos de pulsos cortos (cuya duración es mucho menor que el tiempo de propagación de la señal en la línea de transmisión, similar al efecto reverberación en acústica);
autoexcitación de cascadas interconectadas.

Para reducir la SWR y aumentar la eficiencia, la carga debe adaptarse a la línea de transmisión tanto como sea posible (en este caso, la condición de adaptación significa que la resistencia de la carga es puramente activa e igual a la impedancia característica de la línea de transmisión). Si la calidad de adaptación no es satisfactoria, se utilizan dispositivos de adaptación, que se conectan entre la línea de transmisión y la carga o en la línea de transmisión lo más cerca posible de la carga. Si la eficiencia no es un factor determinante, se pueden usar atenuadores coincidentes .

Medición de SWR

Un dispositivo para medir SWR - SWR meter.

El método directo para medir SWR se basa en el uso de una línea de medición , que mide las amplitudes de la intensidad de campo en el antinodo y el nodo. Este método es históricamente el más antiguo.

Más a menudo, SWR se mide indirectamente utilizando un reflectómetro con la conversión posterior a SWR. En instrumentos de medición más complejos (multifuncionales, generalmente automáticos) basados en reflectómetros, la medición de ROE es una de las funciones (junto con la medición de impedancia, coeficiente de reflexión complejo, parámetros S , potencia). La escala de un reflectómetro diseñado para medir SWR se puede precalibrar en unidades de SWR. Los diseños de reflectómetros utilizados para medir SWR son variados. Los medidores de ROE de paso (sensores) se integran en la línea de transmisión o se colocan a la salida del transmisor de radio , se pueden usar de forma simplificada como parte del circuito de protección del transmisor de radio contra el desajuste de carga. ${\ estilo de visualización | \ gamma |}$

Al medir SWR, tenga en cuenta lo siguiente.

La ROE se determina en estado estacionario cuando se detiene el proceso transitorio en la línea de transmisión que ocurre en el momento en que se enciende el generador (la onda se propaga a lo largo de una línea larga desde el generador hacia la carga, se refleja parcialmente en ella, se propaga en la dirección opuesta al generador, se refleja parcialmente en él, y así sucesivamente). Esta circunstancia debe tenerse en cuenta cuando se planifiquen mediciones de ROE utilizando reflectómetros que operen en el dominio del tiempo.
Al medir la calidad de adaptación de una carga potencialmente no lineal, debe tenerse en cuenta que el resultado puede depender de la potencia de la señal de medición. Por ejemplo, al medir SWR en la entrada de un amplificador, la impedancia de entrada de un dispositivo activo puede depender de su modo de operación y, en particular, de la potencia de la señal de medición. En tales casos, la medición debe realizarse utilizando una señal de medición con una potencia (nominal) bien definida.
En una línea de transmisión con pérdidas, el módulo del coeficiente de reflexión disminuye continuamente a medida que se aleja de la carga y se acerca al generador. Esto se debe a que tanto la onda incidente como la reflejada experimentan atenuación. Por lo tanto, en una línea de transmisión con pérdidas, SWR tiene un significado convencional [3] . El modo de operación en tal línea se puede caracterizar por dos valores SWR: cerca de la carga y cerca del generador. Medir la ROE en el lado del generador sin tener en cuenta la atenuación por unidad de longitud en la línea de transmisión puede conducir a una conclusión incorrecta sobre la alta calidad de la carga que se adapta a la línea de transmisión y a una sobreestimación de la eficiencia de la "línea de transmisión". - sistema de carga".

Por ejemplo, cuando se utiliza un cable PK50-7-15, la atenuación específica en frecuencias CB (alrededor de 27 MHz ) es de 0,04 dB /m , y con una longitud de cable de 40 m, la señal reflejada se atenuará en 3,2 dB . Esto dará como resultado un valor de ROE cerca de la antena de 2,00, el medidor de ROE mostrará un valor de 1,38, con un ROE en la antena de 3,00, el medidor leerá alrededor de 1,63, y así sucesivamente.

Al medir la ROE de una antena sin usar una cámara anecoica de RF , el resultado de la medición puede ser incorrecto si la antena recibe señales de radio de fuentes potentes cercanas, cuya amplitud en la entrada del medidor es comparable a la amplitud de la señal de medición reflejada desde la antena Este problema no es raro en el decámetro y en las bandas de longitudes de onda más largas, donde la altura efectiva de las antenas de tamaño completo es alta. Para mitigar esta influencia, se aumenta la potencia del generador de señales de medición, se incluyen filtros de frecuencia en la ruta y se utilizan otras soluciones de circuitos. Sin embargo, esto no elimina la necesidad de una cámara anecoica, para que la antena no devuelva su propia señal al medidor, reflejada por los objetos circundantes.

Por ejemplo, en medidores de atenuación y VSWR panorámicos domésticos, como X1-43, se utilizó modulación de amplitud de la señal de prueba a una frecuencia de 100 kHz (conmutable), y el voltaje de los detectores pasó a través de un filtro de paso de banda de banda estrecha ( apagado), lo que hizo que los circuitos de recepción fueran selectivos. La desventaja de este método es la disminución en la resolución de frecuencia del medidor, debido al hecho de que en cada punto de barrido específico, no se transmite una señal armónica espectralmente pura (suministrada al dispositivo bajo prueba), sino un espectro de varios cientos de kilohercios. amplio.

El sensor SWR en la salida del transmisor de radio puede dar lecturas incorrectas si la señal contiene armónicos portadores insuficientemente suprimidos (por ejemplo, debido a una sintonización incorrecta del circuito oscilatorio de salida del transmisor de radio) u otras oscilaciones espurias.
El medidor SWR está diseñado para usarse en una ruta con un cierto valor de impedancia de onda. Un intento de medir la ROE en una ruta con un valor de impedancia diferente dará un resultado incorrecto.

Por ejemplo, medir SWR en una ruta de 75 Ω usando un medidor de SWR en una ruta de 50 Ω dará un resultado incorrecto.

Notas

↑ I. Sliusar, V. Slyusar, S. Voloshko, A. Zinchenko, Y. Utkin . Síntesis de una antena de anillo de banda ancha de un diseño de dos cintas Archivado el 22 de octubre de 2020 en Wayback Machine // 12th International Conference on Antenna Theory and Techniques ( ICATT -2020)], 22—27 de junio de 2020, Kharkiv, Ucrania.
↑ 1 2 GOST 18238-72. “Líneas de transmisión de ultra altas frecuencias. Términos y definiciones".
↑ 1 2 Sazonov D. M. Antenas y dispositivos de microondas. proc. para las especialidades de ingeniería de radio de las universidades. - M. : Superior. escuela, 1988. - 432 p.

Enlaces

Tabla de conversión de ROE, coeficiente de reflexión, atenuación inversa y pérdida de retorno

diccionarios y enciclopedias	gran noruego
En catálogos bibliográficos	TIERRA : 4502840-0