Основи на радиолокацията

Коефициент на стояща вълна

Коефициентът на стояща вълна (на английски език: Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) на напрежението е мярка за съгласуването на товар (напр. антена) с линия.

Стоящи вълни се появяват в линиите, ако те се експлоатират по несъвместим начин. Ако навсякъде в една радиочестотна система има съгласуване, цялата мощност от източника до приемника се предава без загуби. Тъй като обаче на практика никога не може да се постигне абсолютно съгласуване, технологията се занимава с проблемите, които възникват в случай на несъответствие.

За по-голяма простота се използват два крайни случая на несъответствие:

• линия с късо съединение в края и
• линията, която е празна в края.

Изображение 2: Промяна на напрежението във времето върху ВЧ линия (така наречената «бягаща вълна»)

Изображение 2: Промяна на напрежението във времето върху ВЧ линия (така наречената «бягаща вълна»)

Преди да разгледаме по-подробно тези специални случаи, е необходимо да изясним какво теоретично се случва в една безкрайно дълга линия, когато в нея се подава радиочестотно колебание. Трябва да има съгласуване на мощността (R_i = Z_L).

В момента на включването генераторът започва да изпраща своята мощност към линията (вж. фиг. 2). В момента t = 0 напрежението трябва да има минималната си стойност. Тази стойност на напрежението се движи по линията със скоростта на разпространение на вълната. Тази вълна се нарича «бягаща вълна». Тя се характеризира с това, че един и същ сигнал може да бъде измерен качествено във всяка точка по линията.

Съответствие на линията

Ако линията е завършена със съпротивление R_a, което е толкова голямо, колкото е характерното съпротивление Z_Lна линията, цялата мощност се преобразува в съпротивлението R_a.

Ако линията е свързана накъсо, цялата входяща мощност се отразява. Ако краят на линията е отворен, т.е. терминиращото съпротивление се доближава до безкрайност, тогава мощността също се отразява изцяло. В този случай има и фазов скок от 180°.

R_i =Z_L

P_{обратно}

P_напред

R_a ≠ Z_L

Изображение 3: Несъвместим кабел, свързан към генератор

R_i =Z_L

P_{обратно}

P_напред

R_a ≠ Z_L

Изображение 3: Несъвместим кабел, свързан към генератор

Несъответствие

Какво се случва с една вълна, ако няма несъвпадение, но няма и пряко късо съединение или отворено съединение, напр. при терминиращ резистор от 50 Ω на линейна система от 75 Ω ?

Генераторът подава мощност P_ген. Тя се разделя в точка  1 съгласно следното уравнение:

Мощността P_ZL = P_напред се движи по линията и достига до съпротивлението R_a. Тя обаче е по-малка, отколкото при съгласуване. Поради това то не може да поеме цялата мощност и да я превърне в топлина. Остава част от P_ZL, която се отразява в точка 2 и се връща към генератора като P_{обратно}.

Тогава и винаги, когато Z_L не е равна на R_a, част от пътуващата вълна се отразява, независимо дали R_a > Z_L или R_a < Z_L. В този случай говорим за несъответствие.

Интерференция

Изходящият сигнал (синьо) и връщащият се сигнал (светлосиньо) се припокриват. В зависимост от фазовото положение на изходящата и връщащата се вълна двете вълни могат да се сумират до по-голяма или да се извадят до по-малка. В резултат на това на кабела на равни интервали се образуват локално постоянни максимални стойности на напрежението U_max (върхове на вълната) и минимални стойности на напрежението U_min (спадове на вълната). В случай на екстремно несъответствие, например ако кабелът е отворен или късо съединение в края, се получава пълно отражение, което може да доведе до сумиране на двете вълни до двойно по-голяма вълна или да се анулират взаимно. Тъй като напрежението на стоящата вълна сега се увеличава до два пъти стойността на изходното напрежение, това напрежение може да претовари изходното стъпало в генератора, ако то се експлоатира неправилно, и дори да го унищожи при определени обстоятелства.

Изображение 4: Създаване на стояща вълна чрез наслагване на водещата вълна с връщащата се (отразена) вълна

Изображение 4: Създаване на стояща вълна чрез наслагване на водещата вълна с връщащата се (отразена) вълна

За да се получи по-добра представа за степента на несъответствие в практиката, са определени коефициентът на отражение r и коефициентът на стоящата вълна на напрежение s. Той се изчислява от съотношението между максималното и минималното напрежение. Максималното напрежение съответства на сумата от напрежението в права и обратна посока, а минималното напрежение се изчислява от разликата между двете компоненти на напрежението.

Следователно коефициент на стоящата вълна от 1,00 съответства на оптимално съответствие. При несъответствия числената стойност на съотношението на стоящите вълни се увеличава. Коефициент на стояща вълна от 1,1 до 1,2 все още е сравнително добра стойност. При пълно несъответствие съотношението на стоящите вълни достига до безкрайност.

Сега възниква проблем с измерването: сигналът (червената графика на изобр. 4) не може да бъде измерен с еднакво качество във всяка точка от линията. Има места, където сигналът на стоящата вълна може да се измери добре, и места, където той е по-слабо измерим, а може би дори изобщо не може да се измери.

Тъй като мощността може да се измерва по-добре от напрежението от около 1 GHz, във високочестотната технология се използва коефициентът на мощността на стоящата вълна. Наименованието обаче е подвеждащо, тъй като разпределението на мощността по кабела не следва показаната схема на напрежението.