Raportul undelor staționare
Figura 1: Schema de circuit echivalent a unei linii conectate la un generator
Figura 1: Schema de circuit echivalent a unei linii conectate la un generator
Raportul undelor staționare
Raportul undelor staționare (engl.: Standing Wave Ratio, SWR) este o măsură a adaptării unei sarcini (de exemplu, o antenă) la o linie.
Undele staționare apar în linii dacă acestea sunt operate într-un mod neadaptat. Dacă există o potrivire peste tot într-un sistem RF, întreaga putere de la sursă la receptor este transmisă fără pierderi. Cu toate acestea, întrucât în practică nu se poate realiza niciodată o potrivire absolută, tehnologia se ocupă de problemele care apar în cazul nepotrivirii.
Din motive de simplitate, se utilizează două cazuri extreme de nepotrivire:
- linia scurtcircuitată la capăt și
- linia care funcționează în gol la capăt.
Figura 2: Variația tensiunii în timp pe o linie HF (așa-numita undă călătoare)
Figura 2: Variația tensiunii în timp pe o linie HF (așa-numita undă călătoare)
Înainte de a analiza mai în detaliu aceste cazuri speciale, este necesar să se clarifice ce se întâmplă teoretic într-o linie infinit de lungă atunci când se introduce o oscilație RF. Ar trebui să existe o adaptare a puterii (Ri = ZL).
În momentul pornirii, generatorul începe să trimită puterea sa pe linie (a se vedea figura 2). La momentul t = 0, tensiunea trebuie să aibă valoarea minimă. Această valoare a tensiunii se deplasează de-a lungul liniei cu viteza de propagare a undei. Această undă se numește undă călătoare. Ea se caracterizează prin faptul că același semnal poate fi măsurat calitativ în fiecare punct de-a lungul liniei.
Adaptarea liniei
Dacă linia este terminată cu o rezistență Ra care este la fel de mare ca impedanța caracteristică ZL a liniei, întreaga putere este convertită în rezistența Ra.
Dacă linia este scurtcircuitată, întreaga putere de intrare este reflectată. Dacă capătul liniei este deschis, adică rezistența de terminație se apropie de infinit, atunci puterea este, de asemenea, complet reflectată. În acest caz, există, de asemenea, un salt de fază de 180°.
Figura 3: Un cablu nepotrivit conectat la un generator
Figura 3: Un cablu nepotrivit conectat la un generator
Nepotrivire
Ce se întâmplă cu o undă dacă nu există o potrivire, dar nu există nici un scurtcircuit direct sau un circuit deschis, de exemplu cu o rezistență de terminație de 50 Ω pe un sistem de linie de 75 Ω ?
Generatorul furnizează puterea Pgen. Aceasta este împărțită la punctul 1 în conformitate cu următoarea ecuație:
| PRi = PZL = ½ Pgen |
Puterea PZL = Pînainte se deplasează de-a lungul liniei și ajunge la rezistența Ra. Totuși, aceasta este mai mică decât în cazul adaptării. Prin urmare, aceasta nu poate absorbi întreaga putere și nu o poate transforma în căldură. Rămâne o parte din PZL, care este reflectată în punctul 2 și se întoarce la generator sub forma Pspate.
Apoi, și întotdeauna când ZL nu este egal cu Ra, o parte din unda călătoare este reflectată, indiferent dacă Ra > ZL sau Ra < ZL. În acest caz, se vorbește de nepotrivire.
Interferență
Semnalul de ieșire (albastru) și semnalul de întoarcere (albastru deschis) se suprapun. În funcție de poziția de fază a undelor de înaintare și de întoarcere, ambele unde se pot adăuga la una mai mare sau se pot scădea la una mai mică. Ca urmare, pe cablu se formează, la intervale regulate, maxime de tensiune Umax (vârfuri de undă) și minime de tensiune Umin (depresiuni de undă) local constante, la intervale regulate. În cazul unei nepotriviri extreme, de exemplu dacă cablul este deschis sau scurtcircuitat la capăt, are loc o reflexie totală care poate duce la însumarea celor două unde cu o undă de două ori mai mare sau la anularea reciprocă. Deoarece tensiunea undei staționare crește acum la o valoare dublă față de cea a tensiunii de ieșire, această tensiune poate supraîncărca etajul de ieșire din generator dacă este operat incorect și chiar îl poate distruge în anumite circumstanțe.
Figura 4: Crearea unei unde staționare prin suprapunerea undei conducătoare cu unda de întoarcere (reflectată)
Figura 4: Crearea unei unde staționare prin suprapunerea undei conducătoare cu unda de întoarcere (reflectată)
Pentru a înțelege mai bine gradul de nepotrivire în practică, au fost definite factorul de reflexie r și raportul tensiunii undei staționare s (engl.: VSWR = voltage standing wave ratio). Acesta se calculează din raportul dintre tensiunea maximă și cea minimă. Tensiunea maximă corespunde sumei tensiunilor directă și de retur, iar tensiunea minimă se determină din diferența dintre cele două componente de tensiune.
| |r| = | Uspate | = | |Ra-ZL| |
| Uînainte | |Ra+ZL| |
| s = | Umax | = | Uînainte · (1+r) | = | (1+r) |
| Umin | Uînainte · (1-r) | (1-r) |
Un raport de undă staționară de 1,00 corespunde, prin urmare, unei potriviri optime. În cazul nepotrivirilor, valoarea numerică a raportului undelor staționare crește. Un raport de undă staționară de 1,1 până la 1,2 este încă o valoare destul de bună. În cazul unei nepotriviri totale, raportul undelor staționare ajunge la infinit.
Acum apare o problemă de măsurare: semnalul (graficul roșu din Fig. 4) nu poate fi măsurat cu aceeași calitate în fiecare punct de pe linie. Există locuri în care semnalul unei unde staționare poate fi măsurat bine și există locuri în care acesta este mai puțin măsurabil, poate chiar deloc măsurabil.
Deoarece puterea poate fi măsurată mai bine decât tensiunea începând de la aproximativ 1 GHz, în tehnologia de înaltă frecvență se utilizează raportul de putere a undei staționare (PSWR). Cu toate acestea, denumirea este înșelătoare, deoarece distribuția puterii pe cablu nu urmează modelul de tensiune prezentat.