Импеданс и съотношение на постоянна вълна. Импеданс и съотношение на постоянна вълна.

Въведение

Когато разглеждаме радиооборудването, често виждаме термини като характеристичен импеданс, импеданс на антената, импеданс на предавателя и т.н. Тази статия обяснява значението на съвпадението на импедансите при изграждането на радиосистема и значението на VSWR (съотношение на постоянна вълна на напрежението).

Какво е импеданс?

В електрическите вериги терминът съпротивление, R (или омично съпротивление) се използва за описание на елементи, които възпрепятстват потока на електрони във верига, например резистори.

Въпреки това, тъй като радиото използва високочестотни RF, които съставят вариращи във времето синусоидални напрежения и токове, трябва да вземем предвид не само съпротивлението, но и реактивното съпротивление (обозначено със символа "X").

Реактивните елементи в RF схемите се състоят от кондензатори (произвеждащи отрицателно съпротивление) и индуктори (произвеждащи положително съпротивление). Терминът "импеданс" обикновено се отнася до комбинираното общо съпротивление и реактивно съпротивление. В сложна нотация това е:

Z.Ω ] Xj

Тъй като реактивното съпротивление представлява „складирана енергия“, то не е особено полезно. Съпротивлението R (обикновено наричано радиационно съпротивление), което представлява преобразуване в радиочестотна енергия, искаме да увеличим тази стойност.

Импеданси на антената и кабела

След като обяснихме наличието на индуктивност и реактивност на капацитета, които допринасят за общия импеданс на RF веригата, можем да започнем да разбираме импеданса за всички RF компоненти.

Предавателните линии като коаксиалните кабели се състоят от вътрешен проводник и външен проводник (или щит), както е показано по-долу.

Въпреки че физически има само 2 проводника, към предавател той вижда кабел, привидно направен от разпределена индуктивност и капацитет, както е показано в еквивалентната схема. С други думи, преносната линия има характерен импеданс, Zo . Характеристичните импеданси на кабела могат да имат всякаква стойност и зависят от размерите и диелектричните свойства на кабела. Но най-често те се продават като 50 или 75Ω със стойността, отпечатана на външното яке, както е показано.

Защо съвпадението на импеданса е важно тук, ако импедансът на товара и характеристичният импеданс на кабела са еднакви (Z натоварване = Zo), тогава предавателят вижда товара, сякаш преносната линия не е там. Предавателят може да прехвърля цялата енергия към товара.

Подобно на кабела, антената може да се състои само от метални проводници, но и тя съдържа реактивни компоненти. По-долу има изображение на разпределените индуктивности и капацитети по антената, както се вижда от системата.

 

От това следва, че антената също има импеданс, който варира в зависимост от физичните свойства на антената, като дължина и дебелина на диполните елементи. По-късно ще видим как импедансът на антената е свързан с резонансната точка на антената и VSWR.

Импеданс на антената и резонанс

В друга статия споменахме резонанса и как настройването на дължината на дипола на антената на 1/2 дължина на вълната успява да постигне това условие. Диполът съдържа реактивно съпротивление под формата на разпределен капацитет и индуктивност. Когато се регулира дължината на дипола, резонансната точка възниква, когато съпротивлението "X" падне до нула, както се вижда в следната таблица:

Дължина на дипола, L Реактивност, X Импеданс, Z
L> λ / 2 + X Антената е индуктивна
L = λ / 2 0 Антената е резонансна, Z = 72Ω
L <λ / 2 Антената е капацитивна

В резонансната точка антената представя на предавателя чисто съпротивление от около 72Ω. Тъй като нормалните радио системи не работят във вакуум, действителната стойност е по-близка до 50Ω, което съвпада идеално с нашия коаксиален кабел.

Увеличаването на дължината на дипола по-дълго или по-малко от 1/2 дължина на вълната ще увеличи съпротивлението и антената няма да бъде правилно съпоставена с останалата част от системата. В някои приложения, където околната среда не позволява да се инсталират антени в пълен размер, ще трябва да се използват антени с по-малка дължина от половината вълна (което прави антената по-капацитивна). Чрез добавяне на някаква индуктивност под формата на „зареждаща намотка“ към основата, този допълнителен капацитет може да бъде отменен.

Съотношение на напрежението в постоянна вълна <VSWR>

Когато съществува несъответствие на импеданса между някакъв товар (напр. Антена) и останалата част от системата, мощността от предавателя тече към антената и част от мощността се отразява обратно към предавателя. Тези предни и отразени вълни си пречат помежду си, за да създадат стоящи вълни по линията на пренос. Като разглеждаме максималната и минималната амплитуда на напрежението на стоящата вълна, можем да изчислим VSWR.

Отразената мощност не е желателна, тъй като в идеалния случай цялата мощност от предавателя трябва да бъде поета от товара. Стойните вълни могат да причинят нагревателни ефекти в кабела или да повредят предавателя.

Коефициент на отражение.

Коефициентът на отражение или „Γ“ описва тенденцията на вълната напред да се отразява обратно към предавателя, вместо да бъде погълната от товара. Това зависи от товара, Z L и импеданса на кабела, Zo, описан от уравнението:

Γ = (Z.LZo) / (Z.LZo)

Като заместваме различни стойности, можем да обобщим какво се случва с Γ, когато променяме стойността на товара, както следва:

Натоварване, Z L Коефициент на отражение, Γ % Отразена мощност
Отворена верига +1 100%
L = Zo 0 0%
Късо съединение -1 100%, обърнат
  1. Коефициентът на отражение може да бъде само между -1 и +1.
  2. Коефициентът на отражение трябва да е нула, когато няма отражение.

След като познаем коефициента на отражение, Γ можем да изчислим VSWR чрез това уравнение. The | Γ | представлява само величината (в горната таблица и двете „+1 ″ и„ -1 “са еквивалентни на„ 1 “).

VСW=Γ | / Γ |

Ако включим изчислението VSWR в нашата предишна таблица и разгледаме величината на коефициента на отражение:

Натоварване, Z L Коефициент на отражение, | Γ | % Отразена мощност VSWR
Прекъсване или късо съединение 1 100%
  0.8 64% 9.0
  0.6 36% 4.0
  0.4 16% 2.3
  0.2 4% 1.5
L = Zo 0 0% 1

VSWR варира от 1 или 1: 1 (идеално) до безкрайност. Когато товарът или импедансът на антената, Z (независимо дали е реален или сложен) се променят, получаваме различни стойности на VSWR, които попадат в този диапазон. По-специално, тъй като импедансът на антената зависи от размерите на нейните проводници, които сами се измерват в дължини на вълната на работната честота, ще има оптимална проектна честота, когато антената е тясно съпоставена със Zo и произвежда ниско VSWR. Например ANT-400-R има SWR диаграма, както е показано по-долу. Проектната честота на тази антена е в най-долния пик, където VSWR е 1.2424.

Заключение

VSWR може да се използва в повечето случаи за определяне на ефективността на вашата радиосистема, но не винаги предсказва работата на антената. Например, 50 омов резистор или „фиктивно натоварване“ ще даде перфектен VSWR от 1,0, но би направил много лоша антена.

Когато не е възможно да се установи добро импедансно съвпадение с вашата антена, може да се използва съвпадащо устройство между предавателя и антената. Това обаче позволява само на предавателя да вижда перфектно натоварване и не е задължително да подобри производителността на антената.


Коментари за Импеданс и съотношение на постоянна вълна.

.com

Бъди първи, който ще напише коментар