VSWR in njegovi učinki na ojačevalnike

VSWR - Napetostno razmerje stoječega vala je rezultat neujemanja impedance med virom (ojačevalnikom) in obremenitvijo (testna aplikacija). Ta neusklajenost lahko vpliva na delovanje vira. VSWR ni težko razumeti, vendar je njegove učinke na instrumentacijo težje uresničiti. V tem članku se Exodus Advanced Communications osredotoča na RF / mikrovalovne ojačevalnike z visoko močjo in na to, kako se odzivajo na to pogosto fizično težavo. Ojačevalci morajo včasih vzpostaviti zaščito, da se zaščitijo pred poškodbami. Najprej razumemo VSWR.

Večina RF in mikrovalovnih sistemov temelji na določeni impedanci, ki je običajno 50 Ω. Instrumentacija in komponente v RF testnem sistemu bodo zasnovane tako, da bodo v največji možni meri vzdrževale to impedanco. To omogoča predvidljiv znan prenos moči. V idealnem primeru bi bilo vse skupaj natančno 50 Ω, toda kot vsi vemo, obstajajo razlike v življenju v resničnem svetu. Če instrumentacija v mnogih desetletjih pokriva široko frekvenčno območje, je veliko težje vzdrževati idealno impedanco 50 Ω. Nekaj ​​ravni VSWR je neizogibno.

VSWR se izračuna na naslednji način: 

Gre za preprosto razmerje razlik v impedanci. Večja impedanca (ZL) je večja, manjša impedanca (ZO). 50 Ω / 50 Ω = 1 je idealen rezultat. Lahko ga zapišemo samostojno in je brez enot ali v nekaterih primerih na primer kot razmerje; 2: 1, 4: 1 ali 10: 1. Večja kot je neskladje impedance, večji je VSWR. Kakšen je rezultat velikega ali majhnega VSWR? Naslednja enačba prikazuje drugačen način za iskanje VSWR, ki pozna moč naprej in nazaj (ali odsev):

Ta enačba uvaja moč, ki nam omogoča, da zdaj malo bolj razumemo, da neusklajenost povzroča, da se moč odbije nazaj na ojačevalnik. Odsevana moč je izgubljena moč, ki je obremenitev ne odda ali prejme. Neusklajenost zmanjšuje dobavljeno moč in učinkovitost sistema. Poskušati je treba čim bolj zmanjšati izgubljeno moč.

Izgubljena moč, ki se odraža kam gre? Iz Newtonovega zakona o ohranjanju energije vemo, da mora nekam iti. Konča nazaj pri ojačevalniku. Zato mora ojačevalnik ravnati s to odbito močjo, ki se vrača vanj. Ta odbojna energija ustvari stoječi val z izhodom + odsev. Če pogledamo najslabši primer neskončnega VSWR, se to zgodi z odprtim ali kratkim stikalom na izhodu ali obremenitvi ojačevalnika. Infinite VSWR povzroči 100-odstotni odboj, ki lahko podvoji napetost in s tem obremeni vse notranje komponente. Stres se lahko kaže kot odvajanje toplote ali višje napetosti, ta višja napetost potisne mejne vrednosti napetosti.

Koliko odbojne moči mora biti zmožen ojačevalnik? Odvisno od velikosti neusklajenosti. Za to moramo razumeti, kaj je značilno za večino testnih aplikacij. V večini aplikacij so ojačevalnik, obremenitev in nastavitve stabilni in zasnovani z najnižjo vrednostjo VSWR, običajno pod 2: 1. Kjer bi se lahko odrazilo 10% moči. 10% + 100% predvidene moči = 110% skupne moči, ki jo bo morda treba razpršiti.

Primeri teh sistemov so na splošno ozkopasovni oddajniki, pri katerih je oblikovanje anten ali daljnovodov nekoliko lažje v primerjavi s širokopasovnimi aplikacijami. Vendar obstajajo aplikacije, pri katerih je mogoče videti več kot 2: 1. Visoka vrednost VSWR je pogosto posledica preskušanja z zelo širokopasovnimi, visoko zmogljivimi in slabo usklajenimi obremenitvami. Najbolje je, da se tej situaciji čim bolj izognemo, vendar je včasih temu stanju neizogibno, saj je treba še vedno opraviti testiranje. Spodaj je grafikon, ki prikazuje VSWR v primerjavi z odsevano močjo.

Zgornji grafikon kaže, da se s povečanjem VSWR povečuje tudi količina izgubljene moči. Pri VSWR 6: 1 se 50% vaše energije izgubi kot zapravljena energija in bo morda potreboval večji ojačevalnik, ki bo nadomestil povečanje stroškov vaše testne aplikacije.

Primeri aplikacij, pri katerih imajo lahko obremenitve visok VSWR: nizkofrekvenčni (<100MHz) širokopasovni dostop, preskušanje EMC za odpornost proti sevanju in vodeno odpornost, eksperimentiranje, kjer obremenitev morda ni znana, ali primeri, ko obremenitev ni uspela ali je bila poškodovana. Paziti je treba, da se impedance bolje ujemajo, in vsi instrumenti lahko obvladajo VSWR. Upoštevajte, da se VSWR v frekvenčnem območju razlikuje. Višje ravni VSWR so znak slabe nastavitve. Sprejeti je treba ukrepe za izboljšanje ujemanja impedance.

Izboljšanje VSWR

Dobro je začeti pri kakovostnih komponentah, medsebojnih povezavah, koaksialnih kablih in bremenih / pretvornikih, ki imajo nizke vrednosti VSWR. Če morate uporabiti obremenitev / pretvornik z visokim VSWR in morate izboljšati VSWR, ki ga vidi ojačevalnik, kaj lahko storite? Najpogostejši način za izboljšanje VSWR je uporaba dušilnika, včasih imenovanega PAD. 3DB PAD, dodan vhodu tovora / pretvornika, izboljša ujemanje. Ta metoda se večkrat uporablja pri preskušanju z (BCI) sondami za vbrizgavanje toka in (Bi-Con) bikoničnimi antenami.

Negativni vidik tega je, da se oddaja 3dB ali is moč; 500 vatov zdaj postane 250 vatov. Druga možnost je imeti ujemajoče se omrežje, ki spremeni spremembo v omplexu v zasnovi, ki ustreza samo obremenitvi, za katero je zasnovan, in je lahko omejena impedanca. Tako bi izgubili manj moči, kot bi ga dušilnik. Ujemajoča se omrežja so v frekvenčnem območju bolj c. Iz tega razloga ujemajoča se omrežja niso na voljo.


Kako ojačevalniki obvladujejo VSWR?

Nekatere tehnike je mogoče uporabiti pri načrtovanju ojačevalnikov za obdelavo višjih ravni VSWR. Večina ojačevalnikov lahko prenaša VSWR 2: 1, saj gre za zelo pogosto neusklajenost. Številne specifikacije ojačevalnika imajo v najslabšem primeru izhodno moč 2: 1, zato se mora biti sposoben zaščititi pred priključitvijo na obremenitev 50Ω. Polprevodniški ojačevalniki imajo običajno veliko boljšo robustnost od te, ki lahko deluje brez poškodb v kratkih hlačah in se odpira, hkrati pa ohranja polno moč naprej.

Vožnja s polno močjo v tovor lahko povzroči nevarno nastavitev preskusa, saj je običajno visok VSWR znak poškodbe ali napake v preskusni nastavitvi. Ko se stopnje moči povečajo nad 100 vatov na 1kW, je vedno težje zgraditi ojačevalnik za obdelavo neskončne VSWR ali 100% odbite moči. Včasih se misli, da lahko ojačevalnik razreda A sam po sebi bolje obvlada VSWR kot ojačevalnik razreda AB. To ni nujno tako. Robustnost presega tisto, do česar so ojačevalci pristranski in je bolj povezana z zasnovo vezij. Če pa zasnova ne more obvladati visokega VSWR, se lahko uporabijo druge zaščite.

Zaščita ojačevalnika

Aktivna zaščita - je v različnih oblikah. Številni ojačevalniki bodo imeli osnovno zaščito vezja, kot sta previsoka temperatura in tok. Ti pomagajo zaščititi ojačevalnik pred visokim VSWR, vendar niso glavni razlog za njihovo uporabo. Za zaščito pred VSWR se običajno spremljata izhodna in odbojna moč ter se priveže zaščitna zanka. Uvedeni sta dve različni metodi:

Izklop - če se izmeri velika povratna moč (ali VSWR), se ojačevalnik izklopi z napako, ki prikazuje napako. Proizvajalec to nastavi na varno odsevno raven moči ojačevalnika. Ko je stanje napak odpravljeno, lahko ojačevalnik ponovno uporabite.
Foldback - če se nadzoruje velika povratna moč, ojačevalnik zmanjša notranji dobiček in s tem zmanjša izhodno moč. To omejuje povratno moč prekoračitve praga, tako da ojačevalnik deluje, vendar zaščiten pred okvaro.
Neaktivna zaščita - mogoče jo je uporabiti za znižanje stroškov ojačevalnika, saj ima nastavitev malo ali nič možnosti za visok VSWR. Ali v primerih, ko je ojačevalnik dovolj robusten za obdelavo visokega VSWR in zato ne potrebuje aktivne zaščite. Primer tega bi bila zaščita cirkulatorja. Cirkulatorji preprečujejo, da bi se odbojna moč vrnila v vir in so na voljo za nekatera frekvenčna območja in ravni moči. Ti običajno niso na voljo za širokopasovne aplikacije <100MHz.

zaključek

Poznavanje ravni VSWR v RF nastavitvi je bistvenega pomena za poznavanje in razumevanje za napovedovanje učinkovitosti. Visok VSWR je relativni izraz, odvisno od aplikacije. V veliki večini ojačevalnih aplikacij je razmerje 2: 1 normalno. Več kot 6: 1 ali celo nad 4: 1 je treba šteti za visoko. Visoka VSWR je stres za vse ojačevalnike, ki postajajo zelo zaskrbljujoči, ko se moč poveča na 500+ vatov. Čeprav lahko specifikacije ojačevalnika navajajo; "Lahko prenese vse ravni VSWR brez poškodb" še ne pomeni, da instrument ni obremenjujoč. Dolgotrajna izpostavljenost v tem visokem VSWR stanju ima lahko škodljive učinke. Paziti je treba, da pravilno uporabljate ojačevalnik in vzdržujete dobro usklajeno nastavitev preizkusa. To bo podaljšalo življenjsko dobo instrumenta in naložbo v opremo.

Pustite sporočilo 

Seznam sporočilo