VSWR i njegovi učinci na pojačala

VSWR - Omjer valnog napona rezultat je koji nastaje uslijed neusklađenosti impedancije između izvora (pojačala) i opterećenja (test aplikacija). Ova neusklađenost može utjecati na performanse izvora. VSWR nije teško shvatiti, ali njegov učinak na instrumentaciju može biti teže ostvariti. U ovom se članku Exodus Advanced Communications usredotočio na RF / mikrovalna pojačala velike snage i kako oni reagiraju na ovaj uobičajeni fizički problem. Pojačala ponekad trebaju uspostaviti zaštitu kako bi se zaštitila od oštećenja. Prvo, shvatimo VSWR.

Većina RF i mikrovalnih sustava temelje se na specificiranoj impedanciji koja je obično 50 Ω. Instrumentacija i komponente u RF sustavu za ispitivanje bit će dizajnirani da održavaju ovu impedansu u najvećoj mogućoj mjeri. To omogućuje predvidivi poznati prijenos snage. Idealno bi bilo da je sve točno 50 Ω, ali kao što svi znamo, žive u stvarnom svijetu postoje varijacije. Ako instrumentacija pokriva široki raspon frekvencija tijekom mnogih desetljeća, postaje mnogo izazovnije održavati idealnu impedansu od 50 Ω. Neka razina VSWR-a je neizbježna.

VSWR izračunava se na sljedeći način: 

To je jednostavan omjer razlika u impedanciji. Što je veća impedancija (ZL), manja je impedancija (ZO). 50 Ω / 50 Ω = 1 idealan je rezultat. Može se napisati samostalno i bez jedinice, ili u nekim slučajevima kao omjer, na primjer; 2: 1, 4: 1 ili 10: 1. Što je veća neusklađenost impedancije, to je veći VSWR. Koji je rezultat velikog VSWR-a ili malog VSWR-a? Sljedeća jednadžba prikazuje drugačiji način pronalaska VSWR-a znajući snagu naprijed i natrag (ili odraz):

Ova jednadžba uvodi snagu koja nam omogućuje da sada shvatimo malo više da neusklađenost uzrokuje povrat snage u pojačalo. Reflektirana snaga je izgubljena snaga koju teret ne prenosi ili ne prima. Neusklađenost smanjuje isporučenu snagu i učinkovitost sustava. Treba pokušati minimalizirati izgubljenu snagu.

Izgubljena snaga koja se odražava kamo odlazi? Iz Newtonovog zakona o očuvanju energije znamo da mora nekamo otići. Završava natrag kod pojačala. Stoga pojačalo mora rukovati ovom reflektiranom snagom koja mu se vraća. Ova reflektirana energija stvara stojeći val s izlazom + reflektiranim. Gledajući najgori slučaj beskonačnog VSWR-a, to se događa s prekidom ili kratkim spojem na izlazu ili opterećenju pojačala. Beskonačni VSWR uzrokuje 100% refleksiju, što može udvostručiti napon i time stvoriti stres na svim unutarnjim komponentama. Stres se može očitovati kao odvođenje topline ili veći napon, taj veći napon pomiče granice sloma napona.

Koliko odbijene snage mora pojačalo moći podnijeti? Ovisi o veličini neusklađenosti. Za to moramo shvatiti što je tipično u većini testnih aplikacija. U većini aplikacija pojačalo, opterećenje i postavke su stabilni i dizajnirani s najnižim VSWR-om, obično pod 2: 1. Gdje bi se moglo odraziti 10% snage. 10% + 100% predviđene snage = 110% ukupne snage koju će možda trebati raspršiti.

Primjeri tih sustava uglavnom su uskopojasni odašiljači gdje je projektiranje antena ili prijenosnih vodova malo lakše u usporedbi sa širokopojasnim aplikacijama. Međutim, postoje aplikacije u kojima se može vidjeti više od 2: 1. Visoki VSWR često je posljedica ispitivanja s vrlo širokopojasnim opterećenjima velike snage i loše usklađenim opterećenjima. Najbolje je izbjegavati ovu situaciju što je više moguće, međutim, ponekad je ovo stanje neizbježno jer se ipak mora obaviti testiranje. Ispod je grafikon koji prikazuje VSWR u odnosu na reflektiranu snagu.

Gornji grafikon pokazuje da se s porastom VSWR povećava i količina izgubljene snage. Na VSWR 6: 1, 50% vaše energije gubi se kao izgubljena energija i možda će vam trebati veće pojačalo kako bi se prekompenziralo povećanje troškova vaše testne prijave.

Primjeri primjena kod kojih opterećenja mogu imati visoki VSWR: širokopojasni opseg niske frekvencije (<100 MHz), EMC ispitivanje radijacijske imunosti i provedene imunosti, eksperimentiranje gdje opterećenje možda nije poznato ili slučajevi kada opterećenje nije uspjelo ili je oštećeno. Treba paziti da se impedanse bolje podudaraju, a svi instrumenti mogu podnijeti VSWR. Imajte na umu da se VSWR razlikuje u rasponu frekvencija. Više razine VSWR znak su lošeg postavljanja. Treba poduzeti korake za poboljšanje podudaranja impedancije.

Poboljšanje VSWR-a

Dobro je započeti s kvalitetnim komponentama, međusobnim vezama, koaksijalnim kabelima i opterećenjima / pretvaračima koji imaju niske VSWR ocjene. Ako morate koristiti opterećenje / pretvarač s visokim VSWR-om i trebate poboljšati VSWR koji vidi pojačalo, što možete učiniti? Najčešći način za poboljšanje VSWR-a je upotreba prigušivača, koji se ponekad naziva i PAD. 3DB PAD dodan na ulaz opterećenja / pretvarača poboljšava podudaranje. Ova se metoda koristi više puta pri ispitivanju sondama za ubrizgavanje skupnog strujanja (BCI) i bikoničnim antenama (Bi-Con).

Negativni aspekt toga je da se isporučuje 3dB ili ½ snaga; 500 W sada postaje 250 W. Alternativa je imati odgovarajuću mrežu koja transformira promjenu u omplexu u dizajnu, oni odgovaraju samo opterećenju za koje je dizajniran i mogu biti ograničene impedancije. Tako bi se izgubila manje snage nego što bi to prigušivač. Mreže koje se podudaraju imaju više c u frekvencijskom području. Iz tog razloga odgovarajuće mreže nisu lako dostupne.


Kako pojačala rade s VSWR-om?

Neke tehnike mogu se primijeniti u dizajnu pojačala za rukovanje višim razinama VSWR-a. Većina pojačala može podnijeti VSWR 2: 1 jer je ovo vrlo često nepodudaranje. Mnoge specifikacije pojačala imaju najlošiju izlaznu ocjenu 2: 1, tako da se mora moći zaštititi od spajanja na opterećenje od 50Ω. Solid-state pojačala obično imaju daleko bolju robusnost od ove, možda rade bez oštećenja u kratkim hlačama i otvaraju se zadržavajući punu snagu naprijed.

Ubacivanje pune snage u teret može predložiti nesigurno postavljanje testa, jer je obično visok VSWR znak oštećenja ili pogreške u postavci testa. Kako se razine snage povećavaju iznad 100 vata na 1kW, a nadalje je sve teže izgraditi pojačalo za rukovanje beskonačnim VSWR ili 100% odbijenom snagom. Ponekad se smatra da pojačalo klase A može samo po sebi nositi VSWR bolje od pojačala klase AB. To nije nužno slučaj. Robusnost nadilazi onu klasu prema kojoj su pojačala pojačana i ima više veze s dizajnom sklopa. Ali ako dizajn ne može podnijeti visoki VSWR, mogu se primijeniti i druge zaštite.

Zaštita pojačala

Aktivna zaštita - dolazi u različitim oblicima. Mnoga pojačala imat će osnovne zaštitne sklopove kao što su prekomjerna temperatura i struja. Oni pomažu u zaštiti pojačala od visokog VSWR-a, ali nisu glavni razlog njihove uporabe. Da bi se zaštitili od VSWR-a, obično se nadgledaju izlazna snaga i reflektirana snaga, te se veže zaštitna petlja. Uvedene su dvije različite metode:

Isključivanje - ako se izmjeri velika reverzna snaga (ili VSWR), pojačalo će se isključiti s pogreškom koja pokazuje grešku. Proizvođač postavlja ovo na ono što je sigurna reflektirana razina snage pojačala. Nakon što se stanje kvara ukloni, pojačalo se može ponovno koristiti.
Foldback - ako se prati velika reverzna snaga, pojačalo smanjuje svoj unutarnji dobitak, smanjujući time izlaz. To ograničava povratnu snagu od prekoračenja praga održavajući pojačalo aktivnim, ali zaštićenim od kvara.
Neaktivna zaštita - može se primijeniti kako bi se smanjili troškovi pojačala jer postavka ima male ili nikakve šanse za visoki VSWR. Ili u slučajevima kada je pojačalo dovoljno robusno da podnosi visoki VSWR i stoga mu nije potrebna aktivna zaštita. Primjer za to bila bi zaštita cirkulatora. Cirkulatori sprečavaju povrat reflektirane snage na izvor i dostupni su za neka područja frekvencija i razine snage. Oni obično nisu dostupni za širokopojasne aplikacije <100MHz.

Zaključak

Poznavanje razina VSWR u RF postavkama neophodno je znati i razumjeti za predviđanje performansi. Visoki VSWR je relativan pojam, ovisno o primjeni. U velikoj većini pojačala pojam 2: 1 je normalan. Više od 6: 1 ili čak više od 4: 1 treba smatrati visokim. Visoki VSWR naglašava sva pojačala koja postaju vrlo zabrinjavajuća s porastom snage na 500+ vata. Iako specifikacije pojačala mogu navoditi; "Može podnijeti sve razine VSWR-a bez oštećenja" ne znači da nije stresan na instrumentu. Dugotrajno izlaganje u ovom visokom VSWR stanju može imati štetne učinke. Treba voditi računa o pravilnoj upotrebi pojačala i održavanju dobro usklađenih postavki testa. To će produžiti vijek trajanja instrumenta i ulaganje u opremu.

Ostavite poruku 

Lista Poruka