Единицы измерения ксвн антенны

Коэффициент стоячей волны

Коэффициент стоячей волны — Отношение наибольшего значения амплитуды напряженности электрического или магнитного поля стоячей волны в линии передачи к наименьшему [1] .

Характеризует степень согласования антенны и фидера (также говорят о согласовании выхода передатчика и фидера) и является частотнозависимой величиной. Обратная величина КСВ называется КБВ — коэффициент бегущей волны. Следует различать величины КСВ и КСВН (коэффициент стоячей волны по напряжению): первая высчитывается по мощности, вторая — по амплитуде напряжения и на практике используется чаще; в общем случае эти понятия эквивалентны.

Коэффициент стоячей волны по напряжению вычисляется по формуле: ,
где U₁ и U₂ — амплитуды падающей и отражённой волн соответственно.
Можно установить связь между KCBH и коэффициентом отражения Г:
Также величину коэффициента стоячей волны можно получить из выражений для S-параметров (см. ниже).

В идеальном случае КСВН = 1, это означает, что отраженная волна отсутствует. При появлении отраженной волны КСВ возрастает в прямой зависимости от степени рассогласования тракта и нагрузки. Допустимые значения КСВН на рабочей частоте или в полосе частот для различных устройств регламентируются в технических условиях и ГОСТах. Обычно приемлемые значения коэффициента лежат в пределах от 1,1 до 2,0.

Значение КСВ зависит от многих факторов, например:

• Волновое сопротивление СВЧ кабеля и источника СВЧ сигнала
• Неоднородности, спайки в кабелях или волноводах
• Качество разделки кабеля в СВЧ-соединителях (разъёмах)
• Наличие переходных соединителей
• Сопротивление антенны в точке подключения кабеля
• Качество изготовления и настройки источника сигнала и потребителя (антенны и др.)

Измеряют КСВН, например, с помощью включённых в тракт в противоположном направлении двух направленных ответвителей. В космической технике КСВН измеряется встроенными в волноводные тракты датчиками КСВ. Современные анализаторы цепей также имеют встроенные датчики КСВН.
При проведении измерений КСВН необходимо учитывать, что затухание сигнала в кабеле приводит к погрешности измерений. Это объясняется тем, что как падающая, так и отраженная волны испытывают затухание. В таких случая КСВН рассчитывается следующим образом: ,

где К — коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется следующим образом: ,
здесь В — удельное затухание, дБ/м;
L — длина кабеля, м;
а множитель 2 учитывает тот факт, что сигнал испытывает ослабление при передаче от источника СВЧ сигнала к антенне и на обратном пути. Так, при использовании кабеля PK50-7-15 удельное затухание на частотах Си-Би (около 27 МГц) составляет 0,04 дБ/м, то при длине кабеля 40 м отраженный сигнал будет испытывать затухание 0,04•2•40=3,2 дБ. Это приведет к тому, что при реальном значении КСВН, равном 2,00, прибор покажет только 1,38; при реальном значении 3,00 прибор покажет около 2,08.

Плохая (высокая) величина КСВ(Н) нагрузки приводит не только к ухудшению КПД из-за уменьшения поступившей в нагрузку полезной мощности. Возможны и другие последствия:

• Выход из строя мощного усилителя или транзистора, поскольку на его выходе (коллекторе) просуммируются (в худшем случае) напряжение выходного сигнала и отражённая волна, что может превысить максимальное допустимое напряжение полупроводникового перехода.
• Ухудшение неравномерности АЧХ тракта.
• Возбуждение сопрягаемых каскадов.

Для устранения этого могут применяться защитные вентили или циркуляторы. Но при продолжительной работе на плохую нагрузку, они могут выйти из строя. Для маломощных линий передачи могут использоваться согласующие аттенюаторы.

Связь КСВН с S-параметрами четырёхполюсника

Коэффициент стоячей волны можно однозначно связать с параметрами передачи четырёхполюсника (S-параметрами):

где — комплексный коэффициент отражения сигнала от входа измеряемого тракта;

Источник

Правила настройки антенны и измерения КСВ

После того, как антенна установлена, ее необходимо настроить по минимуму значения КСВ в середине участка рабочих частот или если предполагается работать только на одной частоте, по минимальному значению КСВ на этой частоте.
Что такое КСВ? КСВ — коэффициент стоячей волны — это мера согласования антенно-фидерного тракта. Он показывает процент потерь мощности в антенне. Потери мощности при различных значениях КСВ приведены в таблице 1.

Таблица 1. Потери мощности при различных значениях КСВ

Рис 1. Схема подключения КСВ метра

ВНИМАНИЕ. Пpибоp должен допускать pаботу пpи Вашей выходной мощности! То есть если прибор рассчитан на максимальную мощность 10Вт, а ему на вход подать 100Вт, то результат будет вполне очевиден в виде дыма и вполне осязаем органами обоняния. Переключатель нужно поставить в положение FWD (прямое включение). Включив передачу, нужно выставить ручкой стрелку-указатель на конец шкалы. Таким образом делается калибровка показаний прибора. Калибровать прибор нужно каждый раз при изменении рабочей частоты. Далее, переключив (при отключенной передаче) прибор в положение REF (обратное включение), включить передачу и считать значение КСВ по шкале прибора.

Рассмотрим пример настройки антенны на среднюю частоту сетки С (частота 27,205МГц) изменением длины штыря. Сначала нужно измерить значение КСВ на 1 канале сетки С. Затем на последнем (40) канале сетки С. Если значение КСВ больше 3 в обоих случаях, значит антенна установлена неправильно, не рассчитана на работу в этом диапазоне или имеет неисправности. Если КСВ, измеренный на 1 канале, больше значения КСВ на 40 канале, значит длину штыря нужно укоротить, если наоборот — то штырь необходимо удлинить (выдвинуть из держателя). Встаем на 20 канал сетки С, измеряем КСВ, запоминаем его значение. Откручиваем винты, фиксирующие штырь, двигаем его на 7-10 мм в нужную сторону, затягиваем винты, проверяем КСВ снова. Если штырь вставлен до предела, а КСВ все еще высокий, то придется укорачивать штырь физически. Если штырь выдвинут максимально, то придется увеличивать длину согласующей катушки. Устанавливаем штырь по середине крепления. Откусываем 5-7 мм, измеряем КСВ, снова откусываем. При этом следим чтобы значение КСВ уменьшалось. Как только оно достигнет минимума и начнет увеличиваться, прекращаем издеваться над штырем и далее регулируем его длину изменением положения в антенне Таким образом находим минимум КСВ.

— Обратите внимание, что антенну надо настраивать только по месту ее ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ установки. Это значит, что, перенеся антенну на другое место, ее снова необходимо будет настраивать.

— Если Вы получили КСВ порядка 1,1-1,3, это отличный результат.

— Если Вы получили КСВ порядка 1,3-1,7, это тоже неплохо и Вам не о чем беспокоиться.

— Если КСВ 1,8 — 2, то следует обратить внимание на потери в ВЧ разъемах (неправильная разделка кабеля, плохая пропайка центральной жилы кабеля и т. д.) Для антенны такой уровень согласования будет означать, что у нее есть проблемы с согласованием, и она нуждается в настройке.

— КСВ 2,1 — 5 означает явную неисправность в антенне или неправильную ее установку. КСВ более 5 означает обрыв центральной жилы в кабеле или в антенне.

Из другого источника

Длины 50-омного кабеля в полуволнах, режим “полуволнового повторителя” ( верно для кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией центральной жилы )

Количество полуволн
Сетка “C” Cетка ”D” Сетки “C”& “D”

Средняя частота МГц
27.5

Длина отрезка кабеля
1 3.639м 3.580м 3.611м
2 7.278м 7.160м 7.222м
3 10.917м 10.739м 10.833м
4 14.560м 14.319м 14.444м
5 18.195м 17.899м 18.055м

Источник

Что такое КСВ и чем его закусывать?
Коэффициент стоячей волны, его влияние на потери в линиях приёма/передачи.

Так или иначе, любой индивид, интересующийся техникой радиосвязи, рано или поздно, сталкивается с лаконичным термином «КСВ». При этом, если даже ёжику известно, что значение КСВ должно быть как можно меньше, то какова физическая сущность этого параметра, а также степень его влияния на уровень потерь энергии в линии, ясно не всегда и не каждому.

Начнём с торжественного, но малопонятного определения из википедии:
«Коэффициент стоячей волны (КСВ, от англ. standing wave ratio, SWR) — отношение наибольшего значения амплитуды напряжённости электрического или магнитного поля стоячей волны в линии передачи к наименьшему».

Для мало-мальского понимания вышесказанного, давайте представим линию передачи, состоящую из источника сигнала (генератора, передатчика и т.д.), фидера (кабеля, соединяющего источник с антенной) и, собственно говоря, самой антенны.
Фанатично вдаваться в глубину процесса — дело долгое и нудное, поэтому поверим на слово специалистам-теоретикам: при несовпадении входных/выходных сопротивлений всех перечисленных устройств, часть энергии генератора отражается от нагрузки и в виде отражённой волны возвращается обратно в линию.
Таким образом, в результате сложения (по-умному интерференции) падающей и отражённой волн возникает стоячая волна, проявляющаяся в виде периодического изменения амплитуды напряжённости электрического и магнитного полей вдоль направления распространения сигнала в линии передачи.

Рис.1

На рисунке показаны эпюры напряжения в линии в различные моменты времени.

Налицо колебательный процесс изменения амплитуды, связанный с тесным взаимодействием входного сигнала постоянной амплитуды с сигналом, отражённым от несогласованной нагрузки и имеющим ту же самую частоту, но сдвинутым по отношению к входному по фазе.
К частоте этого колебательного процесса отнесёмся индифферентно, а вот размах изменения амплитуды как раз и определяет параметр коэффициента стоячей волны.
Формула здесь очень простая:

Величина, обратная КСВ, называется КБВ (коэффициент бегущей волны):
КБВ = 1/КСВ

Рассмотрим две крайние ситуации:

1. Umin=0, соответственно КСВ=∞ — волна чисто «стоячая», переноса энергии нет. На практике возникает в ситуациях КЗ или обрыва в цепи нагрузки.

2. Umin=Umax, КСВ=1, волна чисто «бегущая», отражений нет, вся энергия от источника попадает в нагрузку — можно получить только на резистивной нагрузке, либо идеально согласованных элементах в линии передачи.

А как нам нужно расстараться, чтобы правильно согласовать компоненты связной аппаратуры?
Ответ не сложен — уравнять все входные/выходные импедансы устройств, входящих в приёмо-передающий тракт.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля (как правило, 50 либо 75 Ом) — величина, зависящая от соотношения диаметров внутреннего и внешнего проводников, и вполне строго соответствует величине, обозначенной производителем.

Входной/выходной импеданс приёмника/передатчика не слишком сложными схемотехническими ухищрениями выводится на уровень сопротивления кабеля, соединяющего радиостанцию с антенной.

Остаётся самое ничего — согласовать антенну со всем остальным хозяйством для минимизации величины коэффициента стоячей волны.
Можно, конечно, сделать страшное лицо и гавкнуть в её сторону: — Не гони обратную волну, падла!
Но это вряд ли. Не услышит. Она ж металлическая.

Короче, обсуждать тему проектирования и согласования приёмо-передающих антенн мы в рамках этой статьи не станем. Для этого есть достаточное количество умных и толстых книг, в которых без матерных излишеств и фонетических шероховатостей даны ответы на все касающиеся антенн головоломки.

Итак, всё понятно — необходимо стремиться к минимуму значения КСВ.
Если кто не догадался, глядя на формулу, или непринуждённо обошёл её вниманием — меньше единицы нам ужать этот параметр не удастся, как лбом не бейся ты о стенку. Поэтому наша глобальная цель — КСВ=1 .

Ну, а если встал вопрос о том, какое отклонение КСВ от 1 можно считать приемлемым для наших радиолюбительских целей, следует припасть к формуле, позволяющей оценить потери мощности рассеивания за счёт неидеальности согласования входных/выходных сопротивлений устройств.

А слегка поднатужившись на сетевой полянке, пытливый ум отыщет и знаний золотую жилу в виде симпатичной таблички, представляющей из себя графическое выражение данной формулы.

По большому счёту, при невысоких подводимых мощностях, потери из-за неединичного КСВ — не так уж и катастрофичны.
Даже при КСВ=5 потери эти составят 2,51дБ (или 44% от поступающей мощности), т.е. 56% всё-таки выскользнет из кабеля и будет доступно для излучения полотном антенны.
А при КСВ=2, вообще получается 0,48дб (или 11%) потерь.

А куда девается энергия потерь?
Бегает по фидеру, и чем больше КСВ, тем большая часть энергии идёт на «обогрев» кабеля. Поэтому при значительных выходных мощностях и высоком КСВ возникает опасность теплового повреждения кабеля.

На практике при проектировании радиопередающих устройств следует исходить из максимальной величины КСВ, не превышающей 2.
Вот что пишет в журнале Радиомир КВ-УКВ 12/2001, с.32-34 уважаемый радиолюбитель, автор статьи «ПPOCTO ОБ АНТЕННАХ, ИЛИ ИЗМЕРЯЕМ КСВ» В. Башкатов:

«При КСВ=2, напряжение в максимуме стоячей волны всего лишь на 30% превышает то, что мы наблюдаем при КСВ=1.
Такое превышение, как правило, не опасно для широкополосных транзисторных усилителей мощности, даже если этот максимум напряжения окажется непосредственно в месте подключения фидера. Да и возрастание напряжения на элементах выходного каскада из-за его недогрузки ещё не будет катастрофическим.
Во всяком случае, для аппаратуры заводского изготовления с транзисторными выходными каскадами КСВ=2 устанавливается предельным, при котором гарантируется ее работоспособность».

Ну и напоследок:
КСВ обозначает лишь степень согласования радиостанции с фидером и антенной и никоим образом не указывает ни на эффективность антенны, ни на её частотные характеристики.
Наилучшим КСВ, равным 1 в широчайшей полосе частот, обладает линия с подключённым к кабелю 50-ти омным резистором. А кому придёт в голову использовать резистор в качестве антенны? Разве что отбившемуся от стаи, ярому фанату антеннки mini-whip.

На следующей странице рассмотрим простое, но весьма красивое решение вопроса измерения КСВ — мостовой КСВ-метр.

Источник

Коэффициент стоячей волны

Коэффициент стоячей волны (КСВ, от англ. standing wave ratio , SWR) — отношение наибольшего значения амплитуды напряжённости электрического или магнитного поля стоячей волны в линии передачи к наименьшему [1] .

КСВ определяется качеством согласования нагрузки (например, антенны) с линией передачи (фидером). КСВ в линии передачи не зависит от внутреннего сопротивления источника электромагнитной волны (генератора) и (в случае линейной нагрузки) от мощности генератора. Значение КСВ в однородной линии передачи без потерь постоянно по всей длине линии передачи и не зависит от её длины. КСВ влияет на:

• КПД системы «линия передачи — нагрузка»;
• максимальное значение передаваемой по линии мощности;
• режим работы генератора.

Содержание

Связь с коэффициентом отражения

КСВ связан с модулем коэффициента отражения |Г| в данном сечении линии передачи, эти две величины несут одинаковую информацию. Поскольку неравномерность распределения амплитуды волны вдоль линии обусловлена интерференцией («сложением и вычитанием») падающей и отражённой волн, то наибольшее значение амплитуды A волны вдоль линии (то есть значение амплитуды в пучности) составляет

а наименьшее значение амплитуды (то есть значение амплитуды в узле) составляет

где A_inc — амплитуда падающей волны (например, волны напряжения, тогда A = U, В, или волны тока, тогда A = I); A_ref — амплитуда отражённой волны. Следовательно,

KCB = A i n c + A r e f A i n c − A r e f <\displaystyle <\mbox>=<\frac +A_>-A_>>> .

KCB = 1 + | Γ | 1 − | Γ | <\displaystyle <\mbox>=<\frac <1+|\Gamma |><1-|\Gamma |>>> .

• В режиме бегущей волны (в этом режиме линия передачи согласована с нагрузкой) отражённая волна отсутствует (то есть A_ref = 0), |Г| = 0 и КСВ = 1.
• В режиме смешанной волны (A_ref ≠ 0) КСВ > 1.
• В режиме стоячей волны, когда A_ref = A_inc (то есть амплитуды отражённой и падающей волн равны), |Г| = 1 и КСВ стремится к бесконечности.

В линии передачи без потерь с волновым сопротивлением W, нагруженной на чисто активную нагрузку с сопротивлением R_нагр:

Например, если линию передачи с волновым сопротивлением 50 Ом нагрузить на чисто активное сопротивление 100 Ом или 25 Ом , то КСВ в линии будет равен 2.0, при этом амплитуда волны в пучности будет превышать амплитуду волны в узле в два раза. На круговой диаграмме Вольперта — Смита линии постоянного КСВ — это концентрические окружности, центр которых совпадает с центром диаграммы (центру диаграммы соответствует значение КСВ = 1 ).

На практике КСВ широко применяется как характеристика качества согласования и для цепей с сосредоточенными параметрами, в которых в явном виде нет длинных линий. При этом указание значения КСВ тождественно указанию значения |Г|.

Например, фраза «значение КСВ по входу усилителя равно 2.0» означает, что значение модуля коэффициента отражения |Г| по напряжению от входа усилителя при его подключении к генератору с чисто активным номинальным внутренним сопротивлением составляет |Г|≈0.33. Или: фраза «значение КСВ антенны составляет 2.0» означает, что значение модуля коэффициента отражения |Г| от входа антенны при её возбуждении генератором с внутренним сопротивлением, равным номинальному сопротивлению антенны, составляет |Г|≈0.33. Это же означает, что при возбуждении антенны через линию передачи с волновым сопротивлением, равным номинальному сопротивлению антенны, КСВ в линии передачи вблизи антенны составит 2.0.

КБВ, КСВН и другие коэффициенты

Величина КСВ обратна коэффициенту бегущей волны (КБВ), который в прошлом широко использовался на практике наряду с КСВ.

В линии передачи с Т-волной (например, в линии коаксиального типа) КСВ можно определить по напряжению (как отношение наибольшего вдоль линии значения амплитуды напряжения к наименьшему, на практике используется термин КСВ по напряжению (КСВН)). Аналогично в линии с Т-волной можно определить КСВ по току (как отношение амплитуд токов). Значения определённых таким образом КСВН и КСВ по току равны КСВ. Для линий передачи с другими типами волн, например, для диэлектрического или металлического волноводов, КСВН и КСВ по току ввести и использовать затруднительно либо невозможно.

При измерении амплитуды напряжённости поля или напряжения, необходимом для измерения КСВ, используются детекторные секции с диодами, имеющими в режиме слабого сигнала близкую к квадратичной вольт-амперную характеристику. Результат детектирования приблизительно пропорционален квадрату измеряемой амплитуды напряжённости поля или напряжения, то есть пропорционален мощности, ответвляющейся из линии передачи в детекторную секцию. В прошлом для упрощения обработки результатов измерений (чтобы не извлекать квадратный корень) вместо КСВ использовали отношение полученных таким образом оценок квадратов амплитуд (напряжённости поля в линии, напряжения между проводниками линии), которое приближенно равно квадрату КСВ. Такое отношение не вполне корректно называли «КСВ по мощности». Чтобы отделить «правильный» КСВ (отношение амплитуд напряжённости поля) от такого «КСВМ», до сих пор вместо КСВ широко используют термин КСВ по напряжению (КСВН) и обозначение Кст_U.

В зарубежной литературе используются следующие аббревиатуры:

• аббревиатуре КСВ соответствует аббревиатура SWR (от англ.standing wave ratio );
• КСВН и Кст_U — VSWR (от англ. voltage SWR );
• КСВ по току — ISWR (от фр.intensité de courant — сила тока и англ. SWR );
• КСВ по мощности — PSWR (от англ. power SWR ).

Использование КБВ, КСВН, КСВ по току, КСВ по мощности ГОСТом [1] не предусмотрено.

Приемлемое значение КСВ

Желательно, чтобы значение КСВ в линии передачи было близко к единице, при этом максимален КПД системы «линия передачи — нагрузка», равный [2] отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности падающей волны, отдаваемой генератором в линию передачи. Допустимые значения КСВ на рабочей частоте или в полосе рабочих частот для различных устройств регламентируются в технических условиях и ГОСТах. Обычно приемлемые значения КСВ лежат в пределах от 1.1 до 2.0. В волноводном тракте значения КСВ, как достижимые, так и практически имеющиеся, существенно ниже (лучше), чем в коаксиальном, и более предсказуемы.

Значение КСВ зависит от многих факторов, в частности:

• от соотношения между волновым сопротивлением линии передачи и сопротивлением нагрузки;
• от наличия неоднородностей в линии передачи, например, соединений, повреждений, изгибов малого радиуса;
• от качества разделки кабеля в высокочастотном соединителе (разъёме) линии передачи на стороне нагрузки.

Возрастание (то есть ухудшение) КСВ приводит к ухудшению КПД системы по следующим основным причинам:

• тепловые потери в самой линии передачи по сравнению со случаем КСВ = 1 возрастают (этот дополнительный рост потерь тем сильнее, чем выше погонное затухание в линии передачи);
• из-за рассогласования нагрузки с линией передачи (причина возрастания КСВ) снижается потребление нагрузкой мощности генератора (часто некорректно говорят об отражении мощности от нагрузки и её переносе отражённой волной с последующим поглощением в генераторе);

Однако эквивалентная схема выходной цепи активного прибора, работающего в нелинейном режиме (в частности с отсечкой тока) не является «соединением идеального источника тока J и неизменной комплексной проводимости G, c которой требуется согласовать нагрузку», поскольку значения J, G и колебательной мощности сложным образом меняются при изменении сопротивления нагрузки. Поэтому если в линии передачи, подключённой к «настроенному» (то есть отдающему в линию передачи максимальную мощность) генератору, изменяется (ухудшается или даже улучшается) КСВ, то генератор будет отдавать в линию передачи меньшую мощность. В связи с этим действует дополнительный фактор:

• изменяется режим работы активного прибора источника электромагнитной волны, что является негативным фактором, дополнительно снижающим выделение мощности в нагрузке. Частично этот фактор можно устранить размещением согласующего устройства («антенного тюнера») между генератором и линией передачи; однако при этом появляется новый источник потерь — само согласующее устройство, КПД которого убывает с ростом КСВ.

Возможны и другие последствия:

• пробой линии передачи или её расплавление в пучностях напряжения или тока;
• выход из строя мощного усилителя (транзистора) из-за выхода режима работы за допустимые пределы: возрастание тока или напряжения на выходном электроде может привести к пробою, возрастание рассеиваемой мощности — к перегреву; в диапазонах УВЧ и СВЧ для защиты активных приборов применяют невзаимные устройства — вентили и циркуляторы, не пропускающие отражённую от нагрузки волну к генератору, однако при продолжительной работе на рассогласованную нагрузку и они могут выйти из строя;
• возрастание неравномерности АЧХ тракта, что может проявляться, в частности, в искажении формы передаваемых короткоимпульсных сигналов (длительность которых сравнима с временем распространения сигнала в линии передачи) и проявлении многократных переотражений короткоимпульсных сигналов (длительность которых значительно меньше времени распространения сигнала в линии передачи, аналогично эффекту реверберации в акустике);
• самовозбуждение соединяемых между собой каскадов.

Для снижения КСВ и максимизации КПД нагрузка должна быть по возможности согласована с линией передачи (в данном случае условие согласования означает, что сопротивление нагрузки является чисто активным и равным волновому сопротивлению линии передачи). Если качество согласования неудовлетворительное, то применяют согласующие устройства, включаемые между линией передачи и нагрузкой или в линии передачи как можно ближе к нагрузке. Если КПД не является определяющим фактором, то могут использоваться согласующие аттенюаторы.

Измерение КСВ

Прибор для измерения КСВ — КСВ-метр.

Прямой метод измерения КСВ основан на использовании измерительной линии, с помощью которой измеряются амплитуды напряжённости поля в пучности и узле. Этот метод исторически наиболее ранний.

Чаще КСВ измеряют косвенно с помощью рефлектометра с последующим пересчётом |Г| в КСВ. В более сложных (многофункциональных, как правило — автоматических) измерительных приборах на основе рефлектометров измерение КСВ является одной из функций (наряду с измерением импеданса, комплексного коэффициента отражения, S-параметров, мощности). Шкала рефлектометра, предназначенного для измерения КСВ, может быть заранее проградуирована в единицах КСВ. Конструкции рефлектометров, используемых для измерения КСВ, разнообразны. Измерители (датчики) КСВ проходного типа встраиваются в линию передачи или размещаются на выходе радиопередатчика, они могут использоваться в упрощённом виде как часть схемы защиты радиопередатчика от рассогласования нагрузки.

При измерении КСВ следует учитывать следующее.

• КСВ определяется в установившемся режиме, когда прекратится переходный процесс в линии передачи, возникающий в момент включения генератора (волна распространяется по длинной линии от генератора в сторону нагрузки, частично отражается от неё, распространяется в обратном направлении к генератору, частично отражается от него и так далее). Это обстоятельство необходимо учитывать при планировании измерений КСВ с помощью рефлектометров, работающих во временно́й области.
• При измерении качества согласования потенциально нелинейной нагрузки следует учитывать, что результат может зависеть от мощности измерительного сигнала. Например, при измерении КСВ по входу усилителя входной импеданс активного прибора может зависеть от режима его работы и, в частности, от мощности измерительного сигнала. В таких случаях измерение следует проводить, используя измерительный сигнал со вполне определённой (номинальной) мощностью.
• В линии передачи с потерями модуль коэффициента отражения непрерывно убывает по мере удаления от нагрузки и приближении к генератору. Это объясняется тем, что как падающая, так и отражённая волны испытывают затухание. Поэтому в линии передачи с потерями КСВ имеет условный смысл [2] . Режим работы в такой линии можно характеризовать двумя значениями КСВ: около нагрузки и около генератора. Измерение КСВ на стороне генератора без учёта погонного затухания в линии передачи может привести к неверному заключению о высоком качестве согласования нагрузки с линией передачи и к завышенной оценке КПД системы «линия передачи — нагрузка».

Например, при использовании кабеля PK50-7-15 удельное затухание на частотах Си-Би (около 27 МГц ) составляет 0.04 дБ/м , и при длине кабеля 40 м отражённый сигнал ослабнет на 3.2 дБ . Это приведёт к тому, что при значении КСВ вблизи антенны, равном 2.00, измеритель КСВ покажет значение 1.38; при КСВ у антенны 3.00 измеритель покажет около 1.63 и так далее.

• При измерении КСВ антенны без использования радиочастотной безэховой камеры результат измерения может быть неверным, если антенна принимает радиосигналы расположенных поблизости мощных источников, амплитуда которых на входе измерителя сопоставима с амплитудой отражённого от антенны измерительного сигнала. Эта проблема — не редкость в декаметровом и более длинноволновых диапазонах, где действующая высота полноразмерных антенн велика. Для ослабления указанного влияния повышают мощность генератора измерительного сигнала, включают в тракт частотные фильтры и применяют другие схемотехнические решения. Тем не менее, это не устраняет необходимости в безэховой камере, чтобы антенна не возвращала в измеритель собственный сигнал, отражённый от окружающих предметов.

Например, в отечественных панорамных измерителях КСВн и ослабления, таких как Х1-43, применялась амплитудная модуляция испытательного сигнала на частоте 100 кГц (отключаемая), а напряжение с детекторов проходило через узкополосный полосовой фильтр (отключаемый), что делало приёмные цепи селективными. Недостатком такого метода является снижение разрешающей способности измерителя по частоте, из-за того, что в каждой конкретной точке развёртки, передаётся (подаётся на испытуемое устройство) не монотональный сигнал, а спектр шириной несколько сот кГц.

• Датчик КСВ на выходе радиопередатчика может давать неверные показания, если сигнал содержит недостаточно подавленные гармоники несущего колебания (например, из-за неверной настройки выходной колебательной цепи радиопередатчика) или иные побочные колебания.
• Измеритель КСВ рассчитывается на использование в тракте с определённым значением волнового сопротивления. Попытка измерить КСВ в тракте с иным значением волнового сопротивления даст неверный результат.

Например, проведение измерений КСВ в тракте с волновым сопротивлением 75 Ом с использованием КСВ-метра для тракта 50 Ом даст неверный результат.

Источник

Что такое КСВ и чем его закусывать?
Коэффициент стоячей волны, его влияние на потери в линиях приёма/передачи.

Так или иначе, любой индивид, интересующийся техникой радиосвязи, рано или поздно, сталкивается с лаконичным термином «КСВ». При этом, если даже ёжику известно, что значение КСВ должно быть как можно меньше, то какова физическая сущность этого параметра, а также степень его влияния на уровень потерь энергии в линии, ясно не всегда и не каждому.

Начнём с торжественного, но малопонятного определения из википедии:
«Коэффициент стоячей волны (КСВ, от англ. standing wave ratio, SWR) — отношение наибольшего значения амплитуды напряжённости электрического или магнитного поля стоячей волны в линии передачи к наименьшему».

Для мало-мальского понимания вышесказанного, давайте представим линию передачи, состоящую из источника сигнала (генератора, передатчика и т.д.), фидера (кабеля, соединяющего источник с антенной) и, собственно говоря, самой антенны.
Фанатично вдаваться в глубину процесса — дело долгое и нудное, поэтому поверим на слово специалистам-теоретикам: при несовпадении входных/выходных сопротивлений всех перечисленных устройств, часть энергии генератора отражается от нагрузки и в виде отражённой волны возвращается обратно в линию.
Таким образом, в результате сложения (по-умному интерференции) падающей и отражённой волн возникает стоячая волна, проявляющаяся в виде периодического изменения амплитуды напряжённости электрического и магнитного полей вдоль направления распространения сигнала в линии передачи.

Рис.1

На рисунке показаны эпюры напряжения в линии в различные моменты времени.

Налицо колебательный процесс изменения амплитуды, связанный с тесным взаимодействием входного сигнала постоянной амплитуды с сигналом, отражённым от несогласованной нагрузки и имеющим ту же самую частоту, но сдвинутым по отношению к входному по фазе.
К частоте этого колебательного процесса отнесёмся индифферентно, а вот размах изменения амплитуды как раз и определяет параметр коэффициента стоячей волны.
Формула здесь очень простая:

Величина, обратная КСВ, называется КБВ (коэффициент бегущей волны):
КБВ = 1/КСВ

Рассмотрим две крайние ситуации:

1. Umin=0, соответственно КСВ=∞ — волна чисто «стоячая», переноса энергии нет. На практике возникает в ситуациях КЗ или обрыва в цепи нагрузки.

2. Umin=Umax, КСВ=1, волна чисто «бегущая», отражений нет, вся энергия от источника попадает в нагрузку — можно получить только на резистивной нагрузке, либо идеально согласованных элементах в линии передачи.

А как нам нужно расстараться, чтобы правильно согласовать компоненты связной аппаратуры?
Ответ не сложен — уравнять все входные/выходные импедансы устройств, входящих в приёмо-передающий тракт.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля (как правило, 50 либо 75 Ом) — величина, зависящая от соотношения диаметров внутреннего и внешнего проводников, и вполне строго соответствует величине, обозначенной производителем.

Входной/выходной импеданс приёмника/передатчика не слишком сложными схемотехническими ухищрениями выводится на уровень сопротивления кабеля, соединяющего радиостанцию с антенной.

Остаётся самое ничего — согласовать антенну со всем остальным хозяйством для минимизации величины коэффициента стоячей волны.
Можно, конечно, сделать страшное лицо и гавкнуть в её сторону: — Не гони обратную волну, падла!
Но это вряд ли. Не услышит. Она ж металлическая.

Короче, обсуждать тему проектирования и согласования приёмо-передающих антенн мы в рамках этой статьи не станем. Для этого есть достаточное количество умных и толстых книг, в которых без матерных излишеств и фонетических шероховатостей даны ответы на все касающиеся антенн головоломки.

Итак, всё понятно — необходимо стремиться к минимуму значения КСВ.
Если кто не догадался, глядя на формулу, или непринуждённо обошёл её вниманием — меньше единицы нам ужать этот параметр не удастся, как лбом не бейся ты о стенку. Поэтому наша глобальная цель — КСВ=1 .

Ну, а если встал вопрос о том, какое отклонение КСВ от 1 можно считать приемлемым для наших радиолюбительских целей, следует припасть к формуле, позволяющей оценить потери мощности рассеивания за счёт неидеальности согласования входных/выходных сопротивлений устройств.

А слегка поднатужившись на сетевой полянке, пытливый ум отыщет и знаний золотую жилу в виде симпатичной таблички, представляющей из себя графическое выражение данной формулы.

По большому счёту, при невысоких подводимых мощностях, потери из-за неединичного КСВ — не так уж и катастрофичны.
Даже при КСВ=5 потери эти составят 2,51дБ (или 44% от поступающей мощности), т.е. 56% всё-таки выскользнет из кабеля и будет доступно для излучения полотном антенны.
А при КСВ=2, вообще получается 0,48дб (или 11%) потерь.

А куда девается энергия потерь?
Бегает по фидеру, и чем больше КСВ, тем большая часть энергии идёт на «обогрев» кабеля. Поэтому при значительных выходных мощностях и высоком КСВ возникает опасность теплового повреждения кабеля.

На практике при проектировании радиопередающих устройств следует исходить из максимальной величины КСВ, не превышающей 2.
Вот что пишет в журнале Радиомир КВ-УКВ 12/2001, с.32-34 уважаемый радиолюбитель, автор статьи «ПPOCTO ОБ АНТЕННАХ, ИЛИ ИЗМЕРЯЕМ КСВ» В. Башкатов:

«При КСВ=2, напряжение в максимуме стоячей волны всего лишь на 30% превышает то, что мы наблюдаем при КСВ=1.
Такое превышение, как правило, не опасно для широкополосных транзисторных усилителей мощности, даже если этот максимум напряжения окажется непосредственно в месте подключения фидера. Да и возрастание напряжения на элементах выходного каскада из-за его недогрузки ещё не будет катастрофическим.
Во всяком случае, для аппаратуры заводского изготовления с транзисторными выходными каскадами КСВ=2 устанавливается предельным, при котором гарантируется ее работоспособность».

Ну и напоследок:
КСВ обозначает лишь степень согласования радиостанции с фидером и антенной и никоим образом не указывает ни на эффективность антенны, ни на её частотные характеристики.
Наилучшим КСВ, равным 1 в широчайшей полосе частот, обладает линия с подключённым к кабелю 50-ти омным резистором. А кому придёт в голову использовать резистор в качестве антенны? Разве что отбившемуся от стаи, ярому фанату антеннки mini-whip.

На следующей странице рассмотрим простое, но весьма красивое решение вопроса измерения КСВ — мостовой КСВ-метр.

Источник

Единицы измерения ксвн антенны

НА ГЛАВНУЮ — — адрес этой страницы — http://ra6foo.qrz.ru/measuring.html — версия 01 06 2011 — НА ГЛАВНУЮ

ИЗМЕРЕНИЯ

Что показывает КСВ метр ?
S11 или «обратные потери» или «входная большая потеря»

ЧТО ПОКАЗЫВАЕТ КСВ МЕТР ?

Для наглядности взяты чисто активные сопротивления. Наличие реактивности не меняет смысла примеров. Я не утверждаю что всё, написанное не так как здесь, неправильно. Просто надеюсь, что сказаное в таком аспекте о КСВ и КСВ метрах будет более понятно.

1 пример:
Для проверки КСВ 50 Омной антенны вы подключили ее к КСВ метру через кабель. В таких случаях рекомендуют брать кабель определенной длины, кратной полволны, или иначе, 0,5; 1,0; 1,5 λ и т. д. повторитель. Делается это для того, чтобы исключить влияние кабеля. Даже в случае, если он имеет допустимое отклонение волнового сопротивления от 50 Ом (по ГОСТ это отклонение может быть +- 4% или от 48 до 52 Ом) , КСВ метр покажет отсутствие рассогласования с той величиной, на которую он настроен, т. е. КСВ 1,0. При этом очевидно, что КСВ в кабеле будет неравным 1, а точнее, будет равен отношению сопротивления нагрузки (антенны) к волновому кабеля, в данном случае или 50/48 или 52/50, т. е. КСВ в кабеле будет при этом 1,04. Вы можете взять для полуволнового повторителя кабель с любым волновым сопротивлением, например 75 Ом, показания КСВ метра останутся прежними, 1.0 при том, что КСВ в кабеле будет 75/50 = 1,5.
2 пример:
Напротив, если мы возьмем длину такого кабеля равной нечетному количеству четвертей, или иначе, N-1/4 трансформатор, КСВ в нем останентся прежним, 50/48 или 52/50, т. е. 1,04, а наш КСВ метр покажет при этом 1.08 вместо 1..0, как отношение странсформированного ко входу КСВ метра сопротивления 50 Ом в сопротивление 54 Ома или 46,1 Ома к сопротивлению, на которое настроен КСВ метр, т. е. отношение 54/50 или 50/46.1 в виде КСВ 1,08. Если в этом примере кабель будет иметь волновое сопротивление 75 Ом, он странсформирует 50 Ом антенны в 112.5 Ом входное на другом его конце и КСВ метр отразит это в виде КСВ 112.5/50 = 2.25. При этом КСВ в кабеле останется таким же, как и в примере с полуволновым кабелем, или 75/50 = 1.5.

Из приведенных примеров очевидно, что
показания КСВ метра это результат сравнения ВХОДНОГО сопротивления нагрузки (коаксиала и т. п.), с сопротивлением, на которое он настроен.
Это сопротивление или вводится прямо в виде эталона, или задается схемой баланса при определенном отношении напряжения к току, где R=U/I
Это относится ко всем КСВ метрам, мостовым, на токовом трансформаторе (ТТ), на направленном ответвителе (НО) и другим.
В мостовом КСВ метре оно определяется сравнением с учетом фазы падения напряжений ВЧ на эталоне и на плече моста с измеряемой нагрузкой.
В КСВ метре на ТТ производится сравнение тока ценральной жилы в виде напряжения с датчика тока и напряжения на центральной жиле через подключенный к ней конденсатор. Схема балансируется при определенном соотношении U и I, соответствующем U/I = R на которое должен быть настроен КСВ метр, обычно 50 или 75 Ом.
В КСВ метре на НО отличие нагрузки КСВ метра от волнового сопротивления самого КСВ метра вызывает в нем отраженные от нагрузки волны, которые наводят напряжение в дополнительной параллельной линии. Или иначе, КСВ метр на НО измеряет КСВ в себе самом как отношение прямой и обратной волны, возникшей в нем в результате рассогласования входного сопротивления нагрузки (коаксиала и т. п.) с собственным волновым сопротивлением КСВ метра.
Более сложные КСВ метры выдают показания не только в виде КСВ, но и R и Jx, но и они основаны на измерении напряжения, тока и фазы, т. е. параметров в точке подключения КСВ метра к исследуемому устройству, прямо связанных с комплексным сопротивлением на входе исследуемого устройства (коаксиала и т. п.).

Упрощенно, не вдаваясь в тонкости операций с комплексными числами, можно сказать, что все они измеряют различие между комплексным сопротивлением R + jX на входе кабеля, подключенного к КСВ метру и тем сопротивлением, на которое настроен КСВ метр, выраженное в виде КСВ
В некоторых источниках этот КСВ трактуется как «КСВ между . » (между коаксиалом и трансивером), что само по себе несколько абсурдно, стоять тут стоячим волнам особо негде. Более того, такая его трактовка как «КСВ между трансивером и нагрузкой» вынуждает её автора добавить еще более мягко говоря неакадемичное «КСВ между . зависит от внутреннего сопротивления источника (трансивера)» Здесь КСВ, это отношение между тем, что мы хотели бы иметь (и на что настроили КСВ метр — на предполагаемое нами внутреннее сопротивление трансивера) и тем сопротивлением, что имеем на входе коаксиала.
Встречаются и явные ошибки: «Слишком коротко звучит «КСВ в линии». Корректнее «КСВ в линии, относительно ее волнового сопротивления». В линии это действительно Коэффициент Стоячей Волны, или просто отношение наибольшего напряжения к наименьшему в ней. Если уж необходимо как то связать КСВ в линии и её волновое сопротивление, то и здесь надо говорить только об отношении между волновым сопротивлением и нагрузкой (отношение большего к меньшему), что и есть в численном виде тот же КСВ.

Ну а как же измерить КСВ в самом коаксиале?
Достаточно просто, для этого ваш КСВ метр должен быть настроен точно на сопротивление, равное волновому сопротивлению кабеля. В этом случае, независимо от длины коаксиала, его показания будут соответствовать КСВ на стартовом участке кабеля. Но при большом затухании в кабеле (например 10. 20 метров RG 58 до антенны 435 МГц) КСВ в стартовом участке кабеля будет существенно меньше, чем на финальном у антенны, т. к. здесь идет сравнение еще не понесшей потери прямой волны с частью от ослабленной потерямии прямой, достигшей антенны, в виде отраженной, тоже понесшей в свою очередь потери на обратном пути. А нас в первую очередь интересует КСВ на финальнм участке кабеля у антенны. В таком случае придется сделать пересчет КСВ с учетом потерь в кабеле.

1 — КСВ метр показывает отношение сопротивления, на которое нагружен его вход, к сопротивлению, на которое он настроен (большего к меньшему)
2 — КСВ метр показывает КСВ в линии только тогда, когда он настроен на сопротивление, равное волновму сопротивлению кабеля.
3 — При отличии волнового сопротивления кабеля от сопротивления, на которое настроен КСВ метр, его показания будут зависеть от длины кабеля.

S11 или «обратные потери» или «входная большая потеря»

В последнее время в статьях или общении об антеннах вместо всем надоевшего КСВ можно встретить параметр S11 или «обратные потери» или «входная большая потеря», что одно и то же. Это коэффициент отражения r в относительных единицах- децибелах: S11(дб) = 20 log r Этот параметр напрямую связан с привычным КСВ формулой: S11(дб)=20 log (КСВ-1)/(КСВ+1), т.е. тот же КСВ, выраженный через логарифм коэффициента отражения r, который связан с КСВ формулой: r = (КСВ-1)/(КСВ+1).
Например КСВ=4 соответствует S11 или обратным потерям 20log&nbsp(4-1)/(4+1)&nbsp=&nbsp-4,43 дб. Коэффициент отражения в зависимости от соотношения сопротивления нагрузки (антенны) и волнового сопротивления кабеля может иметь положительное или отрицательное значение +r и -r, в формуле берется его модуль т.е. величина без учета знака. «Большой потери» здесь нет, те же потери из за КСВ сверх имеющихся, которые положено иметь кабелю и снижение мощности трансивера схемой защиты. В таблице для перевода одних величин в другие их значения округлены. Точный перевод необходимо делать по формулам выше.
Строго говоря S11 и К отражения не одно и то-же и применение этого термина для антенны, как двухполюсника, вызывает сомнения. Видимо здесь сыграло роль распространение более сложных, чем КСВ метры, анализаторов четырехполюсников, где S11 более подходит, чем КСВ или R + Jx.

Источник

Правила настройки антенны и измерения КСВ

После того, как антенна установлена, ее необходимо настроить по минимуму значения КСВ в середине участка рабочих частот или если предполагается работать только на одной частоте, по минимальному значению КСВ на этой частоте.
Что такое КСВ? КСВ — коэффициент стоячей волны — это мера согласования антенно-фидерного тракта. Он показывает процент потерь мощности в антенне. Потери мощности при различных значениях КСВ приведены в таблице 1.

Таблица 1. Потери мощности при различных значениях КСВ

Рис 1. Схема подключения КСВ метра

ВНИМАНИЕ. Пpибоp должен допускать pаботу пpи Вашей выходной мощности! То есть если прибор рассчитан на максимальную мощность 10Вт, а ему на вход подать 100Вт, то результат будет вполне очевиден в виде дыма и вполне осязаем органами обоняния. Переключатель нужно поставить в положение FWD (прямое включение). Включив передачу, нужно выставить ручкой стрелку-указатель на конец шкалы. Таким образом делается калибровка показаний прибора. Калибровать прибор нужно каждый раз при изменении рабочей частоты. Далее, переключив (при отключенной передаче) прибор в положение REF (обратное включение), включить передачу и считать значение КСВ по шкале прибора.

Рассмотрим пример настройки антенны на среднюю частоту сетки С (частота 27,205МГц) изменением длины штыря. Сначала нужно измерить значение КСВ на 1 канале сетки С. Затем на последнем (40) канале сетки С. Если значение КСВ больше 3 в обоих случаях, значит антенна установлена неправильно, не рассчитана на работу в этом диапазоне или имеет неисправности. Если КСВ, измеренный на 1 канале, больше значения КСВ на 40 канале, значит длину штыря нужно укоротить, если наоборот — то штырь необходимо удлинить (выдвинуть из держателя). Встаем на 20 канал сетки С, измеряем КСВ, запоминаем его значение. Откручиваем винты, фиксирующие штырь, двигаем его на 7-10 мм в нужную сторону, затягиваем винты, проверяем КСВ снова. Если штырь вставлен до предела, а КСВ все еще высокий, то придется укорачивать штырь физически. Если штырь выдвинут максимально, то придется увеличивать длину согласующей катушки. Устанавливаем штырь по середине крепления. Откусываем 5-7 мм, измеряем КСВ, снова откусываем. При этом следим чтобы значение КСВ уменьшалось. Как только оно достигнет минимума и начнет увеличиваться, прекращаем издеваться над штырем и далее регулируем его длину изменением положения в антенне Таким образом находим минимум КСВ.

— Обратите внимание, что антенну надо настраивать только по месту ее ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ установки. Это значит, что, перенеся антенну на другое место, ее снова необходимо будет настраивать.

— Если Вы получили КСВ порядка 1,1-1,3, это отличный результат.

— Если Вы получили КСВ порядка 1,3-1,7, это тоже неплохо и Вам не о чем беспокоиться.

— Если КСВ 1,8 — 2, то следует обратить внимание на потери в ВЧ разъемах (неправильная разделка кабеля, плохая пропайка центральной жилы кабеля и т. д.) Для антенны такой уровень согласования будет означать, что у нее есть проблемы с согласованием, и она нуждается в настройке.

— КСВ 2,1 — 5 означает явную неисправность в антенне или неправильную ее установку. КСВ более 5 означает обрыв центральной жилы в кабеле или в антенне.

Из другого источника

Длины 50-омного кабеля в полуволнах, режим “полуволнового повторителя” ( верно для кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией центральной жилы )

Количество полуволн
Сетка “C” Cетка ”D” Сетки “C”& “D”

Средняя частота МГц
27.5

Длина отрезка кабеля
1 3.639м 3.580м 3.611м
2 7.278м 7.160м 7.222м
3 10.917м 10.739м 10.833м
4 14.560м 14.319м 14.444м
5 18.195м 17.899м 18.055м

Источник

Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR)

В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.

Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль – ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.

Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.

Коэффициент стоячей волны по напряжению – это отношение наибольшего вдоль линии значения амплитуды напряжения к наименьшему.

Коэффициент стоячей волны по напряжению вычисляется по формуле:

,
где U₁ и U₂ — амплитуды падающей и отражённой волн соответственно.

В идеальном случае КСВН = 1, это означает, что отраженная волна отсутствует. При появлении отраженной волны КСВ возрастает в прямой зависимости от степени рассогласования тракта и нагрузки. Допустимые значения КСВН на рабочей частоте или в полосе частот для различных устройств регламентируются в технических условиях и ГОСТах. Обычно приемлемые значения коэффициента лежат в пределах от 1,1 до 2,0.

Измеряют КСВН, например, с помощью включённых в тракт в противоположном направлении двух направленных ответвителей. В космической технике КСВН измеряется встроенными в волноводные тракты датчиками КСВ. Современные анализаторы цепей также имеют встроенные датчики КСВН.

При проведении измерений КСВН необходимо учитывать, что затухание сигнала в кабеле приводит к погрешности измерений. Это объясняется тем, что как падающая, так и отраженная волны испытывают затухание. В таких случая КСВН рассчитывается следующим образом:

,

где К — коэффициент ослабления отраженной волны, который вычисляется следующим образом: K = 2BL,
здесь В — удельное затухание, дБ/м;
L — длина кабеля, м;
а множитель 2 учитывает тот факт, что сигнал испытывает ослабление при передаче от источника СВЧ сигнала к антенне и на обратном пути.

Источник