電圧定在波比とは何ですか? VSWRを計算するには?

電圧定在波比とは何ですか? VSWRの計算方法は?

「VSWR（電圧定在波比）は、高周波電力が電源から伝送線路を経由して負荷に（たとえば、電力増幅器から送電線を経由してアンテナに）送信される効率の尺度です。）。」これがVSWRの概念です。 VSWRの影響要因、伝送システムへの影響、SWRとの違いなど、VSWRの詳細については、この記事で詳しく説明します。

＃コンテンツ

1. SWR（定在波比）とは？

2. SWRの重要なパラメータ指標

3. VSWR（電圧定在波比）とは何ですか？

4. VSWR が伝送のパフォーマンスに与える影響エントルピー?

5. 測定方法 SWR?

6. 計算する方法 VSWR?

7. 無料のオンライン VSWR 計算機

1. SWR（定在波比）とは何ですか？

ウィキペディアによると、定在波比（SWR）は次のように定義されています。

「負荷と伝送線路または導波管の特性インピーダンスとのインピーダンス整合の尺度。インピーダンスの不一致により、伝送線路に沿って定在波が発生します。SWRは、腹での部分的な定在波の振幅（最大）との比率として定義されます。線に沿ったノード（最小）での振幅。」

SWRは通常、 SWRメーター。 SWRは、使用中の伝送ラインの特性インピーダンスに対する負荷インピーダンスの測定値であるため（以下で説明するように、これらが一緒になって反射係数を決定します）、特定のSWRメーターは、SWRに関して見たインピーダンスを解釈できるのは、その特定の特性インピーダンス用に設計されています。実際には、これらのアプリケーションで使用されるほとんどの伝送ラインは、インピーダンスが50または75オームの同軸ケーブルであるため、ほとんどのSWRメーターはこれらのXNUMXつに対応します。

SWRのチェックは、ラジオ局の標準的な手順です。。インピーダンスアナライザー（または「インピーダンスブリッジ」）を使用して負荷のインピーダンスを測定しても同じ情報を取得できますが、SWRメーターは、この目的のために、よりシンプルで堅牢です。送信機出力でのインピーダンス不整合の大きさを測定することにより、アンテナまたは伝送ラインのいずれかに起因する問題が明らかになります。

ちなみに、個人的に定在波を経験したことがないと思うなら、それはほとんどありません。電子レンジの定在波は、食品が不均一に調理される理由です（ターンテーブルはその問題の部分的な解決策です）。 2.45 GHz信号の波長は、約12センチメートル、つまり約XNUMXインチです。放射（および加熱）のヌルは、波長と同様の距離で分離されます。

最後に動画を見てみましょう。

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2.SWRの重要なパラメータインジケータ

1）反射係数とは

反射係数は パラメーター これは、伝送媒体のインピーダンス不連続によって電磁波がどれだけ反射されるかを表し、入射波に対する反射波の振幅の比率に等しくなります。反射係数は、VSWR を決定したり、たとえばフィーダーと負荷の間の一致を調査するときに非常に役立つ品質です。ギリシャ文字の Γ は通常、反射係数に使用されますが、σ もよく見られます。

反射係数

反射係数の基本的な定義を使用して、次の知識から計算できます。 入射電圧と反射電圧.

どこ：
    Γ=反射係数
    Vref =反射電圧
    Vfwd =順方向電圧

2）リターンロスとリサーションロス

リターンロス は、光ファイバーリンクまたは伝送ラインの不連続性による信号の反射または戻りによる信号電力の損失であり、その表現の単位もデシベル (dB) です。このインピーダンスの不一致は、回線に挿入されたデバイスまたは終端負荷にある可能性があります。さらに、反射減衰量は反射係数 (Γ) と定在波比 (SWR) の両方の関係であり、常に正の数であり、反射減衰量が高いほど良好な測定パラメータであり、通常は低挿入量に相関します。損失。ちなみに、リターンロスを大きくするとSWRの低下につながります。

信号の喪失。光ファイバーリンクの長さに沿って発生します。、挿入損失と呼ばれます。ただし、挿入損失は、データ伝送か電気伝送かを問わず、あらゆる種類の伝送で自然に発生します。また、物理的な伝送線路や導電経路は基本的にすべてそうであるように、経路が長いほど損失が大きくなります。さらに、これらの損失は、スプライスやコネクタなど、ラインに沿った各接続ポイントでも発生します。この特定の測定パラメータはデシベルで表され、常に正の数である必要があります。ただし、必ずしもそうであるとは限りません。また、偶然にも負の値である場合、それは好ましい測定パラメータではありません。場合によっては、挿入損失が負のパラメータ測定値として表示されることがあります。

リターンロスと挿入損失

それでは、挿入損失と反射減衰量がどのように相互作用するかをよりよく理解できるように、上の図を詳しく調べてみましょう。ご覧のとおり、入射電力は、コンポーネントに到達するまで、左から伝送ラインを伝わります。コンポーネントに到達すると、信号の一部が反射されて伝送ラインを下って、信号の発信元に向かいます。また、信号のこの部分はコンポーネントに入らないことに注意してください。

信号の残りは実際にコンポーネントに入ります。そこで一部は吸収され、残りはコンポーネントを通過して反対側の伝送ラインに入ります。 部品から出る力を伝達力といいますであり、次の XNUMX つの理由で入射電力よりも小さくなっています。

① 信号の一部が反射されます。

②コンポーネントが信号の一部を吸収します。

したがって、要約すると、挿入損失はデシベルで表されます。これは、送信電力に対する入射電力の比率です。さらに、反射減衰量はデシベルで表され、入射電力と反射電力の比率であると要約できます。したがって、XNUMX種類の損失測定パラメータが、システム内またはスルーパス内の測定可能な信号とコンポーネントの全体的な効率を正確に測定するのにどのように役立つかがわかります。

今日の電子機器の慣行では、使用の観点から、反射波の値が小さいほど反射減衰量が優れているため、反射減衰量はSWRよりも望ましいです。

3）インピーダンス整合とは

インピーダンスマッチングは 設計ソース & 負荷インピーダンス 信号の反射を最小限に抑えるか、電力伝送を最大化します。 DC 回路では、ソースと負荷は等しくなければなりません。 AC 回路では、ソースは、目標に応じて、負荷または負荷の複素共役のいずれかに等しくなければなりません。インピーダンス (Z) は、電気の流れに対する抵抗の尺度であり、実部が抵抗 (R) として定義される複素数値であり、虚部はリアクタンス (X) と呼ばれます。インピーダンスの式は、定義により Z=R+jX となります。ここで、j は虚数単位です。 DCシステムではリアクタンスがゼロなので、インピーダンスは抵抗と同じです。

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3. VSWR（電圧定在波比）とは

1）VSWRの意味は何ですか

電圧定在波比 (VSWR) は ミスマッチの量の指標 アンテナとそれに接続する給電線の間。（クリックこちら当社のアンテナ製品をお選びください) これは定在波比 (SWR) とも呼ばれます。 VSWR の値の範囲は 1 から ∞ です。 2未満のVSWR値が考慮されます適当ほとんどのアンテナアプリケーション向け。アンテナは「Good Match」と表現できます。そのため、アンテナのマッチングが不十分だと誰かが言う場合、多くの場合、対象の周波数の VSWR 値が 2 を超えていることを意味します。リターンロスは別の重要な仕様であり、アンテナ理論のセクションで詳しく説明します。一般的に必要とされる変換は、リターンロスと VSWR の間であり、いくつかの値は、クイックリファレンスとしてこれらの値のグラフとともにチャートに表されています。

VSWRについてのクイックビュービデオを撮りましょう！

2) 要因 VSWRに影響します

· 周波数

· アンテナアース

· 近くの金属物

· アンテナ構造のタイプ

· 温度

3）SWR vs VSWR vs ISWR vs PSWR

SWRは概念、つまり定在波比です。 VSWRは、実際には、電圧を測定してSWRを決定することにより、測定を行う方法です。電流または電力（ISWRおよびPSWR）を測定することにより、SWRを測定することもできます。しかし、ほとんどの意図と目的のために、誰かがSWRと言うとき、それらはVSWRを意味し、一般的な会話ではそれらは交換可能です。

· SWR：SWRは定在波比の略です。これは、ラインに現れる電圧と電流の定在波を表します。これは、電流と電圧の両方の定在波の一般的な説明です。これは、定在波比を検出するために使用されるメーターと組み合わせて使用されることがよくあります。与えられたミスマッチに対して、電流と電圧の両方が同じ割合で上昇および下降します。
· VSWR：VSWRまたは電圧定在波比は、フィーダーまたは送電線に設定される電圧定在波に特に適用されます。電圧定在波の検出が容易であり、多くの場合、デバイスの故障に関して電圧がより重要であるため、VSWRという用語は、特にRF設計領域内でよく使用されます。

ほとんどの実用的な目的では、ISWRはVSWRと同じです。 理想的な条件下では、信号伝送ラインのRF電圧はライン上のすべてのポイントで同じであり、ラインワイヤの電気抵抗とライン導体を分離する誘電体の欠陥によって引き起こされる電力損失を無視します。したがって、理想的なVSWRは1：1です。（多くの場合、SWR値は、比率の最初の数値または分子で単純に記述されます。これは、1番目の数値または分母が常に1であるためです。）VSWRが1の場合、ISWRもXNUMXです。この最適条件は次のようになります。 RF電力が供給される負荷（アンテナやワイヤレスレシーバーなど）のインピーダンスが伝送ラインのインピーダンスと同じである場合にのみ存在します。つまり、負荷抵抗は伝送ラインの特性インピーダンスと同じである必要があり、負荷にはリアクタンスが含まれていてはなりません（つまり、負荷にインダクタンスや静電容量がない必要があります）。その他の状況では、電圧と電流はラインに沿ったさまざまなポイントで変動します。 SWRは1ではありません。

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4.VSWRが伝送システムのパフォーマンスにどのように影響するか

VSWRが伝送システムまたは無線周波数と同一のインピーダンスを使用する可能性のあるシステムのパフォーマンスに影響を与える多くの方法があります。通常はVSWRが使用されますが、電圧波と電流波の両方が問題を引き起こす可能性があります。

· 送信機のパワーアンプが損傷する可能性があります：定在波の結果としてフィーダーに見られる電圧と電流のレベルの増加は、送信機の出力トランジスタを損傷する可能性があります。半導体デバイスは、指定された制限内で動作する場合は非常に信頼性がありますが、フィーダーの電圧と電流の定在波がデバイスを制限外で動作させると、壊滅的な損傷を引き起こす可能性があります。

· PA保護は出力電力を削減します：高いSWRレベルがパワーアンプに損傷を与えるという非常に現実的な危険性を考慮して、多くの送信機には、SWRが上昇するにつれて送信機からの出力を減らす保護回路が組み込まれています。これは、フィーダーとアンテナのマッチングが悪いと、SWRが高くなり、出力が低下するため、送信電力が大幅に失われることを意味します。

· 高電圧および高電流レベルはフィーダーを損傷する可能性があります：定在波比が高いために発生する高電圧・高電流レベルがフィーダーに損傷を与える可能性があります。ほとんどの場合、フィーダーは制限内で十分に動作し、電圧と電流のXNUMX倍に対応できるはずですが、損傷が発生する可能性がある状況もあります。電流の最大値は、使用されるプラスチックを歪めたり溶かしたりする可能性のある過度の局所加熱を引き起こす可能性があり、高電圧は状況によってはアーク放電を引き起こすことが知られています。

· 反射によって引き起こされる遅延は歪みを引き起こす可能性があります：信号が不一致によって反射されると、信号はソースに向かって反射され、アンテナに向かって再び反射されます。フィーダーに沿った信号の送信時間のXNUMX倍に等しい遅延が導入されます。データが送信されている場合、これは符号間干渉を引き起こす可能性があり、アナログテレビが送信されていた別の例では、「ゴースト」画像が見られました。

· 完全一致システムと比較した信号の削減：興味深いことに、VSWRの低下によって引き起こされる信号レベルの低下は、一部の人が想像するほど大きくはありません。負荷によって反射された信号はすべて送信機に反射され、送信機でのマッチングにより信号をアンテナに再び反射できるため、発生する損失は基本的にフィーダーによって発生する損失です。目安として、30MHzで約213dBの損失がある1.5メートルの長さのRG30同軸は、完全に一致したアンテナと比較して、VSWRで動作するアンテナがこの周波数で1dBをわずかに超える損失しか与えないことを意味します。

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5.SWRの測定方法

定在波比の測定には、さまざまな方法を使用できます。最も直感的な方法 スロットラインを使用 これは、プローブがラインに沿ったさまざまなポイントで実際の電圧を検出できるようにするオープンスロットを備えた伝送ラインのセクションです。したがって、最大値と最小値を直接比較できます。この方法は、VHF 以上の周波数で使用されます。低い周波数では、そのようなラインは非現実的なほど長くなります。指向性カプラーは、HF からマイクロ波周波数まで使用できます。 180 分の XNUMX 波以上の長さのものもあり、その使用はより高い周波数に制限されます。他のタイプの方向性結合器は、伝送経路の XNUMX 点で電流と電圧をサンプリングし、それらを数学的に組み合わせて、一方向に流れる電力を表します。アマチュア操作で使用される一般的なタイプの SWR/パワーメーターには、デュアル方向性カプラーが含まれている場合があります。他のタイプでは、XNUMX 度回転できる単一のカプラーを使用して、いずれかの方向に流れる電力をサンプリングできます。このタイプの一方向性カプラーは、多くの周波数範囲とパワーレベルで使用でき、使用するアナログメーターに適したカップリング値を備えています。

すり割り

方向性結合器によって測定された順方向および反射電力は、SWRの計算に使用できます。計算は、アナログまたはデジタル形式で数学的に行うか、追加の目盛りとしてメーターに組み込まれたグラフィカルな方法を使用するか、同じメーターのXNUMXつの針の間の交点から読み取ることによって行うことができます。

上記の測定器は「インライン」で使用できます。つまり、送信機の全出力が測定デバイスを通過して、SWRの継続的な監視が可能になります。ネットワークアナライザ、低電力方向性結合器、アンテナブリッジなどの他の機器は、測定に低電力を使用するため、送信機の代わりに接続する必要があります。ブリッジ回路を使用して、負荷インピーダンスの実数部と虚数部を直接測定し、それらの値を使用してSWRを導出できます。これらの方法は、SWRや順方向および反射電力だけでなく、より多くの情報を提供できます。スタンドアロンアンテナアナライザは、さまざまな測定方法を使用し、周波数に対してプロットされたSWRおよびその他のパラメータを表示できます。方向性結合器とブリッジを組み合わせて使用することにより、複素インピーダンスまたはSWRで直接読み取るインライン機器を作成することができます。複数のパラメータを測定するスタンドアロンアンテナアナライザも利用できます。

パワーメーター

注意： SWRの読み取り値が1未満の場合は、問題があります。 SWRメーターが不良であるか、アンテナまたはアンテナ接続に問題があるか、無線が損傷または欠陥している可能性があります。

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6.VSWRの計算方法

送信波がロスレス伝送ラインと負荷の境界などの境界に当たると（図1）、いくらかのエネルギーが負荷に送信され、一部のエネルギーが反射されます。反射係数は、入射波と反射波を次のように関連付けます。

Γ= V^-/V⁺ （式1）

ここで、V-は反射波で、V +は到来波です。 VSWRは、電圧反射係数（Γ）の大きさに次のように関連しています。

VSWR =（1 + |Γ|）/（1– |Γ|）（式2）

図1.伝送線路と負荷の間のインピーダンス不整合境界を示す伝送線路回路。反射は、Γで指定された境界で発生します。入射波はV +、反射波はV-です。

VSWRは、SWRメーターで直接測定できます。ベクトルネットワークアナライザー（VNA）などのRFテスト機器を使用して、入力ポート（S11）および出力ポート（S22）の反射係数を測定できます。 S11とS22は、それぞれ入力ポートと出力ポートのΓと同等です。数学モードを備えたVNAは、結果のVSWR値を直接計算して表示することもできます。

入力ポートと出力ポートでのリターンロスは、反射係数S11またはS22から次のように計算できます。

RLIN = 20log10|S11| dB (式 3)
RLOUT = 20log10|S22| dB (式 4)

反射係数は、伝送線路の特性インピーダンスと負荷インピーダンスから次のように計算されます。

Γ = (ZL - ZO)/(ZL + ZO) (式 5)

ここで、ZLは負荷インピーダンス、ZOは伝送ラインの特性インピーダンスです（図1）。

したがって：

VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL)/(ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO/ZL。 (式 7)

VSWRは、1：1.5の例として、1に対する比率形式で指定される仕様であることに注意してください。 VSWRには、∞：1と1：1の2つの特殊なケースがあります。負荷が開回路の場合、無限大と1の比率が発生します。 1：1の比率は、負荷が伝送ラインの特性インピーダンスに完全に一致したときに発生します。

VSWRは、伝送ライン自体で発生する定在波から次のように定義されます。

VSWR = |VMAX|/|VMIN| (式 8)

ここで、VMAXは最大振幅、VMINは定在波の最小振幅です。 2つの重畳波では、入射波と反射波の間の建設的な干渉で最大が発生します。したがって：
VMAX = V+ + V- (式 9)

最大の建設的な干渉のために。最小振幅は、破壊的な干渉で発生します。または、次のようになります。

VMIN = V+ - V- (式 10)

方程式9と10を方程式8に代入すると、
VSWR = |VMAX|/|VMIN| = (V+ + V-)/(V+ - V-) (式 11)

方程式1を方程式11に代入すると、次のようになります。

VSWR = V+(1 + |Γ|)/(V+(1 - |Γ|) = (1 + |Γ|)/(1 – |Γ|) (式 12)

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よくある質問

1.VSWRの良い値とは

電波がアンテナシステムのさまざまな部分 (受信機、給電線、アンテナ、自由空間) を通過するときに、インピーダンスの違いに遭遇する可能性があります。各インターフェースでは、波のエネルギーの一部がソースに反射して戻り、給電線に定在波が形成されます。波の最大電力と最小電力の比を測定でき、電圧定在波比 (VSWR) と呼ばれます。 1.5:1 未満の VSWR が理想的です。2:1 の VSWR は、電力損失がより重要な低電力アプリケーションでは、わずかに許容できると考えられていますが、6:1 という高い VSWR は、適切な場合でも使用可能です装置。数学の方程式を気にしない場合に備えて、VSWR と反射電力のパーセンテージとの相関関係を理解するのに役立つ簡単な「チートシート」の表を以下に示します。

VSWR	戻された力（近似）
1:1	0%
2:1	視聴者の３８%が
3:1	視聴者の３８%が
6:1	視聴者の３８%が
10:1	視聴者の３８%が
14:1	視聴者の３８%が