ความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ในสายส่งไฟฟ้าความถี่วิทยุ (RF) ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานและพลังงานสะท้อนกลับ อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (VSWR) เป็นวิธีหนึ่งในการวัดความไม่สมบูรณ์ของสายส่ง บทช่วยสอนนี้จะอธิบายความหมายของ VSWR และวิธีการคำนวณ สุดท้ายนี้ จะแสดงระบบตรวจสอบ VSWR ของเสาอากาศ

คำจำกัดความของ VSWR

อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันไฟฟ้า (VSWR) คือ อัตราส่วนระหว่างคลื่นนิ่งแรงดันไฟฟ้าที่ส่งผ่านและคลื่นนิ่งแรงดันไฟฟ้าที่สะท้อนกลับในระบบส่งกำลังไฟฟ้าความถี่วิทยุ (RF) เป็นการวัดประสิทธิภาพการส่งกำลังไฟฟ้า RF จากแหล่งจ่ายไฟ ผ่านสายส่ง และไปยังโหลด ตัวอย่างทั่วไปคือ...เครื่องขยายเสียงกำลังสูง เชื่อมต่อกับเสาอากาศผ่านสายส่งสัญญาณ

SWR คืออัตราส่วนระหว่างคลื่นที่ส่งผ่านและคลื่นสะท้อน ค่า SWR สูงบ่งชี้ถึงประสิทธิภาพของสายส่งที่ไม่ดีและพลังงานสะท้อน ซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้กับตัวส่งสัญญาณและลดประสิทธิภาพของตัวส่งสัญญาณ เนื่องจาก SWR โดยทั่วไปหมายถึงอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้า จึงมักเรียกว่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันไฟฟ้า (VSWR)

VSWR และประสิทธิภาพของระบบ

ในระบบอุดมคติ พลังงาน 100% จะถูกส่งจากภาคกำลังไปยังโหลด ซึ่งต้องอาศัยการจับคู่ที่แม่นยำระหว่างอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่าย (อิมพีแดนซ์เฉพาะของสายส่งและตัวเชื่อมต่อทั้งหมด) กับอิมพีแดนซ์ของโหลด แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับของสัญญาณจะมีค่าเท่ากันตั้งแต่ต้นจนจบ เนื่องจากสัญญาณผ่านไปโดยไม่มีการรบกวน

ในระบบจริง อิมพีแดนซ์ที่ไม่ตรงกันจะทำให้พลังงานบางส่วนสะท้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิด (เหมือนเสียงสะท้อน) การสะท้อนเหล่านี้ทำให้เกิดการแทรกสอดแบบเสริมและแบบหักล้าง ส่งผลให้เกิดจุดสูงสุดและจุดต่ำสุดของแรงดันไฟฟ้า ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาและระยะทางตามสายส่ง VSWR เป็นค่าที่วัดความแปรปรวนของแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้ ดังนั้นคำจำกัดความที่ใช้กันทั่วไปอีกอย่างหนึ่งสำหรับอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันไฟฟ้าคือ อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดต่อแรงดันไฟฟ้าต่ำสุด ณ จุดใด ๆ บนสายส่ง

สำหรับระบบในอุดมคติ แรงดันไฟฟ้าจะไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นค่า VSWR จึงเท่ากับ 1.0 (หรือโดยทั่วไปมักแสดงเป็นอัตราส่วน 1:1) เมื่อเกิดการสะท้อน แรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงและค่า VSWR จะสูงขึ้น เช่น 1.2 (หรือ 1.2:1) ค่า VSWR ที่สูงขึ้นสัมพันธ์กับประสิทธิภาพสายส่ง (และดังนั้นประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องส่งสัญญาณ) ที่ลดลง

พลังงานสะท้อน

เมื่อคลื่นส่งผ่านกระทบกับขอบเขต เช่น ขอบเขตระหว่างสายส่งที่ไม่มีการสูญเสียและโหลด (รูปที่ 1) พลังงานบางส่วนจะถูกส่งผ่านไปยังโหลด และบางส่วนจะถูกสะท้อนกลับ ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนจะแสดงความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นขาเข้าและคลื่นสะท้อนดังนี้:

Γ = V ^- /V ⁺

โดยที่ V ^-คือคลื่นสะท้อน และ V ⁺คือคลื่นขาเข้า ค่า VSWR เกี่ยวข้องกับขนาดของสัมประสิทธิ์การสะท้อนแรงดันไฟฟ้า (Γ) ดังนี้:

VSWR = (1 + |Γ|)/(1 – |Γ|)

รูปที่ 1 วงจรสายส่งแสดงขอบเขตความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ระหว่างสายส่งและโหลด การสะท้อนเกิดขึ้นที่ขอบเขตที่กำหนดโดย Γ คลื่นตกกระทบคือ V+ และคลื่นสะท้อนคือ V-" class="img-responsive.

สามารถวัดค่า VSWR ได้โดยตรงด้วยเครื่องวัด SWR หรืออาจใช้เครื่องมือทดสอบ RF เช่น เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ (VNA) ในการวัดค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของพอร์ตอินพุต (S ₁₁ ) และพอร์ตเอาต์พุต (S₂₂ ) โดย S₁₁และ S ₂₂เทียบเท่ากับ Γ ที่พอร์ตอินพุตและเอาต์พุตตามลำดับ นอกจากนี้ VNA ที่มีโหมดคำนวณทางคณิตศาสตร์ยังสามารถคำนวณและแสดงค่า VSWR ได้โดยตรงอีกด้วย

ค่าการสูญเสียการสะท้อนกลับที่พอร์ตอินพุตและเอาต์พุตสามารถคำนวณได้จากค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน S ₁₁หรือ S ₂₂ดังต่อไปนี้:

RL_IN = 20log10|S ₁₁ | dB

RL_OUT = 20log10|S ₂₂ | dB

ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนคำนวณได้จากค่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสายส่งและค่าอิมพีแดนซ์ของโหลด ดังนี้:

Γ = (Z_L - Z_O )/(Z_L + Z_O )

โดยที่ Z _Lคืออิมพีแดนซ์โหลด และ Z _Oคืออิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสายส่ง (รูปที่ 1)

VSWR สามารถแสดงได้ในรูปของ Z _Lและ Z _O เช่นกัน เมื่อแทนสมการที่ 5 ลงในสมการที่ 2 เราจะได้:

VSWR = [1 + |(Z_L - Z_O)/(Z_L + Z_O)|]/[1 - |(Z_L - Z_O)/(Z_L + Z_O)|] = (Z_L + Z_O + |Z_L - Z_O|)/(Z_L + Z_O - |Z_L - Z_O|)

สำหรับ Z_L> Z_O, |Z_L - Z_O| = Z_L - Z_O

ดังนั้น:

VSWR = (Z_L + Z_O + Z_L - Z_O)/(Z_L + Z_O - Z_L + Z_O) = Z_L/Z_O.

สำหรับ Z_L< Z_O, |Z_L - Z_O| = Z_O - Z_L

ดังนั้น:

VSWR = (Z_L + Z_O + Z_O - Z_L)/(Z_L + Z_O - Z_O + Z_L) = Z_O/Z_L

ดังที่เราได้กล่าวไว้ข้างต้น VSWR เป็นค่าจำเพาะที่ระบุในรูปอัตราส่วนเทียบกับ 1 เช่น 1.5:1 นอกจากนี้ยังมีกรณีพิเศษสองกรณีของ VSWR คือ ∞:1 และ 1:1 อัตราส่วนอนันต์ต่อหนึ่งเกิดขึ้นเมื่อโหลดเป็นวงจรเปิด ส่วนอัตราส่วน 1:1 เกิดขึ้นเมื่อโหลดมีการจับคู่กับอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสายส่งอย่างสมบูรณ์

VSWR ถูกกำหนดจากคลื่นนิ่งที่เกิดขึ้นบนสายส่งเองโดย:

VSWR = |V^MAX |/|V^MIN |

โดยที่ VMAX ^คือแอมพลิจูดสูงสุด และ VMIN ^คือแอมพลิจูดต่ำสุดของคลื่นนิ่ง เมื่อมีคลื่นสองลูกซ้อนทับกัน ค่าสูงสุดจะเกิดขึ้นจากการแทรกสอดแบบเสริมกันระหว่างคลื่นขาเข้าและคลื่นสะท้อน ดังนั้น:

V ^MAX = V ⁺ + V ^-

เพื่อให้เกิดการแทรกสอดแบบเสริมกันสูงสุด ส่วนการแทรกสอดแบบหักล้างกันจะทำให้แอมพลิจูดต่ำสุด หรือ:

V^{MIN =} V ⁺ - V ^-

เมื่อแทนสมการที่ 9 และ 10 ลงในสมการที่ 8 จะได้

VSWR = |V^MAX|/|V^MIN| = (V⁺ + V^-)/(V⁺ - V^-)

แทนสมการที่ 1 ลงในสมการที่ 11 เราจะได้:

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

สมการที่ 12 คือสมการที่ 2 ที่กล่าวไว้ในตอนต้นของบทความนี้

ระบบตรวจสอบ VSWR

เดอะแม็กซ์2016 MAX2016 เป็นตัวตรวจจับ/ควบคุมแบบลอการิทึมคู่ ใช้สำหรับตรวจสอบค่า VSWR/การสูญเสียการสะท้อนกลับของเสาอากาศ เมื่อใช้งานร่วมกับตัวหมุนเวียนและตัวลดทอนสัญญาณ โดย MAX2016 จะส่งค่าความแตกต่างระหว่างตัวตรวจจับกำลังทั้งสองตัวออกมา

MAX2016 เมื่อรวมกับแม็กซ์5402โพเทนชิออมิเตอร์ดิจิทัลและแม็กซ์1116/แม็กซ์1117ADC ประกอบเป็นระบบตรวจสอบ VSWR ที่สมบูรณ์ (รูปที่ 2) โพเทนชิออมิเตอร์ดิจิทัลทำหน้าที่เป็นตัวแบ่งแรงดันโดยใช้แรงดันอ้างอิงขาออกของ MAX2016 แรงดันอ้างอิงภายในสามารถจ่ายกระแสได้ประมาณ 2mA แรงดันนี้จะกำหนดแรงดันเกณฑ์สำหรับตัวเปรียบเทียบภายใน (ขา CSETL) สามารถสร้างสัญญาณเตือนได้เมื่อแรงดันเอาต์พุตเกินเกณฑ์ (ขา COUTL) ADC MAX1116 ต้องการแหล่งจ่ายไฟ 2.7V ถึง 3.6V ในขณะที่ ADC MAX1117 ต้องการ 4.5V ถึง 5.5V นอกจากนี้ ADC ยังสามารถใช้แรงดันอ้างอิงภายนอกที่มาจาก MAX2016 ได้ ADC ที่ทำงานร่วมกับไมโครคอนโทรลเลอร์ช่วยให้สามารถตรวจสอบ VSWR ของเสาอากาศได้อย่างต่อเนื่อง

รูปที่ 2 ระบบตรวจสอบ VSWR ประกอบด้วย ADC สำหรับการวัดแบบเรียลไทม์ โพเทนชิออมิเตอร์ดิจิทัลภายนอกช่วยให้สามารถกำหนดค่าสัญญาณเตือนที่เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบ (COUTL) ได้

สรุป

โดยสรุป บทช่วยสอนนี้อธิบายถึง SWR หรือ VSWR ในฐานะวิธีการวัดความไม่สมบูรณ์และประสิทธิภาพของสายส่ง VSWR เกี่ยวข้องกับสัมประสิทธิ์การสะท้อน อัตราส่วนที่สูงขึ้นแสดงถึงความไม่ตรงกันที่มากขึ้น ในขณะที่อัตราส่วน 1:1 หมายถึงการจับคู่ที่สมบูรณ์แบบ การจับคู่หรือไม่ตรงกันนี้เกิดขึ้นจากแอมพลิจูดสูงสุดและต่ำสุดของคลื่นนิ่ง SWR เกี่ยวข้องกับอัตราส่วนระหว่างพลังงานที่ส่งผ่านและพลังงานที่สะท้อนกลับ MAX2016 แสดงให้เห็นเป็นตัวอย่างวิธีการสร้างระบบเพื่อตรวจสอบ VSWR ของเสาอากาศ