Что такое КСВ?

В практике построения и технического обслуживания систем радиосвязи всегда возникает необходимость проведения измерения электрических  параметров всех компонентов, составляющих систему радиосвязи. Одним из основных таких компонентов является антенно-фидерный тракт, важнейшая характеристика которого - коэффициент стоячей волны КСВ. Что такое КСВ? О чем говорит величина этого параметра? Каковы допустимые пределы его изменения? Какое влияние он оказывает на эффективность работы всей радиостанции? Как правильно измерить КСВ и как адекватно оценить результат измерения? Об этом пойдет речь далее.

Немного теории.

Электромагнитная волна движется в линии от источника к нагрузке. Такая волна называется падающей. Если сопротив­ление нагрузки Zн равно волновому сопротивлению линии , то вся энергия падающей волны поглощается нагрузкой. В любом другом случае ( не равно ) в на­грузку переходит только часть энергии, а остальная отражает­ся от нее и движется по линии назад к источнику сигнала. Эта волна называется отраженной.

Если = , то амплитуда тока вдоль линии постоянна, если , то отраженная волна накладывается на падаю­щую, возникает интерференция, в результате чего в линии имеет место неравномерное распределение тока.

Если линия короткозамкнута на конце или полностью разомкнута, то происходит полное отражение падающей волны, и ми­нимумы в распределении тока достигают нуля — линия не пе­редает активную мощность.

Мерой согласования линии с нагрузкой служит коэффициент стоячей волны КСВ (в англоязычной литературе SWR):

 

где Рподв и Ротр —  мощность падающей и отраженной волн ответственно.

КСВ является показателем рассогласования линии, то есть мерой, показывающей, насколько отличается импеданс на­грузки линии Zн от ее волнового сопротивления Zо. Например, в частном случае чисто активной нагрузки Zн = Rн, КСВ = 2 говорит о том, что Rн отличатся в два раза от Zо. Но в какую сторону, большую или меньшую, т. е. Rн = 2Zо или Rн = Zо/2 по величине КСВ сказать невозможно.

КСВ определяется относительно данного сопротивления Zо. Очевидно, что одна и та же нагрузка относительно различных значений волнового сопротивления (например, для двух раз­ных линий) даст разные значения КСВ.

Потери в рассогласованной линии (КСВ > 1)

Этот вопрос, вместе с примыкающим к нему вопросом о допустимой величине КСВ, в любительской литературе явля­ется одним из наиболее запутанных. Во многих источниках указывается на недопустимо высокие потери при КСВ > 3...5. Вместе с тем, во многих антеннах используются λ/4 шлейфы и трансформаторы (J-антенна, например), резонансные линии питания, схемы согласования на отрезках длинных линий - КСВ во всех этих устройствах нередко превышает 10. И ника­ких значительных потерь в них не наблюдается. С другой сто­роны, почти все из практики знают, что антенна, питаемая по длинному кабелю с КСВ = 3...5, обычно работает заметно хуже, чем при КСВ = 1, но опять же не всегда...

Давайте разбираться. Не подлежит сомнению, что в рас­согласованной линии (с КСВ > 1) потери выше, чем в согласо­ванной. Причин тому две.

Первая - возрастают тепловые потери. Эти потери про­порциональны квадрату тока, и резкое их возрастание на тех участках линии, где ток максимален, не ком­пенсируется небольшим снижением их на участках, где ток ми­нимален. Это безвозвратное рассеивание ВЧ мощности в теп­ло, обычно выражаемое как КПД рассогласованной линии. При небольших (менее 2 дБ) потерях в согласованной линии А КПД рассогласованной линии КПДлин описывается формулой:

 

КПДлин ≈ 1/(1+0,115A*(КСВ+1/КСВ)),                (1)

где А — потери (затухание) в дБ этой же линии при КСВ = 1

КСВ — КСВ в данной линии (относительно ее )

 

При помощи этой формулы рассчитана таблица:

Таблица 1

КСВ

А = 2дБ

А = 1 дБ

А = 0,5 дБ

А = 0,2 дБ

А = 0,1 дБ

1

68%

81,3%

89,6%

95,6%

97,8%

1,5

66,7%

80,1%

88,9%

95,2%

97,6%

1

63,5%

77,7%

87,5%

94,6%

97,2%

3

56,6%

72,3%

83,9%

92,9%

96,3%

5

45,5%

62,5%

76,9%

83,6%

94,3%

10

30%

46,2%

63,2%

81,1%

89,6%

20

17,8%

30,2%

46%

68,4%

81,3%

 

Из таблицы видно, что не так страшен высокий КСВ, как зачастую принято считать. Гораздо более сильное влияние оказывает затухание А. В самом деле, при А = 1 дБ (что соответствует коаксиалу весьма хорошего качества, длиной 50 м, на частоте 20 МГц), при КСВ = 1 КПД составляет 81,3%. Но такой же КПД имеет двухпроводная линия среднего качества (А = 0,2 дБ) при КСВ =10 или двухпроводная линия хорошего качества (А = 0,1 дБ) при КСВ = 20! Это ответ на вопрос почему во всяко­го рода резонансных линиях в составе антенн, работающих с вы­соким КСВ, потери невелики — из-за малого затухания А в них.

Вторая - возникают так называемые «потери рассогласования передатчика». Термин достаточно неудачный и запутывающий суть дела. На самом деле это не безвозвратный уход мощности куда-то «на сторону», а всего лишь показатель того, что пере­датчик, не будучи нагружен на оптимальное для себя сопро­тивление, не отдает в линию всю ту мощность, на которую он способен. То есть это не потери в линии, а снижение мощнос­ти, отдаваемой в линию передатчиком.

Вопрос о том, куда девается остальная мощность пере­датчика, из той же оперы что и вопрос, куда девается 50 Вт мощности у стоваттной лампочки, включенной в сеть не прямо, а через тиристорный регулятор, и поэтому светящей лишь вполнакала? Никуда не девается - просто не потребляется лампочкой. Так и у передатчика — оставшаяся часть мощности передатчика никуда не рассеивается! Просто передатчик не развивает на неоптимальной нагрузке (нагрузка с КСВ > 1, ана­лог — лампочка, включенная через регулятор и поэтому святя­щая вполовину) полной своей мощности, которую он может от­дать на согласованной нагрузке (нагрузка с КСВ = 1, аналог — лампочка, включенная прямо в сеть и светящая во всю свою мощь). Поэтому будем называть это явление не «потерями рассогласования», а снижением эффективной мощности пере­датчика из-за рассогласования с нагрузкой. Хоть и длинно, зато точно.

В чем механизм этого явления? Возьмем передатчик с вы­ходным сопротивлением Rвых равным волновому сопротивле­нию используемой линии . Например, транзисторный трансивер без согласующего устройства с фикси­рованным выходом 50 Ом, работающий на коаксиальный ка­бель 50 Ом. Если отраженной волны нет, входное сопротивление линии со стороны трансивера 50 Ом, и трансивер, «увидев» в нагруз­ке оптимальные для него 50 Ом, отдает всю мощность в линию.

Если же КСВ > 1, то отраженная волна, вернувшись от ан­тенны к трансиверу, изменит входное сопротивление линии (как правило, появляется реактивная составляющая). На такое комплексное сопротивление трансивер, предназначенный для работы на 50 Ом, уже не сможет отдать полную мощность. Это хорошо известное положение из теории цепей – генератор с внутренним сопротивлением R передает в нагрузку максимум мощности, если нагрузка равна R, при любом другом сопро­тивлении нагрузки мощность в ней снижается. Уровень сниже­ния мощности В описывается формулой:

В = Рвыхвых макс = 4/(2+КСВ+1/КСВ),              (2)

 

где Рвых — мощность передатчика, отдаваемая в линию;

Рвых мах — мощность передатчика, которую он развивает на оптимальном для него сопротивлении (при КСВ = 1);

КСВ — относительно вы­ходного сопротивления передатчика Rвых , т. е. КСВ между передатчиком и линией.

Обратите внимание, что это не тот же самый коэффициент стоячей волны, что в формуле 1 (там - КСВ в линии). Вели­чина обоих КСВ (в линии, и между передатчиком и линией) со­впадает только в одном случае, когда Rвых=Zо (например, к 50-омному передатчику подключен 50-омный же кабель). Если же Rвых не равно Zо, то величины коэффициентов стоячей волны в фор­мулах 1 и 2 будут разными. Но надо понимать, что это физически разные КСВ, относящиеся к разным устройствам (линии и передатчику соответственно).

Взгляните — в формулу 2 не входят ни длина линии, ни частота (в отличие от формулы 1, где эти два параметра входят в значение А). Это лишний раз подчеркивает то обстоятель­ство, что речь здесь идет не о проблемах в линии передачи. То есть при одинаковой величине КСВ между передатчиком и линией, даже если длина последней всего 1 мм, то выходная мощность передатчика из-за рассогласования снизится ровно настолько же, как и при длине линии 1 км. Иными словами, формула 2 выражает снижение мощности передатчика на неоптимальной для него нагрузке, причем величина откло­нения импеданса нагрузки от оптимума выражена через КСВ между передатчиком и линией (относительно Rвых).

При помощи этой формулы рассчитана таблица:

Таблица 2

КСВ

1

2

3

4

5

7

10

20

В

100%

88%

75%

64%

55,6%

44%

33%

18,1%

В случае передатчика с фиксированным выходным со­противлением и Rвых=Zо (например, транзисторный трансивер без тюнера) из максимально возможной Рвых мах мощности до антенны дойдет:

Рант = Рвых макс*КПДлин*В                   (3)

 

То есть для линии с потерями А = 1 дБ при КСВ = 3 до ан­тенны дойдет 72,3%х75% (см. табл. 1 и 2) = 54%, а при КСВ = 5 - 62,5%х55,6 = 34,75%. То есть антенной излучится в 2...3 раза меньшая мощность. Это ответ, почему при высо­ком КСВ в длинной линии настолько может снизиться дошед­шая до антенны мощность.

Если передатчик имеет на выходе согласующее устройство (СУ), то  он способ­ен настроиться на комплексное входное сопротивление линии, при этом снижение мощности передатчика из-за рассогласования отсутствует.

Происходит это вот почему — выходное сопротивление СУ заменяет собой выходное сопротивление передатчика Rвых (вернее комплексное ZВЫХ), в формуле 2. Так, чтобы КСВ, входящий в формулу 2 (не забудем, он вычисляется отно­сительно Rвых) стал бы равен 1. При этом величина В становит­ся равной 1.

Важно: снижение эффективной мощности передатчика из-за рас­согласования с нагрузкой не происходит в случае, если передат­чик имеет возможность быть настроенным на комплексное сопротивление нагрузки (то есть имеет на выходе СУ). В этом случае, на входе СУ передатчик «видит» чисто актив­ное и оптимальное для себя сопротивление. Однако в этом случае добавляются потери в СУ, КПД которого КПДсу в зависи­мости от качества СУ и импеданса, на который оно настраива­ется, обычно лежит в пределах 80...95%. В этом случае из мак­симальной Рвых мах мощности до антенны дойдет мощность:

Рант = Рвых макс*КПДлин*КПДсу                  (4)

 

которая будет заметно выше, чем в предыдущем случае (так как КПДсу выше, чем быстро падающее с ростом КСВ В). Именно поэтому большинство современных трансиверов имеет встро­енный тюнер.

Отметим следующее: допустим, мы точно настроили СУ на средней частоте диапазона. КСВ между передатчиком и СУ ра­вен 1, и снижения эффективной мощности передатчика из-за рассогласования с нагрузкой нет. Но как только мы изменим частоту (не трогая настроек СУ), из-за изменившегося входно­го импеданса антенны, станет иным и входное сопротивление линии в точке подключения ее к СУ. Поэтому после трансфор­мации в СУ с входа передатчика получится уже не прежнее сопротивление 50 Ом, а что-то иное, и КСВ между передатчиком и СУ станет больше 1. В результате в передатчике возникнет снижение эффективной мощности из-за рассогласования с нагрузкой, а в формуле 4 — еще один множитель В, который должен быть вычислен по формуле 2 исходя из значения КСВ между передатчиком и СУ. Избежать этого можно, подстраивая СУ при перестройке по диапазону, чтобы КСВ между передат­чиком и СУ не превышал 1,2...1,5.

Так какое же значение КСВ в линии считать допусти­мым? Из вышесказанного ясно, что и при КСВ = 3 до антенны может дойти только половина мощности передатчика, и при КСВ = 20 — более 80%. Представляется, что определять мак­симально допустимый уровень КСВ надо в каждом конкретном случае, задаваясь отношением N = Рант/Рвых мах. Достаточно разумным порогом будет значение N = 70% (чуть менее 2 дБ суммарно­го ослабления), то есть из 100 Вт передатчика даже в самом худшем случае 70 Вт дойдут до антенны.

Случай 1  передатчик с СУ на выходе.

Допустим, что СУ имеет КПД 90%. Тогда, чтобы получить N > 70% максимально допустимый уровень КСВ (в зависимо­сти от потерь в согласованной линии а) составит:

Таблица 3

Потери А, дБ

1

0,5

0,2

0,1

Максимальный КСВ

2

4,7

12,2

24,7

Отметим важный момент: кроме наличия СУ необходимо, чтобы его диапазон перестройки по выходному импедансу по­зволял бы настроиться на имеющийся входной импеданс линии.

Случай 2  передатчик с фиксированным и не подстраива­емым Rвых.

Тогда, чтобы получить N > 70% максимально допустимый уровень КСВ (в зависимости от А) составит:

Таблица 4

Потери А, дБ

1

0,5

0,2

0,1

Максимальный КСВ

1,85

2,5

3

3,2

Таким образом, для того чтобы понять, какой максималь­ный уровень КСВ допустим в каждом конкретном случае, необходимо сна­чала определиться с длиной и типом линии передачи. Затем на основании справочных данных оценить величину потерь А в линии. И затем, по табл. 3 или 4 (в зависимости от наличия СУ), оценить - какой максимальный КСВ допустим для данной антенны.

Из табл. 3 и 4 видно, что при не подстраиваемом выходе передатчика (табл. 4) требования к КСВ намного жестче. Но в данном случае нет особого смысла бороться за снижение потерь в линии до малых значений — разница между А = 1 дБ и А = 0,1 дБ весьма невелика (максимально допусти­мый КСВ меняется всего от 1,85 до 3,2).

Использование же СУ между передатчиком и линией (табл. 3) допускает более высокие предельные значения КСВ, причем быстро растущие до очень высоких значений, при уменьшении потерь в линии. При потерях в линии менее 0,2 дБ (длинные высокоомные двухпроводные линии, или короткие и толстые коаксиальные кабели) вполне возможно работать с КСВ > 10.

На УКВ потери а выше, чем на КВ (реально они редко со­ставляют менее 0,5 дБ), поэтому требования по максимально­му значению КСВ для УКВ антенн жестче, чем для КВ.

КСВ: мифы и реальность

1. Отраженная от нагрузки мощность Ротр не является мощ­ностью потерь и не рассеивается ни в линии, ни в передатчи­ке. На величину РОТР понижается активная выходная мощность передатчика, не имеющего СУ на выходе (неоптимальный входной импеданс линии просто не позволяет передатчику развить всю мощность, на которую он способен).

2. КСВ в линии не зависит от ее длины. Он определяется только соотношением комплексного сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению линии. Величина КСВ одинакова в любой точке линии. Поэтому совершенно бесполезно пытаться уменьшить КСВ в линии (т. е. КСВ относительно волно­вого сопротивления линии Zо) подбором ее длины.

3. Если выходное сопротивление передатчика Rвых = Zо (на­пример, к 50-омному передатчику подключен 50-омный же ка­бель), то КСВ между передатчиком и линией не может быть уменьшен изменением длины линии.

4. Если Rвых передатчика не равно Zо (например, к 50-омно­му передатчику подключен 75-омный кабель), то изменением длины линии можно добиться снижения КСВ между передатчи­ком и линией. Но КСВ в линии при этом останется неизмен­ным. Необходимо помнить, что это два разных коэффициента стоячей вол­ны. Первый определяет КПД линии (в формуле 1), второй — уровень снижения мощности передатчика из-за рассогласова­ния (в формуле 2).

5. СУ между ТХ и линией не изменяет КСВ в линии между СУ и антенной. Оно лишь обеспечивает оптимальную нагрузку для передатчика (т. е. снижает КСВ между передатчиком и СУ до 1), на которую он отдает полную мощность.

6. Высокий КСВ далеко не всегда является синонимом плохой антенны и больших потерь.

7. Величина КСВ ничего не говорит об эффективности из­лучения антенны. Скажем, КСВ = 1 можно получить, подключив к линии вместо антенны согласованный резистор. Ясно, что излучения в этом случае не будет вовсе, хотя КСВ и равен 1.

8. Частота, на которой КСВ достигает минимума, не в любом случае равна резонансной частоте антенны. То есть не всегда можно, ориентируясь на минимум КСВ настраивать антенну в резонанс. В табл. 5 приведены частоты минимума КСВ для различных волновых сопротивлений линии питания Zо. Рассматриваются две простые антенны квадрат и диполь, обе с реальной резонансной частотой 21,3 МГц.

Таблица 5

КСВ в линии с Z0, Ом

Частота минимума КСВ, МГц

Квадрат Rа =120 Ом

Диполь Rа = 70 Ом

25

21,15

21,20

50

21,22

21,28

200

21,45

21,8

300

21,7

22,3

600

23.3

29,5

 

Видно, что минимум КСВ близок к истинной резонансной частоте антенн, только если Zо не очень отличается от входного сопротивления Rа ан­тенны на резонансе (120 Ом для квадрата и 70 Ом для диполя в нашем примере). Если же Zо сильно отличается от (осо­бенно в большую сторону), то возникает большая погрешность. Взгляните внимательно на табл. 5: положение минимума КСВ относительно точно совпадает с истинной резонансной ча­стотой только при Zо = 50 Ом для диполя и при Zо  = 50, и 200 Ом для квадрата. Во всех же остальных случаях минимум КСВ попадает куда угодно, но только не на истинную резонансную частоту антенны.

 

Литература: И. В. Гончаренко «Антенны КВ и УКВ».

 

В начало

Контакты

Наш адрес: 620028,
Екатеринбург, ул.Кирова, д. 34, оф. 102

Телефон/Факс: (343) 355-56-96, 355-56-97,

E-mail: ural-radio@mail.ru