Định nghĩa và công thức tính tỷ số sóng đứng điện áp
Tìm hiểu cách xác định tỷ số sóng đứng điện áp và ý nghĩa của nó đối với chất lượng truyền tín hiệu.
Sự không khớp trở kháng trong đường truyền tần số vô tuyến (RF) gây ra tổn thất công suất và năng lượng phản xạ. Tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR) là một cách để đo lường những khiếm khuyết này của đường truyền. Bài hướng dẫn này sẽ giải thích VSWR là gì và cách tính toán nó. Cuối cùng, nó sẽ trình bày một hệ thống giám sát VSWR của anten.
Định nghĩa VSWR
Tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR) là tỷ số giữa sóng đứng điện áp truyền đi và sóng đứng điện áp phản xạ trong hệ thống truyền tải điện năng tần số vô tuyến (RF). Nó đo lường hiệu suất truyền tải điện năng RF từ nguồn điện, qua đường truyền, đến tải. Một ví dụ điển hình là bộ khuếch đại công suất cao được kết nối với anten thông qua đường truyền.
SWR là tỷ lệ giữa sóng truyền đi và sóng phản xạ. SWR cao cho thấy hiệu suất đường truyền kém và năng lượng phản xạ cao, có thể làm hỏng máy phát và làm giảm hiệu suất hoạt động của máy phát. Vì SWR thường đề cập đến tỷ lệ điện áp, nên nó cũng thường được gọi là tỷ số sóng đứng điện áp (VSWR).
VSWR và hiệu suất hệ thống.
Trong một hệ thống lý tưởng, 100% công suất được truyền từ bộ phận nguồn đến tải, đòi hỏi sự phù hợp chính xác giữa trở kháng nguồn (trở kháng riêng của tất cả các đường truyền và đầu nối) và trở kháng tải. Điện áp xoay chiều của tín hiệu sẽ không đổi từ đầu đến cuối vì tín hiệu truyền qua mà không bị nhiễu.
Trong các hệ thống thực tế, sự không khớp trở kháng khiến một phần năng lượng bị phản xạ trở lại nguồn (giống như tiếng vọng). Những phản xạ này dẫn đến sự giao thoa tăng cường và triệt tiêu, tạo ra các đỉnh và đáy điện áp thay đổi theo thời gian và khoảng cách dọc theo đường truyền. VSWR là thước đo của những biến thiên điện áp này. Do đó, một định nghĩa khác thường được sử dụng cho tỷ số sóng đứng điện áp là tỷ lệ giữa điện áp đỉnh và điện áp đáy tại bất kỳ điểm nào trên đường truyền.
Trong một hệ thống lý tưởng, điện áp không đổi, do đó VSWR bằng 1,0 (hoặc thường được biểu thị là tỷ lệ 1:1). Khi xảy ra hiện tượng phản xạ, điện áp thay đổi và VSWR tăng lên, ví dụ, lên đến 1,2 (hoặc 1,2:1). VSWR càng cao thì hiệu suất đường truyền càng giảm (và do đó hiệu suất tổng thể của máy phát càng giảm).
Năng lượng phản chiếu
Khi một sóng truyền đi chạm vào một ranh giới, chẳng hạn như ranh giới giữa đường truyền không tổn hao và tải (Hình 1), một phần năng lượng được truyền đến tải và một phần bị phản xạ trở lại. Hệ số phản xạ thể hiện mối quan hệ giữa sóng tới và sóng phản xạ như sau:
Γ = V - /V +
Trong đó V- là sóng phản xạ và V + là sóng tới, VSWR có liên quan đến độ lớn của hệ số phản xạ điện áp (Γ) như sau:
VSWR = (1 + |Γ|)/(1 – |Γ|)
Hình 1 minh họa mạch đường truyền thể hiện ranh giới không khớp trở kháng giữa đường truyền và tải. Hiện tượng phản xạ xảy ra tại ranh giới được xác định bởi Γ; sóng tới là V+ và sóng phản xạ là V-.
VSWR có thể được đo trực tiếp bằng máy đo SWR, hoặc có thể sử dụng thiết bị kiểm tra RF như máy phân tích mạng vectơ (VNA) để đo hệ số phản xạ của cổng đầu vào (S11 ) và cổng đầu ra (S22 ) , trong đó S11 và S22 tương đương với Γ tại cổng đầu vào và đầu ra, tương ứng. Hơn nữa, VNA có chế độ tính toán toán học có thể trực tiếp tính toán và hiển thị giá trị VSWR.
Tổn hao phản xạ tại các cổng đầu vào và đầu ra có thể được tính toán từ hệ số phản xạ S11 hoặc S22 như sau:
RL IN = 20log10|S 11 | dB
RL OUT = 20log10|S 22 | dB
Hệ số phản xạ được tính toán từ trở kháng đặc trưng của đường truyền và trở kháng tải như sau:
Γ = (Z L - Z O )/(Z L + Z O )
Trong đó ZL là trở kháng tải và ZO là trở kháng đặc trưng của đường truyền (Hình 1).
VSWR cũng có thể được biểu diễn theo Z₁L và Z₂O . Thay thế Phương trình 5 vào Phương trình 2, ta được:
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 |)
Với Z L > Z O , |Z L - Z O | = Z L - Z O
Vì thế:
VSWR = (Z L + Z O + Z L - Z O )/(Z L + Z O - Z L + Z O ) = Z L /Z O .
Với Z L < Z O , |Z L - Z O | = Z O - Z L
Vì thế:
VSWR = (Z L + Z O + Z O - Z L )/(Z L + Z O - Z O + Z L ) = Z O /Z L
Như đã đề cập ở trên, VSWR là trở kháng đặc trưng được xác định dưới dạng tỷ lệ so với 1, ví dụ như 1,5:1. Cũng có hai trường hợp đặc biệt của VSWR: ∞:1 và 1:1. Tỷ lệ vô cực so với một xảy ra khi tải ở trạng thái hở mạch, trong khi tỷ lệ 1:1 xảy ra khi tải được phối hợp hoàn hảo với trở kháng đặc trưng của đường truyền.
VSWR được xác định từ các sóng dừng xuất hiện trên chính đường truyền bằng công thức:
VSWR = |V MAX |/|V MIN |
Trong đó VMAX là biên độ cực đại và VMIN là biên độ cực tiểu của sóng dừng. Khi hai sóng chồng lên nhau, giá trị cực đại xảy ra do sự giao thoa tăng cường giữa sóng tới và sóng phản xạ. Do đó:
V MAX = V + + V -
Để đạt được sự giao thoa tăng cường tối đa, trong khi sự giao thoa triệt tiêu làm giảm thiểu biên độ, hay:
V MIN = V + - V -
Thay thế phương trình 9 và 10 vào phương trình 8, ta được:
VSWR = |V MAX |/|V MIN | = (V + + V - )/(V + - V - )
Thay phương trình 1 vào phương trình 11, ta được:
VSWR = V + (1 + |Γ|)/(V + (1 - |Γ|) = (1 + |Γ|)/(1 – |Γ|)
Phương trình 12 giống với phương trình 2 đã được đề cập ở đầu bài viết này.
Hệ thống giám sát VSWR
MAX2016 là bộ dò/điều khiển logarit kép được sử dụng để giám sát VSWR/suy hao phản xạ của anten khi được sử dụng kết hợp với bộ ổn áp xung và bộ suy giảm. MAX2016 xuất ra hiệu số giữa hai bộ dò công suất.
Khi kết hợp MAX2016 với biến trở kỹ thuật số MAX5402 và bộ chuyển đổi ADC MAX1116/MAX1117, ta có một hệ thống giám sát VSWR hoàn chỉnh (Hình 2). Biến trở kỹ thuật số hoạt động như một bộ chia điện áp sử dụng điện áp tham chiếu đầu ra của MAX2016. Điện áp tham chiếu bên trong có thể cung cấp dòng điện khoảng 2mA. Điện áp này thiết lập điện áp ngưỡng cho bộ so sánh bên trong (chân CSETL). Có thể tạo ra cảnh báo khi điện áp đầu ra vượt quá ngưỡng (chân COUTL). Bộ chuyển đổi ADC MAX1116 yêu cầu nguồn điện từ 2,7V đến 3,6V, trong khi bộ chuyển đổi ADC MAX1117 yêu cầu từ 4,5V đến 5,5V. Ngoài ra, bộ chuyển đổi ADC có thể sử dụng điện áp tham chiếu bên ngoài do MAX2016 cung cấp. Một bộ chuyển đổi ADC hoạt động cùng với vi điều khiển cho phép giám sát liên tục VSWR của anten.
Hình 2 thể hiện hệ thống giám sát VSWR, bao gồm bộ chuyển đổi ADC để đo lường thời gian thực. Một chiết áp kỹ thuật số bên ngoài cho phép cấu hình tín hiệu cảnh báo tại đầu ra bộ so sánh (COUTL).
Tóm tắt
Tóm lại, hướng dẫn này giải thích SWR hoặc VSWR như một phương pháp đo lường sự không hoàn hảo và hiệu quả của đường truyền. VSWR liên quan đến hệ số phản xạ; tỷ lệ càng cao cho thấy sự không phù hợp càng lớn, trong khi tỷ lệ 1:1 biểu thị sự phù hợp hoàn hảo. Sự không phù hợp này phát sinh từ biên độ đỉnh và đáy của sóng đứng. SWR liên quan đến tỷ lệ giữa công suất truyền đi và công suất phản xạ. MAX2016 trình bày một ví dụ về cách xây dựng một hệ thống để giám sát VSWR của một anten.
