Ксв метр что это

Что такое КСВ и чем его закусывать?

Коэффициент стоячей волны, его влияние на потери в линиях приёма и передачи. Онлайн калькулятор для расчёта КСВ при комплексном характере нагрузки

Так или иначе, любой индивид, интересующийся техникой радиосвязи, рано или поздно, сталкивается с лаконичным термином «КСВ». При этом, если даже ёжику понятно, 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 далеко не всегда и не каждому.

Начнём с торжественного, но малопонятного определения из википедии:
«Коэффициент стоячей волны (КСВ, от англ. standing wave ratio, SWR) – это 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 Напряжённости электрического и магнитного полей в линии

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) – это величина, зависящая от соотношения диаметров внутреннего и внешнего проводников, и довольно точно соответствует величине, которую указывает производитель.

Входной/выходной импеданс приёмника или 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.

А нам 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 единицы 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.

Как можно увидеть, при относительно 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 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».

А чему равен КСВ (SWR) в зависимости от сопротивлений источника и нагрузки?
В линии передачи с волновым сопротивлением ρ, нагруженной на чисто активную (резистивную) нагрузку с сопротивлением R, при R > ρ: КСВ = R/ρ, а при R < ρ: КСВ = ρ/R.
Если же нагрузка комплексная (то есть состоящая из последовательно соединённых активнного и реактивного сопротивлений), то Z = R + jX, а формула для расчёта КСВ приобретает следующий вид:

где k – коэффициент отражения, R – активное сопротивление нагрузки, X – реактивное сопротивление нагрузки, ρ – волновое сопротивление кабеля (50 Ом, 75 Ом и т. д.).

Поскольку формула, приведённая выше, получилась несколько сложнее, чем хотелось бы, то сдобрим материал калькулятором по расчёту КСВ для комплексной нагрузки, подключённой к кабелю с заданным волновым сопротивлением.

Онлайн калькулятор расчёта КСВ при комплексной нагрузке

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.

КСВ (Коэффициент стоячей волны) SWR (Standing wave ratio)

КСВ (Коэффициент стоячей волны) — SWR (Standing wave ratio) — в радиотехнике и телекоммуникациях отношение амплитуды максимумов к амплитуде минимумов в стоячей волне — мера согласования импеданса нагрузок с характерным импедансом линии передачи или волновода. Сопротивление импеданса приводит к появлению стоячих волн вдоль линии передачи, а КСВ определяется как отношение амплитуды частичной стоячей волны в пучности (максимум) к амплитуде на узле (минимум) вдоль линии. Характеризует степень согласования выносной wi-fi антенны и фидера (коаксиального СВЧ кабеля), также говорят о согласовании выхода беспроводной wi-fi точки и фидера. На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в wi-fi передатчик. Отражённая энергия ухудшает работу беспроводного wi-fi передатчика и может его повредить.

Обычно КСВ воспринимается с точки зрения максимального и минимального переменного напряжения вдоль линии передачи, что называется отношением стоячей волны напряжения или КСВП. Например, значение КСВВ 1.2: 1 означает напряжение переменного тока из-за стоячих волн вдоль линии передачи, достигающее пикового значения в 1,2 раза больше, чем минимального переменного напряжения вдоль этой линии. КСВ можно также определить как отношение максимальной амплитуды к минимальной амплитуде токов линии электропередачи, напряженности электрического поля или напряженности магнитного поля. Пренебрегая потерей линии передачи, эти отношения идентичны.

В идеале КСВ=1 — это означает, что отраженная волна отсутствует. Значения до 1,5 считаются приемлемым в Wi-Fi диапазоне 2400-2485 МГц.

При появлении отраженной волны КСВ возрастает в прямой зависимости от степени рассогласования тракта и нагрузки. На практике чаще используется коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН). Этот параметр обязательно оговаривается в технических требованиях на передающее устройство. Кроме того, существуют ГОСТы на предельно допустимый уровень КСВ.

КСВ является обратной величиной к коэффициенту бегущей волны (КБВ).

При плохом согласовании в кабеле возникают стоячие волны, которые ухудшают работу wi-fi оборудования в результате:

— снижается КПД фидера, и, следовательно, общий КПД передатчика; уменьшается реальная чувствительность приемника;

— снижается максимальная мощность, которую можно подвести к антенно-фидерному устройству;

— затрудняется согласование передатчика и приемника с антенно-фидерным устройством.

Однако сделать вывод о том, что имеющееся антенно-фидерное устройство будет работать заметно лучше, если снизить КСВ до 1 можно только после сравнения его характеристик при имеющемся КСВ и КСВ=1.

Для измерения коэффициента стоячей волны используются специальные измерительные приборы, которые называются КСВ метр. Поскольку КСВ является мерой импеданса нагрузки относительно характерного импеданса используемой линии передачи (которая вместе определяет коэффициент отражения), данный измеритель КСВ может интерпретировать только импеданс, который он видит в терминах КСВ, если он был разработан для этого специфического импеданса. На практике большинство линий передачи, используемых в этих приложениях, представляют собой коаксиальные кабели с сопротивлением 50 или 75 Ом, поэтому большинство КСВ соответствуют одному из них.

Ксв метр что это

При монтаже и настройке систем радиосвязи часто измеряют некую не всем и не совсем ясную величину называемую КСВ. Что же это за характеристика, помимо спектра частот указываемая в характеристиках антенн?
Отвечаем:
Коэффициент стоячей волны (КСВ), коэффициент бегущей волны (КБВ), обратные потери это — термины, характеризующие степень согласования радиочастотного тракта.
В высокочастотных линиях передачи соответствие сопротивления источника сигнала волновому сопротивлению линии определяет условия прохождения сигнала. При равенстве этих сопротивлений в линии возникает режим бегущей волны, при котором вся мощность источника сигнала передается в нагрузку. Измеренное на постоянном токе тестером сопротивление кабеля покажет либо холостой ход либо короткое замыкание в зависимости оттого, что подключено к другому концу кабеля, а волновое сопротивление коаксиального кабеля, определяется соотношением диаметров внутреннего и внешнего проводников кабеля и характеристиками изолятора между ними. Волновое сопротивление это сопротивление, которое оказывает линия бегущей волне высокочастотного сигнала. Волновое сопротивление постоянно вдоль линии и не зависит от её длины. Для радиочастот волновое сопротивление линии считают неизменным и чисто активным. Оно приблизительно равно:
где L и С распределенные емкость и индуктивность линии;

Где: D – диаметр внешнего проводника, d – диаметр внутреннего проводника, — диэлектрическая проницаемость изолятора.
При расчете радиочастотных кабелей стремятся получить оптимальную конструкцию, обеспечивающую высокие электрические характеристики при наименьшем расходе материалов.
При использовании меди для внутреннего и внешнего проводников радиочастотного кабеля справедливы соотношения:
минимальное затухание в кабеле достигается при отношении диаметров

максимальная электрическая прочность достигается при:

максимум передаваемой мощности при:

исходя из этих соотношений, выбраны волновые сопротивления радиочастотных кабелей, выпускаемых промышленностью.
Точность и стабильность параметров кабеля зависят от точности изготовления диаметров внутреннего и внешнего проводников и стабильности параметров диэлектрика.
В идеально согласованной линии отражение отсутствует. Когда сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии передачи, падающая волна полностью поглощается в нагрузке, отраженная и стоячая волны отсутствуют. Такой режим называется режимом бегущей волны.
При коротком замыкании или холостом ходе линии на конце линии, падающая волна полностью отражается обратно. Отраженная волна складывается с падающей, и результирующая амплитуда в любом сечении линии является суммой амплитуд падающей и отраженной волн. Максимум напряжения называется пучностью, минимум напряжения узлом напряжения. Узлы и пучности не движутся относительно линии передачи. Такой режим называется режимом стоячей волны.
Если на выходе линии передачи подключена произвольная нагрузка, только часть падающей волны отражается обратно. В зависимости от степени рассогласования возрастает отраженная волна. В линии одновременно устанавливаются стоячая и бегущая волны. Это режим смешанных или комбинированных волн.
Коэффициент стоячей волны (КСВ) это безразмерная величина, характеризующая соотношение падающей и отраженной волн в линии, то есть степень приближения к режиму бегущей волны:
; как видно по определению, КСВ может меняться от 1 до бесконечности;
КСВ меняется пропорционально соотношению сопротивления нагрузки к волновому сопротивлению линии :

• Обратные потери (return loss) — это отношение мощностей падающей и отраженной волн, выраженное в децибелах.

или наоборот:
Обратные потери удобно использовать при оценке эффективности фидерного тракта, когда потери кабеля, выражаемые в дБ/м можно просто просуммировать с обратными потерями.
Величина потерь на рассогласование зависит от КСВ:
в разах или в децибелах.
Передаваемая энергия при несогласованной нагрузкевсегда меньше, чем при согласованной. Передатчик, работающий на несогласованную нагрузку, не отдает в линию всю ту мощность, которую бы отдавал в согласованную. Фактически, это не потери в линии, а снижение мощности, отдаваемой в линию передатчиком. Насколько влияет КСВ на снижение, видно из таблицы:

КСВ

Мощность попадающая в нагрузку

Обратные потери
RL

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.

Материалы по теме:

• Tektronix: analog+digital+RF = неожиданное решение. Один удивительный осциллограф
• Tektronix провела демонстрацию нового анализатора спектра реального времени
• Вышла в свет книга «Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики»